本想在实验室看云，最后却改写了历史

当你抬头看云，你知道，世界曾被它改变吗？

01、当物理学家看云

王小波在《黄金时代》中，这样写道：

"那一天我二十一岁，

在我一生的黄金时代，

我有好多奢望。

我想爱，想吃，

还想在一瞬间变成天上半明半暗的云。"

沈从文则在《湘行散记》中，提到：

"我行过许多地方的桥，

看过许多次数的云，

喝过许多种类的酒，

却只爱过一个正当最好年龄的人。"

他们都提到了云，仰头就能看到的云。

王小波抬头看云，觉着自己会永远生猛下去，什么也捶不了；沈从文抬头看云，透过云层，看见了一双含笑的眼睛。

而研究物理的人，抬头看云，想到的是....

这，就是云室最初的来源。

起初，我们只是想在实验室研究云的形成条件，却在后来，改变了整个世界。

02、布罗肯幽灵

1894 年，苏格兰物理学家威尔逊 (Charles Thomson Rees Wilson) 在本尼维斯山观察到了神奇的现象：

阳光穿过云层，形成巨大的彩虹圆环，中间仿佛包围着一个隐隐绰绰的人形。

他并不是第一个观察到如此盛景的人。

早在 1780 年，德国的牧师 Johann Silberschlag 就在布罗肯山观察到了这种现象，并且记录了下来，把它称为布罗肯幽灵 (Brocken spectre)。

如果你登上我们四川的峨眉山，也时常能看到远方的天边出现外红内紫的五彩光环，而自己的身影则被笼罩在光晕中，人动影绰，仿若佛光。

这种现象的产生，其实和光学错觉有关。

首先，要观察到这种现象，需要我们站在云雾缭绕的山峰，背对阳光，向下看。

这时，阳光从背后照射过来，在我们下方的云层投射下阴影，由于透视效果，最后我们的人影就呈现出被放大的三角形。

此外，当阳光穿过云层时，与其中的微粒发生相互作用，经历各种过程，如散射、衍射、干涉等，最后产生的综合效果，就是阴影周围的彩色光环。

由于视觉上的错觉，我们会下意识认为阴影和光环没有距离差，处在同一个平面上，所以看上去就像是一个巨型幽灵被笼罩在彩色光环中。

03、最初的云室

话说回来，对于布罗肯幽灵，上述这看似很简单的解释，在威尔逊那个年代，却并没有那么显然。

甚至，云究竟是怎么形成的，大家都一知半解。

苏格兰物理学家 John Aitken 就一直在研究云的形成条件，为此，他制造了一个实验装置：

首先，将一部分水倒入玻璃容器的底部，然后静置容器，等待水分子逐渐充满整个腔体。

随后，让整个容器绝热膨胀，根据热力学第一定律，我们知道，容器内气体的温度会降低。

接着，我们就在玻璃容器中看到了云。

但如果他将玻璃容器中的空气过滤，去除灰尘，重复同样的实验操作后，就看不到云。

于是，他发现了一种制作人工云的方法，并且得出结论：

云是水蒸气在灰尘颗粒上凝结的水滴。突然的体积膨胀可以在含有灰尘的空气中制造云。

这就是最初的云室，目的很纯粹，就是为了研究云的形成条件，却在不经意间，留下了意想不到的彩蛋。

这个彩蛋尘封了几十年，最后被威尔逊发现了。

然后，威尔逊获得了 1927 年的诺贝尔物理学奖，并改写了世界科技史。

04、让微观粒子显形

现在，回到本尼维斯山的山顶。

被布罗肯幽灵震撼的威尔逊，希望能够在实验室中复刻出这种现象，研究背后的详细成因。紧接着，面临的第一个问题，就是：

如何在实验室中人工制造出云雾。

威尔逊选择站在巨人的肩膀上：他基本采用了 Aitken 的云室设计思路，只是让自己的玻璃容器具有更大的膨胀系数。

彩蛋，就在这里出现了！

当玻璃容器的体积不断膨胀，超过原有体积的四分之一时，薄薄的云雾，竟然在没有灰尘的空气中形成了。

显然，这和 Aitken 当年得出的结论是不一致的。

既然如此，一定有其他的东西代替了灰尘颗粒，作为凝结核，让水滴附着在了上面，最后形成了云。

他猜测这可能是某种肉眼不可见的带电颗粒，因为带电颗粒能在过滤后的空气中存在。

为了验证自己的猜想，威尔逊进一步改进实验装备，并用 X 射线照射过滤后的玻璃容器内部。结果，容器体积膨胀后产生了大量液滴，最后形成了十分明显的云雾。

考虑到 X 射线具有电离作用，这就验证了威尔逊的猜想：X 射线使得空气中的粒子被电离成为离子，容器中的水蒸气以这些离子为凝聚核，凝结成水滴，最后形成云雾。

换句话说，云雾形成的地方，就是 X 射线经过的地方。

云雾，让 X 射线无处可藏。

也就是说，只要我们让带电粒子射入云室，它就会和容器内的气体分子碰撞，在这过程中气体分子电离，水蒸气在产生的离子上凝结形成云雾，显示出原本不可见的粒子轨迹。

从此，云不再仅仅是云。

威尔逊，则因此被称为：

"物理学中最后一位，伟大的个体实验者"。

05、粒子物理新时代

威尔逊云室，成为了最早期的带电粒子径迹探测器，粒子物理，进入了前所未有的时代。

例如，下面就是在云室中拍到的 5.3 MeV 能量的 α 粒子的轨迹。由 1 附近发射出来，在 2 附近发生卢瑟福散射，偏转角约为 30 度，然后在 3 附近散开。

如何确定这个是 α 粒子？

首先，根据云室中径迹的长度，可以测定粒子的速度；根据轨迹的曲率，测量粒子的电荷大小和动量等，最后确定粒子的种类。

粒子的质量、电荷、寿命等一系列特征，共同组成了它特有的身份信息，就和我们每个人都有身份证号一样。

如果最后对照下来，发现没有任何一种已知粒子和这个粒子的性质一致，那么，恭喜你：

你发现了一种新粒子！

历史上，很多新粒子的发现，就是这样来的。

1928 年，狄拉克从理论上预言了正电子。1932 年，Carl David Anderson 利用威尔逊云室，捕捉到了下面这个意想不到的粒子轨迹。

根据粒子的偏转路径，计算出它的质量与电子相同，但电荷相反，这不就是狄拉克预言的正电子吗？

于是，我们从实验上验证了正电子是真实存在的。

Anderson，也因此而获得了 1936 年的诺贝尔物理学奖。

利用威尔逊云室，我们又陆续发现了 μ 介子，K 介子等。

紧接着....

夸克、标准模型、量子色动力学、TCP 定理....

而这些的开端呢？

只是我们想要看云，仅此而已。

我们终会长大，

不再是看云做梦的少年。

但在物理的世界里，

每当我抬头望云，

永远有梦可循。

参考文献：

• [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.

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保姆