何も測定できないというのはかなり難しいことだが、エンジニアたちはそれに近づいている。

宇宙空間は広大な虚無の空間です。完全な真空ではありません。天文学者の知る限り、その概念は理論計算とハリウッドのスリラー映画の中にしか存在しません。しかし、漂っている水素原子の残骸を除けば、そこは真空です。

これは重要なことだ。なぜなら、地球上の現代世界の多くはひそかに部分的な真空に依存しているからだ。機械ベースの環境は、物理学者が楽しい実験を行う場所というだけでなく、最先端の携帯電話やコンピューターの電子部品の多くを製造するために不可欠である。しかし、真空を実際に測定し、それが製造にどれほど適しているかを理解するために、エンジニアは旧式の真空管の時代から残っている比較的基本的な技術に頼っている。

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現在、いくつかのチームがアップグレードに取り組んでいます。最近の研究により、最も低温の新しい原子物理学（華氏マイナス 459 度）を利用する新しい技術が、標準化された方法として使用されることに一歩近づきました。

「これは真空を測定する新しい方法であり、本当に革命的だと思います」とバンクーバーのブリティッシュコロンビア大学の物理学者カーク・マディソン氏は言う。

真空の中には何があるか

何もないことを定量化するのは難しいように思えるかもしれませんが、実際に行っているのは真空内のガス圧、つまり、残っている原子がチャンバーウェルに及ぼす力を読み取ることです。つまり、真空を測定するということは、地元の気象学者が扱えるよりもはるかに高い精度で圧力を計算するということです。

今日、エンジニアはイオンゲージと呼ばれるツールを使ってそれを行います。これは、真空チャンバーに挿入されると電子を飛び出させる螺旋状のワイヤーで構成されています。電子は螺旋内のガス原子と衝突し、それらを荷電イオンに変えます。その後、ゲージはチャンバー内に残っているイオンの数を読み取ります。しかし、その数字を解釈するには、測定しているさまざまなガスの組成を知る必要があり、これは必ずしも簡単ではありません。

イオンゲージは真空管の技術的親戚である。真空管は、シリコントランジスタが開発される前に、アンティークラジオや部屋いっぱいに置かれた巨大なコンピューター、そしてSF小説の題材となった部品である。「イオンゲージは信頼性が非常に低い」と、米国立標準技術研究所（NIST）の物理学者スティーブン・エッケル氏は言う。「常に再調整する必要がある」。

真空測定ツールは他にもありますが、イオンゲージは圧力を 10 億分の 1 パスカル (圧力の標準単位) まで測定するのに最も適しています。これは不必要に正確すぎるように思えるかもしれませんが、多くのハイテク製造業者は、無をできるだけ正確に測定したいと考えています。レーザーやナノ粒子などの電子部品やガジェットを製造する一般的な手法のいくつかは、真空チャンバー内で材料を繊細に層状に重ねることに依存しています。これらの手法がうまく機能するには、物質の純粋な空隙が必要です。

イオンが純粋であればあるほど、残った原子を識別するのが難しくなり、イオンゲージの信頼性がさらに低下します。そこで、深冷凍された原子が役に立ちます。

原子でスヌーカーをする

物理学者たちは数十年にわたって、原子を取り出し、精密に調整されたレーザーでパルスを照射し、磁気ケージに閉じ込めて、絶対零度よりほんの少し高い温度に閉じ込めてきた。原子は、通常であれば飛び回っているのだが、この極寒により、事実上静止状態となり、物理学者たちは原子の挙動を観察できる。

2009年、マディソン氏とブリティッシュコロンビア州のいくつかの研究所の他の物理学者たちは、冷却されたルビジウム（好冷性元素）の閉じ込められた原子を観察していたとき、新しい配置を思いついた。

室温の真空チャンバー内に極低温の原子を詰めたトラップを置いたとします。そのトラップは、真空中に残っているより高温で高エネルギーの原子の連続的な集中攻撃にさらされます。狂乱した粒子のほとんどは、気づかれることなく磁気トラップをすり抜けますが、一部はトラップされた原子と衝突して、トラップから追い出します。

これは完璧な測定ではありません。すべての衝突で原子がトラップから追い出されるわけではありません。しかし、トラップの「深さ」（または温度）と原子断面積と呼ばれる数値（基本的には衝突の確率の尺度）がわかれば、その平面に入ってくる原子の数がすぐにわかります。それに基づいて、圧力と真空中に残っている物質の量を知ることができるとマディソンは説明しています。

このような方法は、イオンゲージに比べていくつかの利点があります。まず、化学反応が起こらないため、真空中に存在するあらゆる種類のガスに有効です。何よりも、原子の挙動から計算を行うため、何も調整する必要はありません。

当初、物理学界ではマディソン氏とその協力者による画期的な成果に気付いた人はほとんどいなかった。「私たちの研究が影響力を持つとは誰も信じなかった」と同氏は言う。しかし、それから13年が経ち、他のグループもこの技術を取り入れるようになった。中国では、蘭州物理研究所が独自のバージョンの構築を開始した。ドイツ政府機関も同様だ。

NIST はリストの最新のテスト対象です。NIST は、公式キログラムなどの国の公式度量衡を決定する責任を持つ米国機関です (そう、米国政府でさえ SI 単位系を使用しています)。NIST の何十年にもわたる任務の 1 つは、メーカーから送られてくる気難しいイオンゲージを較正することでした。ブリティッシュ コロンビアの研究者による新しい方法は、魅力的な近道を提示しました。

何もない新しい基準

NIST のシステムは、マディソンのグループが考案したものとまったく同じではない。まず、同局はルビジウムよりはるかに小さくて軽いリチウム原子を使用している。NIST プロジェクトに携わったエッカートは、これらの原子が衝突後にトラップ内に留まる可能性ははるかに低いと述べている。しかし、元の実験と同じ基本原理を使用しているため、何度も調整する必要がないため労力が軽減される。

「外に出てこのような装置を作るなら、圧力を正確に測定できる必要があります」とエッケル氏は言う。「そうでなければ、標準にはなりません。」

NIST は過去 2 年間、このシステムをテストしてきました。動作を確認するために、2 つの同一の冷却原子装置を製作し、同じ真空チャンバー内で動作させました。装置の電源を入れると、両者の測定値が異なっていることに気がつき、がっかりしました。結局、真空チャンバーに漏れが生じ、大気中のガスが少しずつ流入していたのです。「漏れを修理したら、測定値は一致しました」とエッケル氏は言います。

彼らのシステムが自らに逆らって動作しているように見えることから、NIST の研究者たちは、極低温の原子をイオンゲージやその他の旧式の技術と比較したいと考えています。これらでも同じ測定結果が得られれば、エンジニアはすぐに自力で無に近づくことができるようになるかもしれません。