當超強激光遇上量子真空，首次實現(xiàn)從"虛無"中產(chǎn)生光。

牛津大學的科學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，是因為它觸及了量子物理學最奇特的預(yù)言之一：所謂的真空并非真正空無一物。

研究團隊利用強大的計算機模擬，重現(xiàn)了一個難以捉摸的現(xiàn)象：強激光束擾動所謂的量子真空，從而產(chǎn)生真實可觀測的效應(yīng)，例如無需任何原子、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，隱藏著我們無法看見或觸摸的粒子之舞。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，這可能對高能物理學、先進激光系統(tǒng)以及我們對現(xiàn)實的理解產(chǎn)生深遠影響。

無中生光

要理解研究人員的成就，首先必須忘掉你對真空的既有認知。在經(jīng)典物理學中，真空只是一個空盒子 —— 沒有空氣、沒有粒子、沒有光。

然而，量子物理學卻持不同觀點。即使是最空無一物的空間，也充滿了轉(zhuǎn)瞬即逝的虛粒子，特別是電子和正電子對，它們在瞬間閃爍存在又消失。研究作者指出：“量子真空中充滿了能量漲落，虛電子-正電子對便由此產(chǎn)生。”

這些粒子對通常是無法觀測的，但在特定條件下，它們可以與真實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。他們使用了一個名為OSIRIS的高性能程序來運行先進的三維模擬；可以將其視為一個虛擬實驗室，量子物理學的規(guī)則在其中細致地展現(xiàn)。

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

模擬中使用了拍瓦（petawatt）級激光，這是人類構(gòu)想出的最強大的光束之一。1拍瓦等于10^15瓦（一千萬億瓦），大致相當于十萬億個燈泡的總功率。盡管研究人員并未在實驗室中發(fā)射真實的激光，但他們運行了詳細的模擬，展示了如果這樣做會發(fā)生什么，而結(jié)果令人震驚。

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

然而，在此案例中，充當“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，因為虛粒子（電子和正電子）在強場中被拉伸和旋轉(zhuǎn)。這種奇特的光學效應(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

如果當前的研究成果能在物理實驗中成功驗證，將有助于科學家研究超出標準模型的物理學，包括暗能量的本質(zhì)、時空結(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，在充滿噪聲的實驗室環(huán)境中難以觀測。此外，研究人員所談?wù)摰募す鈴姸戎撸阋云蠖鄶?shù)材料，因此科學家們需要一些時間才能找到合適的實驗裝置來進行此類實驗。

這正是此類模擬如此寶貴的原因。它們幫助科學家在投入昂貴且高風險的真實實驗之前，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行的實驗提供路線圖，或許還能幫助我們學會如何將太空中的“虛無”轉(zhuǎn)化為某種實體 —— 從一束光開始。

該研究發(fā)表在《通訊-物理學》期刊上。

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