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“真空”到底有多重？

阿基米德实验中覆盖着一层灰尘，该实验试图测量充满真空的“虚拟粒子”的重量

当我们的车颠簸着驶入意大利撒丁岛的一个矿井隧道时，恩里科·卡洛尼说:“当你第一次开车来到这里时，你会有所感触。地面上的高温过后，对比是鲜明的。几秒钟之内，潮湿、凉爽的空气进入车内，进入深处。”我希望你没有幽闭恐惧症。“这条狭窄的隧道，在几乎完全黑暗的情况下将我们引向地下110米的深处，并不适合所有人。但它是我们即将看到的项目的理想地点——阿基米德实验，以古希腊科学家首次描述的一种现象命名，旨在“无重量”。"

汽车停下来，我们的司机Luca Loddo下了车，给每个人都配备了头盔和手电筒。我们徒步走完最后一段路程，越来越深入隧道。我们经过一扇门，来到一个房间，地震仪记录着周围地球的细微运动。最后，隧道左侧出现了一个山洞，聚光灯正对着它，我们停了下来。“这是它应该发生的地方，”意大利国家核物理研究所的物理学家Calloni解释说。

从地质学上来说，撒丁岛是欧洲最安静的地方之一。该岛及其邻居科西嘉岛位于一个特别安全的地壳板块上，是地中海最稳定的地区之一，在其整个有记录的历史上很少发生地震，只有一次(离岸)地震达到了相对温和的5级。物理学家选择了这个地质上平静的地方，因为阿基米德实验需要与外界环境极度隔绝。它涉及一个高精度的实验装置，旨在研究物理学历史上最糟糕的理论预测——充满宇宙的真空空间中的能量。

研究人员可以用两种方法计算真空的能量。从宇宙学的角度来看，他们可以使用阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论方程来计算需要多少能量来解释宇宙正在加速膨胀的事实。他们也可以自下而上地工作，使用量子场论来预测基于所有“虚拟粒子”质量的值，这些“虚拟粒子”可以在“空”空间中短暂出现，然后消失(稍后将详细介绍)。这两种方法产生的数字相差超过120个数量级(1后跟120个零)。这是一个令人尴尬的荒谬的差异，对我们理解宇宙的膨胀，甚至是它的最终命运有着重要的影响。为了找出错误所在，科学家们正在将一个两米高的圆柱形真空室和其他设备拖到一个旧的撒丁岛矿井中，在那里他们将试图创造自己的真空并称量里面的东西。

真空里有什么？

真空并不完全是空的。这是因为量子物理学中的一个概念，叫做海森堡的测不准原理。该原理指出，你无法精确地同时确定一个粒子的位置和速度：你知道一个值越精确，你知道另一个值就越不精确。这个原理也适用于其他测量，比如涉及能量和时间的测量。其后果是相当严重的。这意味着大自然可以在极短的时间内“借用”能量。这些能量变化被称为真空波动，通常以虚拟粒子的形式出现，这些粒子可以凭空出现，又可以立即消失。

物理学家Enrico Calloni领导一个团队，旨在用复杂而灵敏的光束天平测量微小的信号

真空波动必须遵守一些规则。例如，一个电荷不可能突然出现在没有电荷的地方(这将违反电荷守恒定律)。这意味着只有电中性粒子，如光子，才能自己跳出真空。带电粒子必须与它们的反粒子配对出现。例如，一个电子可以和一个带正电的正电子一起出现；这两种电荷相互抵消，使总电荷保持为零。结果是真空中不断充满了嗡嗡作响的短命粒子流。

即使我们不能在探测器中捕获这些虚拟粒子，它们的存在也是可以测量的。荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔在1948年预测的卡西米尔效应就是一个例子。根据他的计算，两个相对的金属板应该在真空中相互吸引，即使不考虑它们相互施加的轻微引力。原因？虚拟粒子。这些板的存在对从真空中出现的虚粒子施加了一定的限制。例如，具有一定能量的光子(光的粒子)不能出现在板块之间。这是因为金属板像镜子一样来回反射光子。特定波长的光子最终会以波谷与波峰重叠的方式结束，有效地抵消了它们自己。如果两个波峰重叠，其他波长将被放大。结果是某些能量是优先的，而其他的被抑制了，就好像那些光子从来不存在一样。这意味着只有具有一定能量值的虚粒子才能存在于板块之间。然而，在它们之外，任何虚拟粒子都可能出现。

结果是，板块之间的可能性比它们周围的可能性更少，因此虚拟粒子也更少。外部相对丰富的粒子对板块施加压力，将它们压在一起。这种效应听起来可能很奇怪，但却是可以衡量的。1997年，物理学家Steven Lamoreaux在华盛顿大学通过实验证实了这一现象，这距离Casimir的预言已经过去了将近50年。现在Calloni和他的同事们希望利用Casimir效应来测量虚空的能量。

这种能量对整个宇宙有着重要的影响。广义相对论告诉我们，能量(例如，以质量的形式)会扭曲时空。这意味着在短时间内改变真空能量的虚粒子对我们宇宙的形状和发展有影响。当这种联系首次变得清晰时，宇宙学家希望它能解决他们领域的一个主要难题:宇宙常数的值，这是描述真空空间能量的另一种方式。

宇宙常数

爱因斯坦在1915年发表了他的广义相对论，但是他很快意识到他有一个问题。该理论似乎预测了一个膨胀的宇宙，然而当时的天文学家认为我们的宇宙是静止的:空间有一个固定不变的大小。

在他发表该理论三年后，爱因斯坦发现他可以在他的方程式中加入一个称为宇宙常数的项，而不会改变物理学的基本定律。给定正确的值，这个术语将确保宇宙既不膨胀也不收缩。然而，在20世纪20年代，天文学家埃德温·哈勃使用了当时最大的望远镜，即位于加利福尼亚州威尔逊山天文台的胡克望远镜，观察到一个星系离地球越远，它似乎后退得越快。这一趋势表明，太空实际上正在扩张。爱因斯坦抛弃了宇宙常数，称之为“愚蠢”

Calloni指出，如果有信号出现，光束会相对于另一个光束倾斜

半个多世纪后，又出现了另一个转折:通过观察遥远的超新星，两个研究小组独立地证明了宇宙不只是在膨胀——而是在加速膨胀。将空间推开的力量从此被称为暗能量。它的作用相当于重力，防止所有大质量物体最终坍缩到一个地方。根据理论预测，暗能量约占太空总能量的68%。在这一点上，宇宙常数作为对这种神秘能量形式的一种可能解释重新流行起来。反过来，宇宙常数被认为是从真空中获得能量。

起初，科学界欢欣鼓舞:似乎广义相对论常数是真空空间中虚粒子能量的结果。物理学的两个不同领域——相对论和量子论——正在一起解释宇宙的加速膨胀。但是这种喜悦并没有持续多久。当科学家进行这两项计算时，基于量子场论的真空能量比天文学家从测量宇宙膨胀中得出的宇宙常数值大得多——高出120个数量级。解决这种差异的最好方法是直接测量真空中的能量——通过称量虚拟粒子的重量。

宇宙的尺度

如果从量子理论得到的真空能量是正确的，那么一定有什么东西抑制了这种能量对空间膨胀的影响。如果这个值是暗能量的真正强度，空间膨胀的速度将会快得多。另一方面，如果宇宙学的值是正确的，那么物理学家大大高估了虚拟粒子对真空贡献的能量。

至少从卡西米尔效应被证明以来，真空涨落和虚粒子的存在已经被广泛接受。量子理论对波动的预测强度也不能完全否定，因为实验室实验非常精确地证实了这一理论。但是，有没有可能虚拟粒子实际上并不像我们想象的那样被吸引，因此并不像我们期望的那样影响空间的重量？

到目前为止，还没有人对虚粒子相对于重力的表现进行过直接测量。一些科学家认为，它们与重力的相互作用可能不同于普通物质。例如，1996年，以色列本古里安大学的物理学家亚历山大·卡根诺维奇和爱德华多·冈德尔曼提出了一个理论模型，其中真空的波动没有引力效应。如果在我们所熟悉的常规的三维空间和一维时间之外存在额外的维度，情况可能就是这样。这些隐藏的维度可能会在非常小的尺度上改变重力的行为。

绿色激光照亮的金属科学设备的详细视图。干涉仪将使用激光来测量光束平衡中的任何微小位移

然而，铝和铂等元素原子核的质量差异，只有在某些量子涨落对它们的重量有贡献时，才能得到解释。这就是为什么许多物理学家相信虚拟粒子与引力的相互作用就像普通粒子一样。参与阿基米德实验理论规划的理论物理学家卡尔罗·罗威利说:“有明显的迹象表明这一点，但目前还没有直接的证据。”。

为了验证虚拟粒子像正常物质一样与重力相互作用，阿基米德团队成员希望利用卡西米尔效应，用简单的天平称量虚拟粒子。天平将放在他们的真空室中，真空室是一个“什么都没有”的圆柱形容器，它将被嵌套在几层隔热层中，以保持其极冷并与外部环境隔离。反过来，这些层将坐落在撒丁岛洞穴的深处，保护这个脆弱的器官免受地上世界的任何可能的影响。这些屏障是必要的，因为科学家们正在寻找一个微小的信号:当卡西米尔效应开始时，天平的轻微移动，通过改变样品材料中虚拟粒子的数量来改变样品材料的重量。“原则上，几十年来我们已经知道这需要的基本原则，”博士后研究员Luciano Errico解释说，他是实验小组的成员。"起初我自己也不明白为什么要花这么长时间来完成这项任务。"

1929年，物理学家Richard Tolman想知道某些形式的能量(他专注于热)是否可以被称重。70年后，Calloni考虑推进这个想法。在阅读了已故物理学家Steven Weinberg的一篇技术论文后，他设想利用阿基米德原理来衡量虚拟粒子的重力贡献，阿基米德原理指出，当一个物体沉浸在流体中时，它会受到一个向上的浮力，该浮力等于该物体所排开的流体的重量。如果虚粒子有重量，那么真空中的金属板腔应该会受到浮力。这个空洞实质上取代了有大量虚粒子的规则真空，而较轻的真空包含较少的虚粒子。浮力的强度取决于虚拟粒子的密度，确定浮力的强度将揭示它们的重量。

为了测量真空管中的这种力，研究人员将两个由不同材料制成的样品悬挂在一个2米高、1.50米宽的天平上，并在其中一个样品中诱发卡西米尔效应。为此，他们会定期将两种材料加热约4摄氏度，然后再次冷却。这种温差足以让其中一个样品在超导相(当电流在材料中自由流动时)和绝缘相(当电流不容易流动时)之间来回切换。然而，另一种材料始终是绝缘体。当第一个样品的电导率发生变化时，它的行为类似于经典的双极板设置，其中可能的虚拟粒子数量也会发生变化。因此，浮力在第一重物上周期性地增加和减少。这种变化应该会导致天平以有规律的间隔摆动，就像两个孩子坐在跷跷板上一样。

在计划实验时，科学家们需要找到一种合适的材料，可以均匀快速地加热和冷却，并表现出强烈的卡西米尔效应。在考虑了几种选择后，研究小组选择了名为铜酸盐的超导晶体。得到的样品是直径约10厘米、厚度只有几毫米的圆盘。迄今为止，还没有人证明卡西米尔效应在高温超导体中有效，但是科学家们打赌它有效。

研究人员操纵了天平，使其自由悬挂在真空室内的太空中，这将使整个仪器冷却到低于90开尔文(略低于-180摄氏度)。该舱本身将被装入两个更大的金属容器中——一个装满液氮的罐子，放在另一个类似热水瓶的无空气容器中。没有最后一层茧，第二层会很快升温。整个建筑将有三米高、宽和深，重达数吨。

敏感的信号

卡洛尼从2002年开始与同事合作，开发一个理论模型来计算不同实验设置的浮力强度。他们发现现实实验中的力大约是10-16牛顿。测量如此微小的力就像试图称量细胞中的DNA。“这些数字是毁灭性的，”以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的物理学家乌尔夫·莱恩哈特说。"另一方面，10年前几乎没有人相信引力波现在可以被探测到."

实验最终将在废弃的撒丁岛矿井中进行

事实上，今天的引力波探测器在2015年首次观察到它们的目标，可以帮助检测阿基米德实验所寻求的微小重力信号。卡洛尼本人参与了意大利引力波探测器处女座的建造。“只是因为为精确测量引力波而制造的极其灵敏的仪器，这一切才成为可能，”埃瑞克说。

为了能够探测到它所寻求的微小偏转，阿基米德实验将使用两个激光系统，这两个激光系统与引力波探测器内的激光和镜子设置有一些相似之处。第一种方法是通过分束器将激光束分成两部分，射向标尺的两端，在那里它们被相连的镜子反射。然后，光束被另外的反射镜重新组合，并传播到检测器。如果光束处于平衡状态，两束光束将会传播完全相同的距离。如果手臂稍微向一个方向倾斜，波束将覆盖不同的距离。在这种情况下，激光束波的波峰和波谷将以交错的方式在测量装置中相遇，产生不同的强度。这个系统甚至可以检测出平衡的最小偏差。

如果有大的移动，第二组激光测量倾斜的方向。在室温下操作的实验的简化原型已经非常灵敏，丁波很好地证明了最终阿基米德仪器的性能。但是，即使有如此复杂的测量系统，实施实验也将是困难的。“在这样的实验中，整个世界都在和你作对，”麻省理工学院的物理学家Vivishek Sudhir说。

为了保护平衡不受外界影响，物理学家们需要一个地震活动尽可能少的地方，因此选择了撒丁岛。这个岛还有其他优势。人口不是太密集，这使得人为噪音很低。它还有250多个废弃的矿井，其中许多已经不再使用，这些矿井很有吸引力，因为地下震动更少，而且矿井内的温度特别稳定。

最终，研究小组确定了位于该岛东部的Sos Enattos矿，该矿自20世纪90年代以来一直关闭。该矿历史悠久:在古代，罗马人用它来提取银和锌矿石。今天，我们这次旅行的司机Loddo负责竖井；他以前在矿上当过技术员。“就在它被关闭之前，只有大约30人在那里工作，”Loddo说，他带我们穿过矿井。"然后他们负责改造地下通道，以便用作博物馆。"几年后，他接管了矿山的管理，并组织导游。在一些地区，仍然有描绘矿工在工作中采取的不同步骤的教育装置:这里有一个用石头装满手推车的人物，那里有人在墙上安装炸药，其他地方有一个工人操作风钻的精致复制品。“今天，该矿仅用于科学研究，”Loddo解释道。

他们计划进行实验的房间看起来更像一个考古遗址，而不是一个实验室，它的高墙是由未经装饰的石头和拱形洞穴天花板组成的。“整个房间已经扩大了不少，但仍有许多工作要做，”卡洛尼说。例如，房间仍然需要变大。它需要一个通风井，一个合适的地板，等等。

天平安装的最终版本已于近期完成，并运往撒丁岛。真空室在试验现场，但它的两个外壳仍在生产中。当他们到达时，当洞穴准备好了，科学家们将把整个装置移到这个黑暗的地下房间，开始进行真正的试验。

走到这一步是一个漫长的过程。“我花了大约六个月的时间来详细计划设置，”Errico说。“哪个调节螺丝应该放在哪里？理想的分束器是什么样的，你把它放在哪里？然后，我花了大约一年的时间将所有零件运到，并把它们组装起来。”以及让激光准确击中所有夹具的校准？“那实际上只花了30分钟。我把一切都计划得如此精确，以至于只有几个自由度。当一切真的按照我想象的方式发展时，我几乎高兴得哭了。”

精确测量

首次证明卡西米尔效应的Lamoreaux说，尽管研究小组进行了仔细的规划，测量仍将是相当具有挑战性的。“我一直梦想着测量超导板之间的卡西米尔力，”他说。"但是制作合适的样品超出了我的能力范围."

德国汉诺威的马克斯·普朗克引力物理研究所主任Karsten Danzmann指出，该实验的精确测量必须比目前运行的最好的引力波探测器好10倍。他发现这个项目很吸引人，但雄心勃勃。

一台游梁式天平的原型机正在进行地面测量，以预测实验的灵敏度

然而，如果它成功了，结果将会产生重大影响。“这个实验极其重要，”Leonhardt说，“因为它将证明真空波动确实是一个有引力作用的真实量。”如果测量结果与预期相符，并显示虚拟粒子就像普通物质一样会受到重力影响，那麽我们就可以确定真空波动一定会影响爱因斯坦的广义相对论方程式。因此，它们可能有很强的影响。在这种情况下，宇宙学家将不得不解释是什么抑制了宇宙中真空能量的影响。

如果天平的偏转结果与预期不同，这可能意味着几件事。一方面，这样的结果可以打开全新物理学的大门，如果它表明虚拟粒子不会被吸引。但是“信号丢失也可能是因为铜酸盐中没有卡西米尔效应，或者它非常弱，”维也纳大学的实验物理学家Markus Aspelmeyer说。"因此，从实验上分开测试更为重要."

阿基米德的研究者们自己并没有做出任何预测。“我们还不想制定一个假设，以免伪造实验，”Calloni说。“但无论我们得到什么结果，都肯定会令人兴奋。”

本文译自 Scientific American，由 八里 编辑发布。

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