“空即是色”：牛津科学家首次模拟“量子真空”生光奇迹

实验室中光子-光子散射的示意图：两束绿色的拍瓦级激光在焦点处与第三束红色激光相遇，共同极化量子真空。由此产生出第四束蓝色激光，其方向和颜色独特，同时保持动量与能量守恒。图片来源：Lily Zhang

牛津大学的科学家们模拟出了光与“空无”空间的相互作用——这是一个听起来像科幻小说、但却基于真实物理原理的奇特量子现象。令人难以置信的是，这一模拟展示了从黑暗中“诞生”出的光，验证了量子理论中关于真空其实并不空，而是充满了看不见的、闪烁不定的粒子的预测。这一突破让我们距离在现实实验中证实这些看似疯狂的物理效应又近了一步——而这一切，正借助于全球新一代超强激光系统的出现。

这项研究成果已发表于《Communications Physics》期刊，是将曾经的理论物理转化为可验证现实的重要一步。

激光揭示“量子真空”的真实面目

强大的激光技术正在让科学家们窥见“真空”的本质——事实证明，真空并非真正的空无。

牛津大学和葡萄牙高级技术研究所（Instituto Superior Técnico）的研究人员，首次通过实时三维计算机模拟，展示了超强激光束如何激起所谓的“量子真空”——一个充满短命电子-正电子对的领域。

他们的模型捕捉了一种令人费解的现象，称为“真空四波混频”（vacuum four-wave mixing）。想象一下三束高聚焦激光脉冲汇聚在一起：它们的电磁场联合作用会激发那些虚粒子，使得光子之间像台球一样互相碰撞。最终的结果，是产生出第四束激光——光从虚空中“点亮”而来，这可能揭示极高能物理的新规律。

向实验验证迈进一步

“这不仅仅是学术上的好奇心驱使，它是朝向实验验证长期以来被认为仅存在于理论中的量子效应迈出的重要一步。”——牛津大学物理系的Peter Norreys教授如是说。

这项工作正逢其时。全球正陆续建成新一代超强激光系统，例如英国的 Vulcan 20-20、欧洲的“极端光基础设施（ELI）”项目、中国的极端光站（SEL）和 SHINE 实验装置等，它们具备足够的能量，首次有望在实验室中验证“光子-光子散射”现象。光子-光子散射也已被选为美国罗切斯特大学 OPAL 双束25拍瓦激光装置的三大旗舰实验之一。

OSIRIS 模拟系统助力突破性发现

此次模拟使用的是升级后的 OSIRIS 软件包，该软件专用于模拟激光与物质或等离子体之间的相互作用。

论文第一作者、牛津大学物理系博士生张子欣（Zixin Zhang）表示：“我们的程序提供了一个三维、可解析时间的‘观察窗口’，使我们得以窥探此前遥不可及的量子真空相互作用过程。通过将模型应用于三束激光的散射实验，我们完整捕捉了所有量子信号，并深入了解了作用区域的细节和关键时间尺度。”

经过严谨验证后，这一模型可被用于更复杂、更具探索性的场景，包括奇异的激光束结构和“飞焦”脉冲等。

这些模型也为实验设计提供了至关重要的参数——例如激光脉冲的实际形状和时序设置。此外，模拟还揭示了新的现象：比如在几何形状上哪怕是细微的不对称，也可能改变最终的结果。

用“虚拟光”寻找暗物质

研究团队表示，这项工具不仅能为未来的高能激光实验提供规划支持，还可能有助于寻找如轴子（axions）和微电荷粒子（millicharged particles）等暗物质候选粒子的迹象。

共同作者、葡萄牙高级技术研究所的Luis Silva教授（现为牛津大学访问教授）补充说：“目前世界上最先进激光装置即将启动，许多计划中的实验将极大受益于我们在 OSIRIS 中实现的新模拟方法。超强激光、顶尖探测器、先进建模工具的融合，将为激光与物质相互作用打开一个新时代，也为基础物理学研究开启新的前沿。”

参考文献：“Computational modelling of the semi-classical quantum vacuum in 3D” by Zixin Zhang, Ramy Aboushelbaya, Iustin Ouatu, Elliott Denis, Abigail James, Robin J. L. Timmis, Marko W. Von Der Leyen, Peter A. Norreys, Rui Torres, Thomas Grismayer and Luis O. Silva, 5 June 2025, Communications Physics. DOI: 10.1038/s42005-025-02128-8