外太空是一片广阔的虚无。据天文学家所知，它并非完美的真空——这种概念只存在于理论计算和好莱坞惊悚片中。但除了漂浮的残余氢原子之外，它确实是真空。
这一点很重要，因为在地球上，现代世界的许多事物都默默地依赖于部分真空。这些机器驱动的环境不仅仅是物理学家进行有趣实验的地方，它们对于制造许多尖端手机和电脑中的电子元件至关重要。但要实际测量真空——并了解它在制造方面的性能——工程师们依赖于来自老式真空管时代的相对基础的技术。
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现在，一些团队正在进行升级。最近的研究将一种新颖的技术——一种依赖于最酷炫的原子物理学（冷却到零下 459 华氏度）——推向了标准化应用更近一步。
“这是一种测量真空的新方法，我认为它确实是革命性的，”不列颠哥伦比亚大学（温哥华）的物理学家柯克·麦迪逊说。
真空里有什么
量化虚无似乎很难，但你实际上是在读取真空内的气体压力——换句话说，是任何剩余原子对腔壁施加的力。因此，测量真空实际上是计算压力，其精度远超你的本地气象员所能达到的。
如今，工程师可能会使用一种名为离子规的工具。它由一个螺旋状的金属丝组成，当插入真空室时会发出电子；电子与螺旋内的任何气体原子碰撞，将它们变成带电离子。然后，离子规会读取腔室中剩余的离子数量。但要解释这个数字，你需要知道你正在测量的不同气体的成分，这并非总是那么简单。
离子规是真空管的技术近亲，真空管是驱动老式收音机和在硅晶体管出现之前曾占据整个房间的庞大计算机的组件，也出现在科幻小说中。“它们非常不可靠，”美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家斯蒂芬·埃克尔说。“它们需要不断校准。”
其他真空测量工具确实存在，但离子规在将压力读数精确到十亿分之一帕斯卡（标准压力单位）方面是最好的。虽然这可能显得不必要地精确，但许多高科技制造商希望尽可能精确地读取虚无。用于制造电子元件以及激光器和纳米粒子等设备的几种常见技术依赖于在真空室中精细地沉积材料。这些技术需要纯粹的物质空隙才能正常工作。
空隙越纯净，就越难识别剩余的原子，这使得离子规更加不可靠。这时，深冻原子就派上用场了。
用原子打台球
几十年来，物理学家一直将原子进行精细调谐激光脉冲，并将它们限制在磁笼中，所有这些都是为了将它们保持在接近绝对零度的温度下。极低的温度迫使原本会四处飞散的原子有效地静止不动，以便物理学家能够观察它们的行为。
2009 年，麦迪逊和不列颠哥伦比亚省几所大学的其他物理学家正在观察被困的冷却铷原子（一种具有嗜冷特性的元素）时，一个新的想法浮现了。
假设你将一个装满超冷原子的陷阱放在一个室温的真空室中。它们会受到真空室中任何更热、能量更高的原子的持续轰击。大多数狂躁的粒子会不知不觉地穿过磁阱，但有些会与被困的原子碰撞，并将它们击出陷阱。
这不是一个完美的测量——并非所有碰撞都能成功地将原子从陷阱中击出。但如果你知道陷阱的“深度”（或温度）和一个称为原子截面（本质上是碰撞概率的度量）的数字，你就能相当快地找出有多少原子进入了该平面。麦迪逊解释说，根据这些数据，你可以了解压力以及真空中还剩下多少物质。
这种方法可能比离子规有一些优势。首先，它可以用于真空中的所有气体类型，因为没有化学反应发生。最重要的是，由于你是根据原子的行为进行计算，因此无需进行校准。
起初，物理界很少有人注意到麦迪逊及其合作者的突破。他说：“没有人相信我们所做的工作有影响力。”但在之后的 13 年里，其他研究小组也采用了这项技术。在中国，兰州物理研究所已经开始建造他们自己的版本。德国政府的一个机构也是如此。
NIST 是名单上的最新测试对象。它是负责决定国家官方重量和度量衡的美国机构，例如官方千克（是的，即使是美国政府也使用 SI 系统）。几十年来，NIST 的一项任务一直是校准那些挑剔的离子规，因为制造商不断将它们送来。不列颠哥伦比亚大学研究人员的新方法提供了一个诱人的捷径。
虚无的新标准
NIST 的系统与麦迪逊团队设计的系统不完全相同。首先，该机构使用锂原子，它们比铷原子小得多，也轻得多。参与 NIST 项目的埃克特说，这些原子在碰撞后不太可能留在陷阱中。但它使用了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。
埃克尔说：“如果我出去建造一个这样的东西，它最好能正确测量压力。否则，它就不是一个标准。”
NIST 在过去两年中对其系统进行了测试。为了确保它有效，他们建造了两个相同的冷原子装置，并在同一个真空室中运行它们。当他们打开设备时，他们沮丧地发现两者都产生了不同的测量结果。结果发现，真空室出现了泄漏，导致大气气体渗入。“一旦我们修好了泄漏，它们就相互一致了，”埃克尔说。
既然他们的系统似乎能够自我验证，NIST 研究人员希望将超冷原子与离子规和其他老式技术进行比较。如果这些方法也产生相同的测量结果，那么工程师们可能很快就能自己精确地测量虚无了。
