“虚无”有多重？

当你的车第一次驶入这里时，有些东西会触动你，”恩里科·卡洛尼在我们汽车颠簸着驶入意大利撒丁岛一座矿井隧道时说道。地面上的酷热与地下的寒冷形成了鲜明对比。几秒钟内，潮湿、凉爽的空气进入车内，汽车继续向深处驶去。“我希望你没有幽闭恐惧症。”这条狭窄的隧道几乎完全黑暗，通向地下110米深处，并非人人都能适应。但这却是我们即将看到的阿基米德实验的理想场所——该实验以古希腊科学家阿基米德的名字命名，他首次描述了该实验的核心原理，旨在称量“虚无”。

汽车停了下来，我们的司机卢卡·洛多下车，为每个人配备了头盔和手电筒。我们步行完成了旅程的最后一段，越来越深入隧道。我们经过一扇通往房间的门，那里有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洞穴，聚光灯照向它，我们停了下来。“这就是实验应该进行的地方，”意大利国家核物理研究所 (INFN) 的物理学家卡洛尼解释道。

从地质学角度来看，撒丁岛是欧洲最安静的地方之一。该岛屿及其邻近的科西嘉岛位于地球构造板块上，是地中海地区最稳定的区域之一，有记录的历史中地震极少，只有一次（近海）事件达到相对温和的 5 级。物理学家选择这个地质上平静的地方是因为阿基米德实验需要与外界环境极度隔离。它涉及一种高精度实验装置，旨在研究物理学史上最糟糕的理论预测——填充宇宙的空旷空间中的能量。

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研究人员可以通过两种方式计算真空的能量。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解释宇宙正在加速膨胀这一事实所需的能量。他们还可以从自下而上的方法入手，使用量子场论根据所有“虚粒子”的质量来预测该值，“虚粒子”可以在“空”空间中短暂出现然后立即消失（稍后会详细介绍）。这两种方法产生的数字相差超过 120 个数量级（1 后面跟 120 个零）。这是一个令人尴尬的荒谬差异，对我们理解宇宙的膨胀——甚至其最终命运——具有重要的意义。为了弄清楚错误出在哪里，科学家们决定将一个两米高的圆柱形真空室和其他设备拖入撒丁岛的一座老矿井中，在那里他们可以尝试制造自己的真空并称量里面的虚无。

空旷空间里有什么？

真空并非完全空旷。这是因为量子物理学中的一个概念，称为海森堡不确定性原理。该原理指出，你无法同时精确地确定粒子的位置和速度——你对其中一个值了解得越精确，你对另一个值的了解就越不精确。该原理也适用于其他测量，例如涉及能量和时间的测量。其后果是重大的。这意味着大自然可以“借用”能量极短的时间。这些能量变化，称为真空涨落，通常以虚粒子的形式出现，虚粒子可以凭空出现并立即消失。

真空涨落必须遵守一些规则。例如，单个电荷不能在原本没有电荷的地方突然出现（这将违反电荷守恒定律）。这条规则意味着只有电中性粒子（如光子）才能自行从真空中弹出。带电粒子必须与其反粒子配对出现。例如，电子可以与带正电的电子对撞机一起出现；这两个电荷相互抵消，以保持总电荷为零。结果是真空不断地充满着一股嗡嗡作响的短寿命粒子流。

即使我们无法在探测器中捕获这些虚粒子，它们的存在也是可以测量的。一个例子是卡西米尔效应，由荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔于 1948 年预测。根据他的计算，即使不考虑两块金属板之间产生的轻微引力，相对的两块金属板也应该在真空中相互吸引。原因是什么？虚粒子。金属板的存在对哪些虚粒子可以从真空中出现施加了某些限制。例如，能量超过一定值的光子（光粒子）不能出现在金属板之间。这是因为金属板就像镜子一样，可以来回反射光子。具有特定波长的光子最终会使波谷与波峰重叠，从而有效地相互抵消。如果两个波峰重叠，其他波长将被放大。结果是某些能量是首选的，而另一些能量则被抑制，就好像这些光子从未存在过一样。因此，只有具有特定能量值的虚粒子才能存在于金属板之间。然而，在金属板外部，任何虚粒子都可以出现。

结果是，金属板之间存在的可能性更少——因此虚粒子也更少。外部粒子的相对丰度对金属板施加压力，将它们压在一起。这种效应虽然听起来很奇怪，但却是可以测量的。物理学家史蒂文·拉莫雷克斯于 1997 年在华盛顿大学通过实验证实了这种现象，这几乎是卡西米尔预测后的 50 年。现在，卡洛尼和他的同事们希望利用卡西米尔效应来测量虚空的能量。

这种能量对整个宇宙具有重要的意义。广义相对论告诉我们，能量（例如，以质量的形式）会弯曲时空。这意味着虚粒子会在短时间内改变真空的能量，从而对我们宇宙的形状和发展产生影响。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中的一个主要难题：宇宙常数的值，宇宙常数是描述空旷空间中能量的另一种方式。

宇宙常数

爱因斯坦于 1915 年发表了他的广义相对论，但他很快意识到自己遇到了一个问题。该理论似乎预测了一个正在膨胀的宇宙，然而当时的 天文学家 认为我们的宇宙是静态的：空间具有固定的、不变的大小。

在发表该理论三年后，爱因斯坦发现他可以在不改变物理学基本定律的情况下，在他的方程中添加一个称为宇宙常数的项。给定合适的值，该项可以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，观察到星系离地球越远，它后退的速度似乎就越快。这一趋势揭示了空间实际上正在膨胀。爱因斯坦抛弃了宇宙常数，称其为“愚蠢之举”。

半个多世纪后，又出现了一个转折：通过观察遥远的超新星，两个研究团队独立地证明宇宙不仅仅是在膨胀——它正在加速膨胀。推动空间分离的力量自此被称为暗能量。它充当引力的某种对应物，阻止所有大质量物体最终坍缩到一个地方。根据理论预测，暗能量约占空间总能量的 68%。此时，宇宙常数重新流行起来，成为这种神秘能量的一种可能的解释。反过来，宇宙常数被认为是从真空获得能量的。

起初，科学界欣喜若狂：广义相对论的常数似乎是空旷空间中虚粒子能量的结果。物理学的两个不同领域——相对论和量子理论——正在走到一起，以解释宇宙的加速膨胀。但喜悦并没有持续多久。当科学家们进行这两项计算时，基于量子场论的真空能量结果比天文学家从测量宇宙膨胀得出的宇宙常数值高出 120 个数量级。解决这种差异的最佳方法是直接测量真空中存在的能量——通过称量虚粒子。

宇宙的尺度

如果从量子理论得出的真空能量是正确的，那么一定有什么东西在抑制这种能量对空间膨胀的影响。如果这个值是暗能量的真实强度，空间膨胀的速度会快得多。另一方面，如果来自宇宙学的值是正确的，那么物理学家就大大高估了虚粒子对真空能量的贡献。

真空涨落和虚粒子的存在至少自卡西米尔效应被证实以来就已被广泛接受。量子理论对涨落强度的预测也不可能完全错误，因为实验室实验以极高的精度证实了该理论。但虚粒子是否有可能不像我们认为的那样受引力影响，因此不会像我们倾向于预期的那样影响空间的重量？

到目前为止，还没有对虚粒子在引力作用下的行为进行过直接测量。一些科学家认为，它们与引力的相互作用可能与普通物质不同。例如，1996 年，以色列本古里安大学的物理学家亚历山大·卡加诺维奇和爱德华多·根德尔曼提出了一个理论模型，其中真空的涨落没有引力效应。如果存在除我们熟悉的常规三维空间和一维时间之外的额外维度，则可能会出现这种情况。这些隐藏的维度可能会改变引力在非常小的尺度上的行为。

然而，只有当某些量子涨落对原子核的重量做出贡献时，才能解释铝和铂等元素原子核中的质量差异。这就是为什么许多物理学家确信虚粒子与引力的相互作用就像普通粒子一样。“有明显的迹象表明这一点，但到目前为止还没有直接证据，”参与阿基米德实验理论规划的理论物理学家卡洛·罗韦利说。

为了验证虚粒子与引力的相互作用是否像普通物质一样，阿基米德团队成员希望使用卡西米尔效应来用简单的梁式天平称量虚粒子。根据他们的设计，天平将位于他们的真空室内部，真空室是一个圆柱形容器，里面装着“虚无”，嵌套在多层绝缘材料中，以保持极低的温度并免受外界环境的影响。反过来，这些层将深深地位于撒丁岛的洞穴深处，保护精密的仪器免受地面世界的一切可能的影响。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：当卡西米尔效应开启时，天平的轻微移动，通过改变其中虚粒子的数量来改变样品材料的重量。“原则上，我们已经知道了几十年来完成这项任务所需的基本原理，”与 INFN 合作的实验团队成员物理学家卢西亚诺·埃里科解释说。“我一开始自己也想知道，为什么花了这么长时间才着手这项任务。”

1929 年，物理学家理查德·托尔曼想知道某些形式的能量（他专注于热）是否可以称量。七十年后，卡洛尼考虑推进这个想法。在阅读了已故物理学家史蒂文·温伯格的一篇技术论文后，他设想使用阿基米德原理称量虚粒子的引力贡献，阿基米德原理指出，当物体浸入流体中时，它会受到一个向上的浮力，该浮力等于物体排开的流体的重量。如果虚粒子有重量，那么真空中的金属板腔体应该会受到浮力。腔体本质上是用含有较少虚粒子的较轻真空代替了常规真空及其丰富的虚粒子。确定浮力的大小（取决于虚粒子的密度）将揭示它们的重量。

为了测量真空管内的这种力，研究人员将把由不同材料制成的两个样品悬挂在一个两米高、1.50 米宽的天平上，并在其中一个样品中诱导卡西米尔效应。为此，他们将以规律的间隔将两种材料加热约 4 摄氏度，然后再冷却下来。这种温差足以使其中一个样品在超导相（电流在材料内自由流动时）和绝缘相（电流不易流动时）之间来回切换。然而，另一种材料始终保持绝缘体状态。随着第一个样品中电导率的变化，它就像经典的两板装置一样，并且其中可能的虚粒子数量也会发生变化。因此，第一个重量上的浮力会周期性地增加和减少。这种变化应该会导致天平以规律的间隔振荡，就像跷跷板上坐着两个孩子一样。

在规划实验时，科学家们需要找到一种合适的材料，该材料可以均匀且快速地加热和冷却，并且表现出很强的卡西米尔效应。在考虑了几个选项后，该团队选择了称为铜酸盐的超导晶体。由此产生的样品是直径约 10 厘米、厚度仅为几毫米的圆盘。迄今为止，还没有人证明卡西米尔效应在高温度超导体中起作用，但科学家们押注它确实起作用。

研究人员已经将天平安装好，使其悬挂在真空室内空间的自由位置，真空室会将整个装置冷却至 90 开尔文以下（略低于 -180 摄氏度）。真空室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，位于另一个无空气的容器内，该容器就像一个保温瓶。如果没有最后的茧状物，第二层会升温太快。整个结构将高、宽、深约三米，重达数吨。

灵敏的信号

卡洛尼从 2002 年开始与同事合作开发一个理论模型，以计算不同实验装置的浮力强度。他们发现现实实验中的力约为 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·莱昂哈特说。“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。”

事实上，当今引力波探测器中的技术（于 2015 年首次观察到目标）可以帮助探测阿基米德实验寻求的微小引力信号。卡洛尼本人也参与了意大利 VIRGO 引力波探测器的建造。“正是因为为精确测量引力波制造的极其灵敏的仪器，这一切才成为可能，”埃里科说。

为了能够探测到其寻求的微小偏差，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装置有一些相似之处。第一个系统通过将激光束通过分束器引导到天平的两端来将激光束分成两束，在那里光束被连接的镜子反射。然后，光束通过进一步的镜子重新组合并传播到探测器。如果装置处于平衡状态，则两束光束将传播完全相同的距离。如果臂在一个方向上略微倾斜，则光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在测量装置中以交错的方式相遇，从而产生不同的强度。该系统甚至可以检测到与平衡状态的最小偏差。

第二组激光器在发生较大运动时测量倾斜方向。在室温下运行的实验的简化原型非常灵敏，为最终的阿基米德装置的性能预示了良好的前景。但是，即使有了如此精密的测量系统，实施该实验也将是困难的。“在这样的实验中，整个世界都在与你作对，”麻省理工学院的物理学家维维谢克·苏德希尔说。

为了屏蔽天平免受外界世界的干扰，物理学家需要一个地震活动尽可能少的地点——因此选择了撒丁岛。该岛屿还有其他优势。它的人口不太稠密，这使得人为噪音保持在较低水平。它还有 250 多个废弃矿井，其中许多矿井已不再使用，这很有吸引力，因为地下振动更少，而且矿井内的温度特别稳定。

最终，该团队确定了该岛东侧的 Sos Enattos 矿井，该矿井自 20 世纪 90 年代以来一直关闭。该矿井历史悠久：在古代，罗马人曾在此开采银矿和锌矿。今天，我们此行的司机洛多负责矿井；他以前曾在矿井中担任技术员。“就在关闭之前，那里只有大约 30 人工作，”洛多在我们带我们穿过矿井时说道。“然后他们负责改造地下通道，以便可以将它们用作博物馆。”几年后，他接管了矿井的管理，并组织了导游。在某些区域，仍然有展示矿工工作中不同步骤的教育装置：这里有一个人往车里装石头，那里有人在墙上安装炸药，还有其他地方有一个操作气动钻机的工人的精细复制品。“今天，矿井仅用于科学活动，”洛多解释说。

他们计划进行实验的房间看起来更像一个考古遗址，而不是实验室，它有高高的裸露石头墙壁和拱形的洞穴天花板。“整个房间已经扩大了很多，但还有很多工作要做，”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。

天平装置的最终版本已经完成并运往撒丁岛。当我在 2022 年参观时，真空室在测试地点，但它的两个外壳仍在生产中。我被告知，一旦它们到达并且洞穴准备就绪，科学家们就会将整个装置移到这个黑暗的地下房间，并开始进行真正的试验。

到达这一点经历了一个漫长的过程。“我花了大约六个月的时间来详细规划装置，”埃里科说。“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？然后花了大约一年的时间让所有零件都到货，然后我把它们组装起来。”而校准以使激光精确地击中所有固定装置呢？“实际上只花了 30 分钟。我把一切都计划得非常精确，以至于只有几个自由度。当一切都真正按照我想象的那样工作时，我几乎喜极而泣。”

精密测量

尽管团队进行了仔细的规划，但测量将非常具有挑战性，首次演示卡西米尔效应的拉莫雷克斯说。“我一直梦想着测量超导板之间的卡西米尔力，”他说。“但制造合适的样品超出了我的能力范围。”

该实验的精密测量必须比当今运行的最佳引力波探测器的测量结果好 10 倍，德国汉诺威马克斯·普朗克引力物理研究所主任卡斯滕·丹兹曼指出。他认为这个项目很吸引人，但也雄心勃勃。

不过，如果它奏效，结果将产生重大影响。“这个实验极其重要，”莱昂哈特说，“因为它将证明真空涨落确实是一个真实存在的量，具有引力贡献。”如果测量结果符合预期，并且表明虚粒子与引力的相互作用就像普通物质一样，那么我们将确切地知道真空涨落必须影响爱因斯坦的广义相对论方程。因此，它们可能会产生非常强大的影响。在那种情况下，宇宙学家将不得不解释是什么抑制了真空能量在宇宙中的影响。

如果天平的偏转与预期不同，则可能意味着多种情况。如果结果表明虚粒子不受引力影响，那么这样的结果可能会为全新的物理学打开大门。但“信号缺失也可能是因为铜酸盐中没有卡西米尔效应，或者它非常微弱，”维也纳大学的实验物理学家马库斯·阿斯佩尔梅耶说。“因此，更重要的是要从实验中单独测试这一点。”

阿基米德研究人员自己没有做出任何预测。“我们还不想提出假设，以免证伪实验，”卡洛尼说。“但无论我们得到什么结果，都肯定会令人兴奋。”