北京
在瑞士维利根，保罗谢勒研究所（PSI）的一间实验室里，一束肉眼看不见的粒子正在被"造"出来。它们从一层接近绝对零度的超流氦中垂直升起，速度几乎一致，方向几乎平行——这不是科幻场景，而是苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和PSI的研究人员为一项引力实验准备的新工具。
他们要检验的问题听起来很朴素：引力，会不会对所有粒子一视同仁？
这个问题之所以值得专门做实验，是因为物理学至今没有给出完整答案。我们熟悉的一切——人、行星、身边的桌椅——都由质子、中子和电子组成，物理学家把它们归为"第一代"物质。但自然界还存在着另外两代更重的粒子，其中就包括μ子（muon），一种比电子更重的"表亲"。
问题恰恰出在这里：标准模型描述了这些不同代粒子，却没有解释自然界为什么要有这么多代。
"但我们物理学家至今还不明白，这些额外的代际究竟为什么存在，"Soter说，"以及为什么总共是三代？"
这个谜团牵出了另一个更具体的问题：第二代、第三代那些更重的粒子，在引力面前的表现，会和第一代轻粒子完全一样吗？
从伽利略到爱因斯坦：一个从未被完整检验的假设
对普通物质来说，同一位置、同一引力场中的物体，下落速度是一样的。伽利略和牛顿早就注意到了这种"自由落体的普适性"，后来它成为爱因斯坦引力理论的核心之一——等效原理，把引力质量和惯性质量联系在了一起。
但到目前为止，研究人员只用普通物质或第一代反物质验证过这一原理。用第二代粒子来测引力，此前从未有人做到。
μ子本身寿命极短，大约只有2.2微秒就会衰变。更麻烦的是，早先的方法产生的μ子素原子速度各异、方向杂乱，根本不适合做极高精度的引力测量。
PSI的研究人员现在找到了绕开这个障碍的办法。
"我们成功让μ子素原子处于'冷'状态，这正是引力实验得以可能的前提，"Soter说，"这里的'冷'意味着这些原子以相近的速度、几乎平行地传播。"
用超流氦做一门"原子大炮"
研究团队在《自然·物理》上描述了这种产生μ子素的新方法。
"为了实现这一点，我们使用了冷却到接近绝对零度、也就是零下273摄氏度的超流氦，"论文第一作者Jesse Zhang解释说，"超流氦是一种量子流体，其中的单个氦原子失去了自己的身份，而且它不容忍任何杂质存在。"
整个过程从PSI的加速器开始：反μ子被导入一层薄薄的超流氦中，在氦内部减速。当一个反μ子遇到一个自由电子，两者结合成一个具有正化学势的μ子素原子。
这个化学势会把新形成的原子"推"出液体。当它到达表面时，化学势转化为动能，给μ子素原子一个向上的推力，让它垂直升起。
"所以我们是在把化学势当作一门原子大炮来用，"Zhang说。
这些μ子素原子必须无碰撞地穿过量子液体，并以可预测的速度前进。它们的寿命太短，任何明显的延迟都会让它们在到达表面前就衰变掉。
"我们的实验还依赖PSI的粒子加速器，它能产生世界上最强的连续μ子束，"Soter说，"有了这种高质量源，就能产生大量μ子素原子。"
让引力去"推"一下原子的干涉条纹
研究人员现在正在建造一台干涉仪，用来测量地球引力如何影响μ子素束。
这台设备利用原子的波动特性产生干涉图样。地球的引力应当会让这个图样发生极其微小的偏移。测量这种位移，就能让研究人员判断引力如何作用于μ子。
"我们希望今年能首次用原子束测试这种方法，如果一切顺利，真正的引力实验应该会在两三年后跟进，"Soter说。
为什么非得用中性的μ子素？Soter的解释很直接："这种奇异的μ子素非常适合，因为它是一个中性原子。毕竟，要让什么东西下落，你需要它是中性的。"
中性是关键。引力相比电磁力极其微弱，如果用带电粒子做实验，杂散的电磁场会淹没掉他们想要探测的引力效应。
如果测量结果与爱因斯坦理论的预测出现任何意料之外的差异，那将是一个重大意外，并可能指向新的物理——包括一种假想中的"第五种力"。
当然，这一切目前还只是"可能"。实验尚未开始，答案还在两三年之后。但至少，那束从超流氦中垂直升起的μ子素，已经让这个问题的检验从设想变成了可以动手搭建的装置。
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