物理学家成功模拟了一种奇特的量子现象，即光似乎从空荡荡的空间中产生，这一概念至今仅存在于理论中。通过尖端的模拟技术，研究人员模拟了强激光如何与所谓的量子真空相互作用，揭示了光子如何相互反弹，甚至产生新的光束。这些突破恰逢新的超强激光设施准备在现实中测试这些令人困惑的效应，潜在地为揭示新物理学甚至暗物质粒子打开了一扇大门。
使用先进的计算建模，由牛津大学领导的研究团队，与里斯本大学的高级技术研究所合作，首次实现了实时三维模拟，展示了强激光束如何改变“量子真空”——这一状态曾被认为是空的，但量子物理学预测它充满了虚拟的电子-正电子对。
令人兴奋的是，这些模拟重现了量子物理学预测的一种奇特现象，称为“真空四波混合”。这表明，三束聚焦激光脉冲的综合电磁场可以极化真空中的虚拟电子-正电子对，导致光子像台球一样相互弹跳——在一种“黑暗中的光”过程中生成第四束激光。这些事件可以作为在极高强度下探测新物理学的探针。
“这不仅仅是学术好奇心——这是实验确认量子效应的重要一步，之前这些效应主要是理论上的，”研究共同作者、牛津大学物理系的彼得·诺雷斯教授说。
这项工作正值新一代超强激光即将上线之际。英国的Vulcan 20-20、欧洲“极端光基础设施（ELI）”项目以及中国的极端光站（SEL）和SHINE设施等将交付足够高的功率水平，可能首次在实验室确认光子-光子散射。光子-光子散射已被选为美国罗切斯特大学OPAL双束25 PW激光设施的三项旗舰实验之一。
这些模拟使用了一种高级版本的OSIRIS，一种模拟软件包，用于模拟激光束与物质或等离子体之间的相互作用。
首席作者、牛津大学物理系的博士生张紫新（Lily）表示：“我们的计算程序为我们提供了一个时间分辨的3D窗口，展示了以往遥不可及的量子真空相互作用。通过将我们的模型应用于三束光束散射实验，我们能够捕获全部量子特征，并深入了解相互作用区域和关键时间尺度。在彻底基准测试模拟后，我们现在可以将注意力转向更复杂和探索性的场景——包括奇特的激光束结构和飞焦脉冲。”
至关重要的是，这些模型提供了实验者所依赖的细节，以设计精确的现实测试，包括真实的激光形状和脉冲时序。模拟还揭示了新的见解，包括这些相互作用如何实时演变以及光束几何中的细微不对称如何影响结果。
据研究团队称，该工具不仅将有助于规划未来的高能激光实验，还可能帮助寻找假设粒子如轴子和微电荷粒子的迹象——这些都是潜在的暗物质候选者。
研究共同作者、里斯本大学高级技术研究所的路易斯·席尔瓦教授（同时也是牛津大学的访问物理教授）补充道：“通过我们在OSIRIS中实施的新计算方法，广泛计划的实验将在最先进的激光设施中得到极大支持。超强激光、最先进的探测、尖端的分析和数值建模的结合为激光-物质相互作用的新纪元奠定了基础，这将为基础物理学开辟新的视野。”
