當(dāng)你抬頭看云,你知道,世界曾被它改變嗎?
當(dāng)物理學(xué)家看云
王小波在《黃金時(shí)代》中,這樣寫道:“那一天我二十一歲,在我一生的黃金時(shí)代,我有好多奢望。我想愛,想吃,還想在一瞬間變成天上半明半暗的云。”
沈從文則在《湘行散記》中,提到:“我行過許多地方的橋,看過許多次數(shù)的云,喝過許多種類的酒,卻只愛過一個(gè)正當(dāng)最好年齡的人?!?/p>
他們都提到了云,仰頭就能看到的云。
王小波抬頭看云,覺著自己會(huì)永遠(yuǎn)生猛下去,什么也捶不了;沈從文抬頭看云,透過云層,看見了一雙含笑的眼睛。
而研究物理的人,抬頭看云,想到的是....
這,就是云室最初的來源。
起初,我們只是想在實(shí)驗(yàn)室研究云的形成條件,卻在后來,改變了整個(gè)世界。
布羅肯幽靈
1894 年,蘇格蘭物理學(xué)家威爾遜(Charles Thomson Rees Wilson)在本尼維斯山觀察到了神奇的現(xiàn)象:
陽(yáng)光穿過云層,形成巨大的彩虹圓環(huán),中間仿佛包圍著一個(gè)影影綽綽的人形。
他并不是第一個(gè)觀察到如此盛景的人。
早在 1780 年,德國(guó)的牧師 Johann Silberschlag 就在布羅肯山觀察到了這種現(xiàn)象,并且記錄了下來,把它稱為布羅肯幽靈(Brocken spectre)。
如果你登上我們四川的峨眉山,也時(shí)常能看到遠(yuǎn)方的天邊出現(xiàn)外紅內(nèi)紫的五彩光環(huán),而自己的身影則被籠罩在光暈中,人動(dòng)影綽,仿若佛光。
這種現(xiàn)象的產(chǎn)生,其實(shí)和光學(xué)錯(cuò)覺有關(guān)。
首先,要觀察到這種現(xiàn)象,需要我們站在云霧繚繞的山峰,背對(duì)陽(yáng)光,向下看。
這時(shí),陽(yáng)光從背后照射過來,在我們下方的云層投射下陰影,由于透視效果,最后我們的人影就呈現(xiàn)出被放大的三角形。
此外,當(dāng)陽(yáng)光穿過云層時(shí),與其中的微粒發(fā)生相互作用,經(jīng)歷各種過程,如散射、衍射、干涉等,最后產(chǎn)生的綜合效果,就是陰影周圍的彩色光環(huán)。
由于視覺上的錯(cuò)覺,我們會(huì)下意識(shí)認(rèn)為陰影和光環(huán)沒有距離差,處在同一個(gè)平面上,所以看上去就像是一個(gè)巨型幽靈被籠罩在彩色光環(huán)中。
最初的云室
話說回來,對(duì)于布羅肯幽靈,上述這看似很簡(jiǎn)單的解釋,在威爾遜那個(gè)年代,卻并沒有那么顯然。
甚至,云究竟是怎么形成的,大家都一知半解。
蘇格蘭物理學(xué)家 John Aitken 就一直在研究云的形成條件,為此,他制造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置:
首先,將一部分水倒入玻璃容器的底部,然后靜置容器,等待水分子逐漸充滿整個(gè)腔體。
隨后,讓整個(gè)容器絕熱膨脹,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,我們知道,容器內(nèi)氣體的溫度會(huì)降低。
接著,我們就在玻璃容器中看到了云。
但如果他將玻璃容器中的空氣過濾,去除灰塵,重復(fù)同樣的實(shí)驗(yàn)操作后,就看不到云。
于是,他發(fā)現(xiàn)了一種制作人工云的方法,并且得出結(jié)論:
云是水蒸氣在灰塵顆粒上凝結(jié)的水滴。突然的體積膨脹可以在含有灰塵的空氣中制造云。
這就是最初的云室,目的很純粹,就是為了研究云的形成條件,卻在不經(jīng)意間,留下了意想不到的彩蛋。
這個(gè)彩蛋塵封了幾十年,最后被威爾遜發(fā)現(xiàn)了。
然后,威爾遜獲得了 1927 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),并改寫了世界科技史。
讓微觀粒子顯形
現(xiàn)在,回到本尼維斯山的山頂。
被布羅肯幽靈震撼的威爾遜,希望能夠在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)刻出這種現(xiàn)象,研究背后的詳細(xì)成因。緊接著,面臨的第一個(gè)問題,就是:
如何在實(shí)驗(yàn)室中人工制造出云霧。
威爾遜選擇站在巨人的肩膀上:他基本采用了 Aitken 的云室設(shè)計(jì)思路, 只是讓自己的玻璃容器具有更大的膨脹系數(shù)。
彩蛋,就在這里出現(xiàn)了!
當(dāng)玻璃容器的體積不斷膨脹,超過原有體積的四分之一時(shí),薄薄的云霧,竟然在沒有灰塵的空氣中形成了。
顯然,這和 Aitken 當(dāng)年得出的結(jié)論是不一致的。
既然如此,一定有其他的東西代替了灰塵顆粒,作為凝結(jié)核,讓水滴附著在了上面,最后形成了云。
他猜測(cè)這可能是某種肉眼不可見的帶電顆粒,因?yàn)閹щ婎w粒能在過濾后的空氣中存在。
為了驗(yàn)證自己的猜想,威爾遜進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝備,并用X射線照射過濾后的玻璃容器內(nèi)部。結(jié)果,容器體積膨脹后產(chǎn)生了大量液滴,最后形成了十分明顯的云霧。
威爾遜原始云室實(shí)物圖
考慮到 X 射線具有電離作用,這就驗(yàn)證了威爾遜的猜想:X 射線使得空氣中的粒子被電離成為離子,容器中的水蒸氣以這些離子為凝聚核,凝結(jié)成水滴,最后形成云霧。
換句話說,云霧形成的地方,就是X射線經(jīng)過的地方。
云霧,讓 X 射線無處可藏。
也就是說,只要我們讓帶電粒子射入云室,它就會(huì)和容器內(nèi)的氣體分子碰撞,在這過程中氣體分子電離,水蒸氣在產(chǎn)生的離子上凝結(jié)形成云霧,顯示出原本不可見的粒子軌跡。
從此,云不再僅僅是云。
威爾遜,則因此被稱為:
“物理學(xué)中最后一位,偉大的個(gè)體實(shí)驗(yàn)者”。
粒子物理新時(shí)代
威爾遜云室,成為了最早期的帶電粒子徑跡探測(cè)器,粒子物理,進(jìn)入了前所未有的時(shí)代。
例如,下面就是在云室中拍到的 5.3 MeV 能量的 α 粒子的軌跡。由 1 附近發(fā)射出來,在 2 附近發(fā)生盧瑟福散射,偏轉(zhuǎn)角約為 30 度,然后在 3 附近散開。
如何確定這個(gè)是 α 粒子?
首先,根據(jù)云室中徑跡的長(zhǎng)度,可以測(cè)定粒子的速度;根據(jù)軌跡的曲率,測(cè)量粒子的電荷大小和動(dòng)量等,最后確定粒子的種類。
粒子的質(zhì)量、電荷、壽命等一系列特征,共同組成了它特有的身份信息,就和我們每個(gè)人都有身份證號(hào)一樣。
如果最后對(duì)照下來,發(fā)現(xiàn)沒有任何一種已知粒子和這個(gè)粒子的性質(zhì)一致,那么,恭喜你:
你發(fā)現(xiàn)了一種新粒子!
歷史上,很多新粒子的發(fā)現(xiàn),就是這樣來的。
1928年,狄拉克從理論上預(yù)言了正電子。1932年,Carl David Anderson 利用威爾遜云室,捕捉到了下面這個(gè)意想不到的粒子軌跡。
Anderson 在云室拍攝的正電子軌跡
根據(jù)粒子的偏轉(zhuǎn)路徑,計(jì)算出它的質(zhì)量與電子相同,但電荷相反,這不就是狄拉克預(yù)言的正電子嗎?
于是,我們從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了正電子是真實(shí)存在的。
Anderson,也因此而獲得了 1936 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
利用威爾遜云室,我們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了 μ 介子,K 介子等。
緊接著:夸克、標(biāo)準(zhǔn)模型、量子色動(dòng)力學(xué)、TCP 定理......
而這些的開端呢?
只是我們想要看云,僅此而已。
我們終會(huì)長(zhǎng)大,不再是看云做夢(mèng)的少年。但在物理的世界里,每當(dāng)我抬頭望云,永遠(yuǎn)有夢(mèng)可循。
參考文獻(xiàn)
[1]Ben Marsden. Counting dust anddomesticating clouds:inside the ‘outdoor physics’ of John Aitken,Tidsskrift for kulturforskning. 2020(9): 45-56.
[2]Halliday, E.C. Some Memories of Prof. C.T.R. Wilson, English Pioneer in work on Thunderstorms and Lightning. Bulletin of the American Meteorological Society.1970(51):1133–1135.
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來源丨中科院物理所(ID:cas-iop)
作者丨穆勒家保姆
責(zé)編丨何通
審校丨徐來、林林