早在上世纪初期,爱因斯坦的质能方程式E=mc2就揭示了能量与物质相互转化的可能性,数十年后,核爆炸以极其壮观的方式向人类展示了物质转化为能量的过程。1928年以Dirac方程为代表的相对论量子力学的建立则为利用能量直接在真空中产生物质提供了理论依据,Dirac对真空进行了新的定义和描述,他认为真空是一个充满了负能态粒子的“海洋”并且成功预言了反粒子的存在,反粒子可以理解为负能态上的空穴。围绕正负粒子对产生和湮灭的各种推论,实验和假设从未停止。理论方面,在Dirac方程发表的同一年,Oskar Klein指出,假如电子被一个足够陡峭的势垒反射,按照狄拉克方程的计算结果,其透射率会大于0,这就是著名的Klein佯谬。1936年,Werner Heisenberg将Klein佯谬的起因解释为超强的电场引起了正负电子对的产生。1951年,Schwinger提出了一种非微扰理论,成功的描述了电子对在强外场中产生的过程以及其在长时间内的产生率,并给出了在真空中激发出正负电子对的场强阈值,约1018V/m,这一场强被称作Schwinger极限场。在实验方面,我国物理学前辈赵忠尧于1930年发现的电子对效应(Electron pair effect)可以认为是人类首次探测到了能量(γ射线)在原子核电场中转化为物质(正负电子对)的过程,该实验为狄拉克的真空理论提供了重要依据。1997年科学家利用SLAC直线加速器产生的高能电子与光学激光(波长532nm,强度约1018W/cm2)散射产生高能γ光子,观测到了高能γ光子与光学激光二次散射产生的正负电子对。SLAC实验的结果引起了科学界的轰动,虽然SLAC实验被认为是历史上首次利用光产生物质的实验,但仍然需要高能电子参与相互作用,因此严格意义上来讲,纯粹由强辐射场击穿真空并产生正负电子对到目前为止还未能实现。这项对现代物理学的理论基础具有重要科学意义和极富挑战性的课题长期以来一直吸引着科学家的注意。近年来,由于激光技术的快速发展,可以实现的最高光强推进到了1023W/cm2的水平。为了获得更高瞬时功率的激光系统,跨国研究中心正在建设中,这种具有更高激光强度的实验设备将大力推动“真空击穿”这一类量子电动力学问题的研究进展。欧洲ELI计划的主要目标之一就是建造并利用大型超短超强激光装置产生接近Schwinger极限的场强,最终实现利用纯光能产生物质粒子(真空击穿)。在未来的若干年内,激光强度有可能达到“击穿”真空并产生正负电子对的水平。因此,从理论上分析极端强激光场产生正负电子对的过程和机制迫在眉睫。近些年来,人们通过数值模拟和解析分析对这一前沿问题进行了研究。本文采用最近发展起来的一种新型的独特方法—计算量子场论—研究了真空中粒子对产生过程。这种方法的核心思想是通过对含时Dirac(Klein-Gordon)方程进行精确的数值求解来描述超临界或次临界电磁场与真空相互作用过程中的物理现象。由于不采用微扰法,因此能够从更加本质的层面来研究正负粒子对的产生过程。基于对不同外场条件下的模拟,本文对强场条件下的真空极化和粒子对产生有了一些新的认识和结果:(1)新的复坐标变换方法尽管数值计算量子场论的方法可以确定在任意外场中粒子对产生的数目,然而对粒子产生的动力学过程并不能给出直观的解释。例如,当外加电场是一维标量势阱,如果势阱的深度超过阈值,从正能态中产生出来的束缚态便会潜入到负能海中并与负能态混合在一起,这种共振态在粒子对产生过程中的作用一直无法得到很好的理解。为了理解负能海中共振态在粒子对产生中的长时间行为,我们使用了推广了复坐标变换方法。在这个方法中,空间坐标x和动量p在复平面内转动一定角度。经过这些变换后,初始的哈密顿量变成了非厄米哈密顿量。其能量本征值的虚部可以用来描述粒子产生率。更为意外的是当多个束缚态潜入负能海,这些束缚态的虚部的总和与整个系统粒子对的产生率有关。这个结果不同于我们以前认为的衰变率大的通道决定整个系统的粒子对产生率。我们的研究最终给出了一种通道间的协同机制。这项成果最近被发表在Phys.Rev.Lett.上,并且被中国科学院物理研究所主页上设为亮点。(2)基于瞬时准洛伦兹变换的描述对于恒定场中粒子对产生的描述有着可靠的理论,但是对于任意随时变化的场来说,现有的各种理论都显得非常困难。我们系统的发展了一种新的描述方法。这种方法是基于将系统变换到一个运动的参考系中,在这个参考系中外场是静止的,粒子对的产生率可以用任何恒定场中的方法来得到。为了验证这种方法的准确性,我们首先考虑了一个随时间以恒定速度v运动的次临界标势,V(r,t)=V(r–vt)。在运动系中,处于静止情况下的标势的高度V0>2mc2(称为超临界势)的条件,正好可以转换为外场运动速度下的临界速度vc。在初步的研究中我们已经在很多复杂的情况下(如像激光场中的正弦行波和驻波的形式中)运用这种方法研究了系统中的粒子对产生过程,。(3)多场结构下的实验设计除了含时次临界场可以产生粒子对以后,运用多束平行激光结构也可以在次临界电场下激发真空中粒子对的产生过程。这种研究潜在的重要应用是指导未来的实验设计。当很多束次临界激光场并排分布时,量子力学隧穿效应可能导致等效电场变为超临界电场。通过模拟,我们发现了几百束激光平行分布的情况下,每束激光强度只需要1027 W/cm2就可以引起粒子对的产生。这个强度比粒子对产生的Schwinger阈值低两个数量级。(4)磁场控制粒子对产生过程为了更好地模拟实验室中真实的激光场条件,我们将之前的空间一维模型推广到了二维情况,考虑了磁场在粒子对产生中的作用。为了简化计算又不失普遍性,在我们的二维模型中磁场沿着z方向,而其空间分布只依赖于x坐标,在y方向上是均匀的。在这种构造下,我们发现了一些新的物理现象。第一,对于粒子产生的总数目N(t),如果我们固定电场和磁场的强度并且固定电场的空间宽度下,渐渐地增加磁场的空间宽度WB,最终N(t)与不加磁场的情况下相比将会被显著的抑制。第二,当磁场宽度超过某一个阈值宽度后,粒子对产生过程将会被完全的抑止,超过这个阈值后粒子对总数N(t)将会随时间表现出一种振荡行为。对于粒子对产生停止之前的抑制现象,我们进行了详细分析。结果显示磁场导致产生的粒子在空间作回旋运动,由于泡利不相容原理,当这些粒子(如电子)在返回产生区域时将会抑制粒子对的产生。另一方面,我们也研究了磁场在玻色子系统中的控制作用。在这种情况下返回的玻色子将会增强粒子对的产生,符合之前文献中讨论过的所谓反泡利不相容效应。最后我们能够建立粒子对长时间产生率与单粒子Dirac/Klein-Gordon方程透射系数的联系。这种关联是对Hund提出的在只有电场存下相应理论的一种成功扩展。