本想在实验室看云，最后却改写了历史
當你抬頭看云，你知道，世界曾被它改變嗎？
01、當物理學家看云
王小波在《黃金時代》中，這樣寫道：
“那一天我二十一歲，
在我一生的黃金時代，
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，
看過許多次數的云，
喝過許多種類的酒，
卻只愛過一個正當最好年齡的人。“
他們都提到了云，仰頭就能看到的云。
王小波抬頭看云，覺著自己會永遠生猛下去，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，我們只是想在實驗室研究云的形成條件，卻在后來，改變了整個世界。
02、布羅肯幽靈
1894 年，蘇格蘭物理學家威爾遜 (Charles Thomson Rees Wilson) 在本尼維斯山觀察到了神奇的現象：
陽光穿過云層，形成巨大的彩虹圓環，中間仿佛包圍著一個隱隱綽綽的人形。
他并不是第一個觀察到如此盛景的人。
早在 1780 年，德國的牧師 Johann Silberschlag 就在布羅肯山觀察到了這種現象，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，也時常能看到遠方的天邊出現外紅內紫的五彩光環，而自己的身影則被籠罩在光暈中，人動影綽，仿若佛光。
這種現象的產生，其實和光學錯覺有關。
首先，要觀察到這種現象，需要我們站在云霧繚繞的山峰，背對陽光，向下看。
這時，陽光從背后照射過來，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出被放大的三角形。
此外，當陽光穿過云層時，與其中的微粒發生相互作用，經歷各種過程，如散射、衍射、干涉等，最后產生的綜合效果，就是陰影周圍的彩色光環。
由于視覺上的錯覺，我們會下意識認為陰影和光環沒有距離差，處在同一個平面上，所以看上去就像是一個巨型幽靈被籠罩在彩色光環中。
03、最初的云室
話說回來，對于布羅肯幽靈，上述這看似很簡單的解釋，在威爾遜那個年代，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。
蘇格蘭物理學家 John Aitken 就一直在研究云的形成條件，為此，他制造了一個實驗裝置：
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腔體。
隨后，讓整個容器絕熱膨脹，根據熱力學第一定律，我們知道，容器內氣體的溫度會降低。
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，重復同樣的實驗操作后，就看不到云。
于是，他發現了一種制作人工云的方法，并且得出結論：
云是水蒸氣在灰塵顆粒上凝結的水滴。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，卻在不經意間，留下了意想不到的彩蛋。
這個彩蛋塵封了幾十年，最后被威爾遜發現了。
然后，威爾遜獲得了 1927 年的諾貝爾物理學獎，并改寫了世界科技史。
04、讓微觀粒子顯形
現在，回到本尼維斯山的山頂。
被布羅肯幽靈震撼的威爾遜，希望能夠在實驗室中復刻出這種現象，研究背后的詳細成因。緊接著，面臨的第一個問題，就是：
如何在實驗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 的云室設計思路，只是讓自己的玻璃容器具有更大的膨脹系數。
彩蛋，就在這里出現了！
當玻璃容器的體積不斷膨脹，超過原有體積的四分之一時，薄薄的云霧，竟然在沒有灰塵的空氣中形成了。
顯然，這和 Aitken 當年得出的結論是不一致的。
既然如此，一定有其他的東西代替了灰塵顆粒，作為凝結核，讓水滴附著在了上面，最后形成了云。
他猜測這可能是某種肉眼不可見的帶電顆粒，因為帶電顆粒能在過濾后的空氣中存在。
為了驗證自己的猜想，威爾遜進一步改進實驗裝備，并用 X 射線照射過濾后的玻璃容器內部。結果，容器體積膨脹后產生了大量液滴，最后形成了十分明顯的云霧。
考慮到 X 射線具有電離作用，這就驗證了威爾遜的猜想：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，它就會和容器內的氣體分子碰撞，在這過程中氣體分子電離，水蒸氣在產生的離子上凝結形成云霧，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：
“物理學中最后一位，偉大的個體實驗者”。
05、粒子物理新時代
威爾遜云室，成為了最早期的帶電粒子徑跡探測器，粒子物理，進入了前所未有的時代。
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 附近發射出來，在 2 附近發生盧瑟福散射，偏轉角約為 30 度，然后在 3 附近散開。
如何確定這個是 α 粒子？
首先，根據云室中徑跡的長度，可以測定粒子的速度；根據軌跡的曲率，測量粒子的電荷大小和動量等，最后確定粒子的種類。
粒子的質量、電荷、壽命等一系列特征，共同組成了它特有的身份信息，就和我們每個人都有身份證號一樣。
如果最后對照下來，發現沒有任何一種已知粒子和這個粒子的性質一致，那么，恭喜你：
你發現了一種新粒子！
歷史上，很多新粒子的發現，就是這樣來的。
1928 年，狄拉克從理論上預言了正電子。1932 年，Carl David Anderson 利用威爾遜云室，捕捉到了下面這個意想不到的粒子軌跡。
根據粒子的偏轉路徑，計算出它的質量與電子相同，但電荷相反，這不就是狄拉克預言的正電子嗎？
于是，我們從實驗上驗證了正電子是真實存在的。
Anderson，也因此而獲得了 1936 年的諾貝爾物理學獎。
利用威爾遜云室，我們又陸續發現了 μ 介子，K 介子等。
緊接著....
夸克、標準模型、量子色動力學、TCP 定理....
而這些的開端呢？
只是我們想要看云，僅此而已。
我們終會長大，
不再是看云做夢的少年。
但在物理的世界里，
每當我抬頭望云，
永遠有夢可循。
參考文獻：
[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.
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保姆
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總結
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