本想在實(shí)驗(yàn)室看云，最后卻改寫了歷史？這就是物理！

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