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
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