光子撞擊真空，三維模擬揭祕「黑暗中生光」量子效應

更新於 06月09日12:05 • 發布於 06月09日12:00 • 高詩豪

科學家們長期以來認為，真空雖名為「空」，實則蘊藏量子場論下的虛擬粒子對。如今，牛津大學與里斯本大學研究團隊運用進階模擬軟體 OSIRIS，首度即時三維還原「真空四波混頻」現象，見證雷射在「空無一物」中創造出新的光束，為驗證量子力學預言邁出關鍵一步。

這項被稱為「真空四波混頻」（vacuum four-wave mixing）的現象，是量子電動力學（QED）早已預測卻難以實驗證實的效應。當三束超強雷射光在空間交會時，能誘發真空中大量虛擬電子-正電子對，進而讓光子之間發生前所未見的「碰撞」，產生第四道能量守恆、動量守恆的新光束。這個過程形象地被譽為「黑暗中生光」。

團隊透過 OSIRIS 軟體，模擬出三束雷射於聚焦點交會，如何極速觸發真空極化、虛粒子漲落，以及新光束產生的完整時空演化細節。論文共同作者張子馨博士生表示，這不僅讓理論家得以量化各種實驗條件，更讓實驗物理學家在設計雷射場型、脈衝時序等關鍵參數時，有了「量子級」的精準指引。

產生第四道能量守恆、動量守恆的新光束

圖顯示了模擬結果與理論值的比較： (a) 上圖呈現輸出脈衝的歸一化功率（P/Pγ=45°）隨輸入偏振角 γ 的變化。藍色曲線為理論預測，紅色叉號及誤差棒為模擬結果。可以看到，模擬值和理論值吻合良好，所有點都落在誤差範圍內。 (b) 下圖顯示輸出偏振角 γ_out 隨輸入偏振角 γ 的變化（負號表示依據文獻 Eq.(22) 的慣例）。同樣，模擬結果與理論曲線高度一致。（圖／《Communications Physics》）

此外，這套模擬工具還可協助探索暗物質候選粒子（如軸子、帶微電荷粒子）對真空光學效應的影響，進而為基礎物理提供全新線索。隨著超高能雷射設施（如 ELI、XFEL）的建置，這種模擬技術將成為驗證極端量子現象的關鍵利器。

牛津大學 Peter Norreys 教授強調：「這項工作不僅僅是理論突破，更是實驗物理邁向新紀元的起點。」研究成果發表於《Communications Physics》，為揭開「真空其實不空」的神秘面紗邁出關鍵一步。

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首圖來源：Zixin (Lily) Zhang (CC BY 4.0)

圖片來源：Communications Physics(CC BY 4.0)

參考論文：
1、 Computational modelling of the semi-classical quantum vacuum in 3DCommunications Physics

延伸閱讀：
1、萬法皆空因果不空？！量子充電技術將打破「因果循環」

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