量子模拟出人意料：从黑暗中“挤压”出光

精心对齐三束强大的激光，可能会产生一股神秘的第四束光，而这束光正是从黑暗本身被“扼制”出来的。

这听起来像是某种神秘力量在起作用，但一项模拟研究已证实了这一点。该模拟展示了当超高电磁场在真空中相遇时，我们预期会出现的量子效应。

来自英国牛津大学和葡萄牙里斯本大学的一个研究团队，使用半经典方程求解器，在三维空间中实时模拟了量子现象，以测试在真空中将极其强烈的激光脉冲组合在一起时，理论上应该发生什么。

牛津大学的物理学家彼得·诺里斯（Peter Norreys）说：“这不仅仅是一种学术上的好奇 —— 这是迈向实验验证量子效应的重要一步，而这些效应迄今为止大多是理论上的。”

自半个多世纪前发明以来，激光技术已取得了长足进步。理论上，它们能够在瞬间聚焦拍瓦（petawatt）级的能量，足以将物质从现实结构本身中“震”出来。

在我们看来是虚无的空间，在量子层面上，其实是一片“可能性的海洋”。代表着各种物理相互作用的场在“嗡鸣”，预示着可能产生我们认作是光的基石和物质本身的构造单元的粒子。这些虚粒子（virtual particles）在极短的瞬间内不断地产生又湮灭。

要让它们更长久地显现，只需要施加合适的“物理说服”，阻止它们相互抵消；例如，当一系列强大的电磁场以合适的方式排列时，就可能提供这种“说服力”。

为了确定关于激光威力的预测是否真能“无中生有”，诺里斯和他的团队基于真空中电磁场的数学基础，运行了计算模型。

将数值输入他们的求解器后发现，混合三束强度合适的激光束及其电磁场，可以产生一种极化水平，迫使虚光子在它们模糊消失之前分离开来。这种被称为“四波混频”（four-wave mixing）的过程，其散射的光子将表现为第四束光。

这种光子-光子散射现象长期以来被认为可能存在，但迄今为止试图在现实中观测它的尝试均未成功。

该研究的主要作者、牛津大学物理学家张子新（音译）说：“通过将我们的模型应用于三光束散射实验，我们能够捕捉到全部的量子特征，并获得了关于相互作用区域和关键时间尺度的详细见解。”

虽然目前的研究结果都是数值模拟，但它们确实提供了比以往模型更符合物理现实的预期描述。我们可能也不需要等待太久，这些结果就将面临最终的实验检验。

位于罗马尼亚的“极端光基础设施”（Extreme Light Infrastructure）项目目前拥有世界上最先进的高功率激光设施，其超短脉冲激光的平均功率已达到约10拍瓦。

与此同时，美国罗切斯特大学的“EP-OPAL”项目正在研制两束25拍瓦的激光束，并已计划进行光子-光子散射实验。中国的上海高重频X射线自由电子激光和极端光设施（Shanghai High repetition rate X-ray Free Electron Laser and Extreme light facility）也期望在今年打破纪录，其目标是利用自由电子激光技术达到100拍瓦。

研究人员希望，仅使用光子来产生必要的电磁场，从黑暗中散射出来的光将不会被其他粒子形成的“迷雾”所掩盖，从而最终一劳永逸地证明，在物理学中“无中生有”是可能的。

这项研究已发表在《通讯-物理学》期刊上。

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