重力对所有粒子都一视同仁吗？
说个有意思的事：你在真空里同时丢下一个保龄球和一根羽毛，它们会同时落地。几百年前伽利略就发现了这个，而爱因斯坦把整个引力理论都建立在这个基础上。他把这叫做"等效原理"，可以说是人类理解宇宙的基石。
但问题是——我们只在"普通"物质上验证过这个原理。就是那些组成你我能看见、能摸到的一切的质子、中子、电子。
那那些自然界里存在的、奇奇怪怪的重粒子表亲呢？它们下落的方式也一样吗？
这正是日内瓦联邦理工学院和瑞士保罗谢勒研究所的团队想要搞清楚的事——而且他们用的是宇宙中最古怪的粒子之一。
认识一下μ子
来来来，介绍一下μ子（muon）。你可以把它理解成电子那个体重超标的大表哥。除了质量大约是电子的200倍之外，各方面都跟电子一模一样。
有意思的是：物理学家完全不知道为什么会有这些更重的粒子"代"。标准模型——我们目前最完善的粒子理论——描述了三代物质。第一代：熟悉的质子、中子、电子。第二代：μ子及其小伙伴。第三代：更重的τ粒子。
物理学家安娜·索特就问了："但我们为什么需要这些额外的代？又为什么恰好是三代？"
问得好对不对？没人知道答案。正是这个谜团让团队产生了疑问：也许这些更重的粒子对重力的响应方式，跟它们较轻的表亲不太一样。也许我们一直以来都想错了。
在μ子上测试引力？难！
所以你想验证μ子跟电子的下落速度是否一样？听起来很简单对吧？放几个μ子下去，看看不就完了。
要是真这么简单就好了。
第一个麻烦：μ子这人缘差得要命。它只能活大约2.2微秒，然后就会衰变成其他粒子。0.0000022秒啊！你想让一个消失这么快的东西安安静静做个自由落体实验，基本不可能。
第二个麻烦：如果你用带电的μ子，任何杂散的电磁场都会把你想要测量的那个微弱的引力效应完全盖掉。引力太弱了，懂吗？动不动就被欺负。
那怎么办？答案是：造出"μ子素"。
造出宇宙最奇怪的原子
μ子素听起来像科幻片里的东西，但它是真的。拿一个带正电的反μ子，再加一个带负电的电子，组合在一起会怎样？
得到一个中性原子，本质上是物质和反物质的混血儿。
中性很关键，因为这意味着电磁场不会干扰引力测量。既然μ子素是电中性的，团队就能真正观察到它的下落过程。
但速度问题还在。传统方法产生的μ子素原子到处乱窜，速度方向全都随机——这根本没法做精确测量。
真正的突破在于研究人员搞出了"冷"μ子素：所有原子的速度几乎一致，朝向也大致相同。这才让重力实验成为可能。
用"原子大炮"发射原子
接下来才是真正酷的部分。为了产生这种冷μ子素束流，团队用的是冷却到只比绝对零度高一点点的超流氦——大约零下273摄氏度。
超流氦本质上是一种量子液体，里面的原子失去了各自的特性，液体变得完全无摩擦。这玩意儿还容不下任何杂质，绝对是液体界的矫情公主。
当反μ子从PSI的强大加速器进入这个氦气中时，它们会减速。当反μ子抓住一个自由电子形成μ子素时，神奇的事发生了：液体内部的化学势就像一个小火箭发动机，把新形成的原子向上推出液面。
第一作者Jesse Zhang描述得很妙："我们把化学势当作一把原子大炮来用。"
我超喜欢这个比喻。用原子大炮发射奇异原子穿越量子液体，就为了验证爱因斯坦的理论。科学真的太酷了。
接下来会发生什么？
团队现在正在建造一台干涉仪——一种利用原子波动性质来测量极其微小效应的装置。当μ子素原子在地球引力下上升和下落时，干涉仪会检测到它们波模式中的任何细微变化。
如果爱因斯坦是对的，等效原理对第二代粒子也适用，那么μ子素的表现应该和普通物质在引力场中下落完全一样。
但哪怕只有一丁点偏差？那可就大了。诺贝尔奖级别的发现，物理学教科书得重写那种。
说实话，我挺希望他们能发现点什么的。不是因为我盼着爱因斯坦错，而是因为几个世纪以来我们一直在用同一类物质验证等效原理。是时候拓展一下了。是时候看看宇宙对它所有的粒子是否公平，还是只对我们熟悉的那些粒子公平。
这个实验也许能最终帮我们理解：自然界为什么要费心创造出多代物质。这对于一个只存活2.2微秒的粒子来说，意义可不小。
有时候，寿命最短的东西，反而能教会我们最深刻的道理。
来源： ScienceDaily