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本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!
2023/11/27 19:47:13 | 浏览:996 | 评论:0

本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!

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

研究物理的人,抬头看云,想到的是....

本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!

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。

本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!

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。

本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!

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:

本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!

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。

本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!

威尔逊原始云室实物图

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。

本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!

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。

本想在实验室看云,最后却改写了历史?这就是物理!

Anderson在云室拍摄的正电子轨迹

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.

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