量子真空竟能產生「無中生有」的光束？物理學家突破性模擬揭密

物理學家首度實現即時3D模擬，揭示高能雷射如何改變數子真空——這個曾被認為是「完全空無」的狀態，實際上充滿著量子物理預測的虛擬電子-正子對。令人振奮的是，這些模擬重現了量子物理預測的奇異現象「真空四波混頻」：當三道聚焦雷射的電磁場共同作用時，會使真空中的虛擬粒子對極化，讓光子像撞球般互相碰撞，最終在「從黑暗中誕生光芒」的過程中產生第四道雷射光束。

實驗室中的光子-光子散射示意圖：兩道綠色拍瓦雷射光束與第三道紅色光束在焦點處碰撞，使量子真空極化，進而產生具有獨特方向與顏色的第四道藍色雷射光束，同時遵守動量與能量守恆定律。圖片來源：張子欣（Lily Zhang）。

牛津大學教授彼得·諾瑞斯表示：「這不僅是學術上的獵奇發現，更是邁向實驗驗證量子效應的重要里程碑——這些效應過去大多僅存在於理論層面。」

研究團隊運用升級版OSIRIS模擬軟體套件進行運算，該套件專門模擬雷射光束與物質或電漿的互動作用。

牛津大學博士生張子欣說明：「我們的程式提供前所未有的時間解析度3D視窗，讓我們能觀察先前難以觸及的量子真空互動作用。透過將模型應用於三光束散射實驗，我們成功捕捉完整的量子特徵，並深入解析互動作用區域與關鍵時間尺度。」

「在完成嚴謹的模擬基準測試後，我們現在能進一步探索更複雜的情境，包括特殊雷射光束結構與飛躍焦點脈衝。」

這些模型至關重要的價值在於，它們提供實驗設計所需的精確引數，包括真實的雷射形狀與脈衝時序。模擬結果還揭露新發現，例如這些互動作用的即時演化過程，以及光束幾何中細微的不對稱如何影響最終結果。

研究團隊指出，這項工具不僅能協助規劃未來的高能雷射實驗，更有助於搜尋軸子（axions）與微荷粒子等假想粒子——這些都是暗物質的潛在候選者。

里斯本大學高等技術學院與牛津大學物理學家路易斯·席爾瓦教授強調：「我們在OSIRIS中實現的新運算方法，將大幅協助全球頂尖雷射設施的系列實驗計畫。超高強度雷射、最先進偵測技術與尖端分析模型的結合，正為雷射-物質互動作用開創全新紀元，也將為基礎物理學拓展嶄新視野。」

該團隊研究成果已發表於《通訊-物理》期刊。

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參考文獻：
張子欣等人，2025，《三維半經典量子真空的計算模型》，通訊-物理 8, 224；doi: 10.1038/s42005-025-02128-8