实验室模拟出极端“量子真空”效应

近期，英国牛津大学与葡萄牙里斯本大学高等技术学院合作，借助先进的计算模型，首次实现了强激光束改变“量子真空”的实时三维模拟。这项突破性成果标志着人类首次在实验室条件下模拟光与真空空间的相互作用，将原本仅存在于科幻小说中的概念变为现实，并于2025年6月5日发表在《通讯·物理学》杂志上。 实验原理与核心发现根据量子场论，量子真空并非空无一物，而是充满了不断产生和湮灭的虚拟电子-正电子对。当三束聚焦的激光脉冲产生的电磁场作用于真空时，虚拟粒子会发生极化，导致光子像台球一样互相碰撞并反弹，最终形成第四束新的激光束。这一现象被称为真空极化，是量子电动力学（QED）的重要预言之一，但此前从未被直接观测到。实验中使用的是Vulcan 2020激光器，其参数达到了极端条件：20拍瓦的功率聚焦在0.001平方毫米的区域，强度相当于太阳亮度的100亿亿倍。通过OSIRIS软件包的升级版本进行三维实时模拟，团队不仅捕捉到了完整的量子特征，还深入解析了相互作用区域的关键时间尺度。 技术创新与科学意义1. 计算模型的突破     新模型提供了前所未有的时间分辨三维视角，能够观察到传统方法无法捕捉的真空相互作用过程。例如，光束几何结构中细微的不对称性会显著影响最终结果，这为实验设计提供了关键细节。2. 验证量子场论的极限     实验结果验证了QED在强场条件下的适用性，揭示了真空在极端电磁场中的不稳定性。例如，真空极化导致的光子散射现象，为理解宇宙中高能天体物理过程（如黑洞附近的辐射）提供了新视角。3. 应用前景     暗物质探测：该技术有望通过高强度激光与真空相互作用，探测构成暗物质的潜在候选粒子。     量子技术：真空极化效应的精确控制可能推动新型光子器件和量子信息处理技术的发展。     能源领域：类似Vulcan 2020的超强激光器还可用于模拟核聚变条件，助力清洁能源研究。 与其他研究的关联1. 量子计算模拟     华盛顿大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队同时利用量子计算机模拟了量子真空状态下的粒子碰撞，展示了量子计算在高能物理中的“量子优势”。例如，他们通过Schwinger模型模拟了强子波包的演化，为对撞机实验提供了理论支持。2. 真空极化的理论拓展     中国河南工业大学的理论研究提出，利用真空的非定域特性可调控其衰变过程，并设计了多束激光对撞产生高亮度X射线源的方案。这些成果与牛津大学的实验形成互补，共同推动强场QED的发展。 争议与挑战尽管实验取得了显著进展，但仍存在一些未解之谜：  粒子对的直接观测：目前仅通过光子行为间接验证了真空极化，尚未直接观测到电子-正电子对的产生。  极端条件的局限性：产生实粒子对所需的激光强度比现有实验室条件高千万倍，可能需要结合高能粒子束与激光对撞才能实现。 总结此次实验不仅在实验室中复现了极端量子真空效应，更开启了光与真空相互作用研究的新时代。随着技术的进一步发展，这类研究有望在基础物理、量子技术和能源领域引发革命性突破，让人类向理解“无中生有”的宇宙本质迈出坚实一步。