義大利國家核子物理研究院的物理學家卡隆尼（Enrico Calloni）說：「你第一次駕車駛入時會感到震撼。」這時我們的汽車正顛簸穿越義大利薩丁尼亞島一座礦坑的隧道。相較於炎熱異常的地表，隧道裡可感受明顯對比。幾秒鐘內，沁涼的潮濕空氣就灌入正駛往隧道深處的汽車裡。「希望你們沒有幽閉恐懼症。」在一片漆黑之中，這條狹窄隧道帶領我們深入地下110公尺，這不是每個人都可以承受。但是對我們正要看到的阿基米德實驗（Archimedes experiment），卻是個理想地點；此名稱源自於這位古希臘科學家首次描述的現象，而這實驗打算測量「真空」的重量。

汽車停了下來，司機洛多（Luca Loddo）走出來幫每個人裝配上頭盔與手電筒。最後一段路我們用走的，在隧道中越走越深。接著穿過一扇門，旁邊地震儀正記錄著周遭地層的微小移動。終究，隧道的左側出現了一個洞穴，有一盞探照燈照射著，我們停下腳步。卡隆尼解釋：「這裡是實驗地點。」

以地質上來說，薩丁尼亞島是歐洲最安靜的地方之一。它與鄰近的科西嘉島位於相當堅實的地殼板塊上，是地中海最穩定的區域之一，在已知的歷史記載裡很少有地震，只有一次離岸事件是相對輕微的五級。物理學家選擇這個地質上平靜的地點，是因為阿基米德實驗需要與外界環境極度隔離。這項高精度實驗裝置可調查物理史上最糟糕的理論預測：存在於宇宙的真空能量。

(Map by Jo Hannah Asetre)


研究人員可以採用兩種方式來計算真空所具有的能量。從宇宙論的觀點，可以使用愛因斯坦廣義相對論裡的方程式，計算需要多少能量才能解釋宇宙正在加速膨脹這件事。他們也可以從物質底層出發，以量子場論預測其值，根據的是在空無一物的空間裡（稍後會解釋）轉瞬創生、隨即湮滅的「虛粒子」（virtual particle）的總質量。這兩種方法所得出的數值差了120個數量級（即1之後有120個0）。這個令人難堪而可笑的差異，對我們理解宇宙膨脹甚至其最終命運有重要意義。為了找出哪裡出錯，科學家把兩公尺高的圓柱型真空腔與其他設備拖進薩丁尼亞島的一座舊礦坑裡，將試著製造真空，然後針對其中的空間進行秤重。

真空裡有什麼？

真空並不完全是空無一物的空間，因為量子物理中有個稱為海森堡測不準原理的概念。這項原理說，你無法同時精確測定一個粒子的位置與速度，你越精確地得知其中一個數值，則另一個數值就越不精確。這項原理也適用於其他測量，例如能量與時間。這造成重要結果，也就是說，在極短時間之內，自然界可以「借出」能量。這種能量的改變稱為真空漲落（vacuum fluctuation），通常以虛粒子的形式呈現，虛粒子可以憑空創生、然後又隨即湮滅。

真空漲落必須遵循某些規則。例如，單一電荷無法憑空創生，這會違反電荷守恆定律。這意味著只有電中性的粒子可以自行憑空出現，例如光子。帶電粒子則必須與其反粒子成對出現，例如帶負電的電子可以與帶正電的正子一起出現；這兩個電荷相互抵消，總電荷仍維持為零。結果是，這讓真空不斷出現四處飛舞的短命粒子流。

雖然無法使用偵測器捕捉這些粒子，但其存在是可以測量的。一個例子是1948年由荷蘭物理學家開斯米（Hendrik Casimir）所預測的開斯米效應。根據他的計算，在真空中兩片相對的金屬板，即使不考慮彼此微弱的重力，仍應彼此吸引。為什麼呢？是因為虛粒子。板子的存在會對真空中創生的虛粒子施加限制，例如兩片板子中間無法出現帶有特定能量的光子。因為金屬板就像鏡子，可讓光子來回反射。具有特定波長的光子，其波谷與波峰會重疊，造成彼此抵消；其他波長的光子則波峰重疊而彼此增強。結果是，使帶有特定能量的光子較容易出現，而其他能量的光子則受到抑制，就好像未曾存在。也就是說，兩片板子中間只能有特定能量的虛粒子，不過板子外側還是可以出現任意的虛粒子。

(繪圖：Jen Christiansen )


結果是，相對於板子周遭，板子中間有較少的可能性，也就是創生出較少的虛粒子。外側相對較多的粒子會對板子施加壓力，使它們靠近。這種效應聽來或許奇怪，但是可以測量。1997年，在開斯米提出這項預測的將近50年後，美國華盛頓大學的物理學家拉莫若（Steven Lamoreaux）透過實驗證實了這種現象。如今，卡隆尼與同事希望能藉著開斯米效應來測量真空的能量。

對宇宙整體來說，這種能量會導致重要後果。廣義相對論告訴我們，能量（例如以質量形式所呈現的）會造成時空彎曲。這表示短暫改變真空能量的虛粒子會影響宇宙的形狀與演化。當這其間的關聯首次釐清後，宇宙學家就希望它可以解答該領域的一個重要謎題：宇宙常數的數值，這是描述空間裡能量的另一種方式......