當(dāng)超強(qiáng)激光遇上量子真空，首次實(shí)現(xiàn)從"虛無(wú)"中產(chǎn)生光。

牛津大學(xué)的科學(xué)家們模擬了一種方法，似乎能從稀薄的空氣中召喚出光。他們的工作之所以令人振奮，是因?yàn)樗|及了量子物理學(xué)最奇特的預(yù)言之一：所謂的真空并非真正空無(wú)一物。

研究團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)模擬，重現(xiàn)了一個(gè)難以捉摸的現(xiàn)象：強(qiáng)激光束擾動(dòng)所謂的量子真空，從而產(chǎn)生真實(shí)可觀測(cè)的效應(yīng)，例如無(wú)需任何原子、塵埃或?qū)嶓w物質(zhì)即可產(chǎn)生光。

這一成就表明，在浩瀚空曠的太空中，隱藏著我們無(wú)法看見(jiàn)或觸摸的粒子之舞。更重要的是，它代表著向操控真空本身邁出的第一步。

研究作者聲稱，這可能對(duì)高能物理學(xué)、先進(jìn)激光系統(tǒng)以及我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

無(wú)中生光

要理解研究人員的成就，首先必須忘掉你對(duì)真空的既有認(rèn)知。在經(jīng)典物理學(xué)中，真空只是一個(gè)空盒子 —— 沒(méi)有空氣、沒(méi)有粒子、沒(méi)有光。

然而，量子物理學(xué)卻持不同觀點(diǎn)。即使是最空無(wú)一物的空間，也充滿了轉(zhuǎn)瞬即逝的虛粒子，特別是電子和正電子對(duì)，它們?cè)谒查g閃爍存在又消失。研究作者指出：“量子真空中充滿了能量漲落，虛電子-正電子對(duì)便由此產(chǎn)生。”

這些粒子對(duì)通常是無(wú)法觀測(cè)的，但在特定條件下，它們可以與真實(shí)能量相互作用并顯現(xiàn)自身。這正是研究人員試圖模擬的內(nèi)容。他們使用了一個(gè)名為OSIRIS的高性能程序來(lái)運(yùn)行先進(jìn)的三維模擬；可以將其視為一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，量子物理學(xué)的規(guī)則在其中細(xì)致地展現(xiàn)。

他們的目標(biāo)是重現(xiàn)一個(gè)名為“真空四波混頻”的理論現(xiàn)象。其原理如下：當(dāng)多束激光（此處為三束）在真空中交叉時(shí)，該空間中的虛粒子可被強(qiáng)大的能量極化。這種極化使得激光束能夠混合并形成新的光波，盡管沒(méi)有添加任何物質(zhì)。這就像是新的光從一片無(wú)形、閃爍的粒子場(chǎng)中誕生。

模擬中使用了拍瓦（petawatt）級(jí)激光，這是人類構(gòu)想出的最強(qiáng)大的光束之一。1拍瓦等于10^15瓦（一千萬(wàn)億瓦），大致相當(dāng)于十萬(wàn)億個(gè)燈泡的總功率。盡管研究人員并未在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)射真實(shí)的激光，但他們運(yùn)行了詳細(xì)的模擬，展示了如果這樣做會(huì)發(fā)生什么，而結(jié)果令人震驚。

激光束可以通過(guò)量子真空改變方向、混合，甚至產(chǎn)生新的光 —— 這是前所未有的直接觀測(cè)。另一個(gè)有趣的結(jié)果是“真空雙折射”。在常規(guī)光學(xué)中，雙折射發(fā)生在光穿過(guò)晶體時(shí)發(fā)生彎曲或分裂的情況下。

然而，在此案例中，充當(dāng)“晶體”的正是真空本身，它被激光能量所扭曲。光的偏振發(fā)生了變化，因?yàn)樘摿Ｗ樱娮雍驼娮樱┰趶?qiáng)場(chǎng)中被拉伸和旋轉(zhuǎn)。這種奇特的光學(xué)效應(yīng)（真空雙折射）在數(shù)十年前便有人預(yù)言，但直到現(xiàn)在才首次在模擬中得到演示。

真空或可解釋諸多神秘概念

如果當(dāng)前的研究成果能在物理實(shí)驗(yàn)中成功驗(yàn)證，將有助于科學(xué)家研究超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)，包括暗能量的本質(zhì)、時(shí)空結(jié)構(gòu)以及光和物質(zhì)在極端能量下的相互作用。它甚至可能催生出以前所未有的精度控制光的技術(shù)。

然而，此處模擬的量子效應(yīng)極其微弱，在充滿噪聲的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中難以觀測(cè)。此外，研究人員所談?wù)摰募す鈴?qiáng)度之高，足以汽化大多數(shù)材料，因此科學(xué)家們需要一些時(shí)間才能找到合適的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn)。

這正是此類模擬如此寶貴的原因。它們幫助科學(xué)家在投入昂貴且高風(fēng)險(xiǎn)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前，精確鎖定所需的條件。

研究作者現(xiàn)在希望應(yīng)用他們的虛擬方法，探索更特殊的脈沖形態(tài)和激光束模式。他們的模擬將為即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)提供路線圖，或許還能幫助我們學(xué)會(huì)如何將太空中的“虛無(wú)”轉(zhuǎn)化為某種實(shí)體 —— 從一束光開(kāi)始。

該研究發(fā)表在《通訊-物理學(xué)》期刊上。

如果朋友們喜歡，敬請(qǐng)關(guān)注“”！