什么都不测量是相当困难的，但这些工程师已经接近了

外太空是一片茫茫虚无。它并不是绝对真空——据天文学家所知，这个概念只存在于理论计算和好莱坞惊悚片中。但除了漂浮的残留氢原子外，它就是真空。

这很重要，因为在地球上，现代世界的大部分都默默地依赖于部分真空。机器环境不仅仅是物理学家进行有趣实验的地方，对于制造尖端手机和电脑中的许多电子元件也至关重要。但要真正测量真空——并了解其在制造方面的表现如何——工程师们依靠的是老式真空管时代遗留下来的相对基本的技术。

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现在，一些团队正在努力进行升级。最近的研究带来了一项新技术——它依赖于最冷的新原子物理学（低至 -459 华氏度）——距离标准化方法又近了一步。

温哥华不列颠哥伦比亚大学的物理学家柯克·麦迪逊说：“这是测量真空的一种新方法，我认为它真的具有革命性。”

真空里面有什么

量化一切似乎很难，但你实际上做的是读取真空中的气压——换句话说，任何剩余原子对真空腔施加的力。因此，测量真空实际上就是计算压力，其精度远高于当地气象学家所能做到的。

如今，工程师们可能会使用一种名为离子计的工具来实现这一点。它由一根螺旋线组成，插入真空室时会弹出电子；电子与螺旋内的任何气体原子发生碰撞，将它们变成带电离子。然后，离子计会读取真空室内剩余的离子数量。但要解释这个数字，你需要知道你测量的不同气体的成分，而这并不总是那么简单。

离子计是真空管的技术表亲，真空管是驱动古董收音机和巨型计算机的元件，在硅晶体管出现之前，这些巨型计算机充斥着房间和科幻小说。“它们非常不可靠，”美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的物理学家斯蒂芬·埃克尔 (Stephen Eckel) 说。“它们需要不断重新校准。”

确实存在其他真空测量工具，但离子计最擅长将压力读数精确到十亿分之一帕斯卡（压力的标准单位）。虽然这似乎没有必要精确，但许多高科技制造商希望尽可能准确地读取真空。制造电子元件和小器件（如激光器和纳米粒子）的几种常见技术依赖于在真空室内精细地分层材料。这些技术需要纯净的物质空隙才能发挥作用。

粒子越纯净，就越难识别剩余的原子，这使得离子计更加不可靠。这时深度冷冻原子就派上用场了。

用原子玩斯诺克

几十年来，物理学家们一直在研究原子，用精细调谐的激光脉冲，并将它们限制在磁笼中，所有这些都是为了将​​它们困在仅比绝对零度高几分之一度的温度下。这种极低的温度迫使原子（否则原子会四处飞舞）有效地静止不动，以便物理学家可以观察它们的行为。

2009 年，麦迪逊和不列颠哥伦比亚省几家机构的其他物理学家在观察被捕获的冷却铷原子（一种具有嗜冷特性的元素）时，突然想到了一种新的排列方式。

假设你把一个装满超冷原子的陷阱放在室温的真空室中。它们将面临真空中剩余的更热、更高能量的原子的持续攻击。大多数狂暴的粒子会悄无声息地穿过磁阱，但有些粒子会与被捕获的原子发生碰撞，并将它们从陷阱中赶出来。

这并非完美的测量方法——并非所有碰撞都能成功将原子踢出陷阱。但如果你知道陷阱的“深度”（或温度）和一个称为原子截面的数字（本质上是碰撞概率的度量），你就可以相当快地找出有多少原子进入平面。麦迪逊解释说，基于此，你可以知道压力以及真空中还剩下多少物质。

这种方法比离子计有几个优点。首先，它适用于真空中存在的所有类型的气体，因为没有发生化学反应。最重要的是，由于你是根据原子的行为进行计算，所以不需要校准任何东西。

起初，物理学界很少有人注意到麦迪逊和他的同事取得的突破。“没有人相信我们所做的工作会产生影响，”他说。但在此后的 13 年里，其他团体也开始采用这项技术。在中国，兰州物理研究所已经开始建造自己的版本。德国政府的一个机构也是如此。

NIST 是名单上最新的测试对象。它是负责确定美国官方重量和计量单位的机构，例如官方千克（是的，就连美国政府也使用国际单位制）。几十年来，NIST 的任务之一就是校准那些挑剔的离子计，因为制造商不断将它们送来。不列颠哥伦比亚省研究人员的新方法提供了一种吸引人的捷径。

毫无意义的新标准

NIST 的系统与麦迪逊团队设计的系统并不完全相同。首先，该机构使用的是锂原子，这种原子比铷原子小得多，也轻得多。参与 NIST 项目的埃克特表示，这些原子在碰撞后留在陷阱中的可能性要小得多。但它使用与原始实验相同的基本原理，这减少了劳动量，因为它不需要反复校准。

“如果我出去建造这样的东西，它最好能正确测量压力，”埃克尔说。“否则，它就不是一个标准。”

NIST 在过去两年中对他们的系统进行了测试。为了确保它能正常工作，他们制造了两个相同的冷原子装置，并将它们放在同一个真空室中运行。当他们打开这些装置时，他们沮丧地发现，它们测量结果不同。原来，真空室发生了泄漏，大气中的气体渗入其中。“一旦我们修复了泄漏，它们就互相吻合了，”埃克尔说。

现在他们的系统似乎与自身相悖，NIST 研究人员希望将超冷原子与离子计和其他老式技术进行比较。如果这些也得出相同的测量结果，那么工程师们可能很快就能自己接近零。