研究室で雲を眺めていたかったのに、歴史を書き換えてしまった？これが物理学だ！

雲を見上げるとき、雲によって世界が変わったことをご存知ですか?

物理学者が雲を見るとき

王暁波は『黄金時代』の中でこう書いている。「その日、私は21歳で、人生の黄金時代を迎え、多くの途方もない希望を抱いていた。愛し、食べ、一瞬にして空に浮かぶ半分明るく半分暗い雲に変身したいと思っていた。 」

沈従文は『湖南旅行記』の中でこう述べている。「私は多くの場所で橋を渡り、多くの雲を見て、多くの種類の酒を飲んだが、最も良い年齢で愛したのは一人だけだ。」

彼らは皆、雲、見上げると見える雲について言及しました。

王暁波は雲を見上げて、自分は永遠に力強く、何も打ち負かすことができないだろうと感じた。沈従文は雲を見上げ、雲の隙間から笑っている一対の目を見つけた。

そして物理学を研究する人々は、雲を見上げて考えます...

これが霧箱の本来の起源です。

当初、私たちは実験室で雲の形成条件を研究したいだけでしたが、後に世界全体を変えることになりました。

ブロッケンゴースト

1894 年、スコットランドの物理学者チャールズ・トムソン・リース・ウィルソンはベン・ネビス山で興味深い現象を観察しました。

太陽の光が雲を通り抜け、巨大な虹の輪を形成し、その真ん中に影のような人間の姿を囲んでいるように見えました。

このような光景を目にしたのは彼が初めてではなかった。

1780年初頭、ドイツの牧師ヨハン・シルバーシュラークがブロッケン山でこの現象を観察し、それを「ブロッケンの幽霊」と呼んで記録しました。

四川省の峨眉山に登ると、遠くの空に外側が赤く内側が紫色の光輪が現れるのがよく見られます。自分の姿はその光輪に包まれ、影はぼんやりとしていて、まるで仏の光のようです。

この現象の発生は、実は目の錯覚に関係しています。

まず、この現象を観察するには、霧のかかった山の上に立ち、太陽に背を向けて下を見なければなりません。

このとき、太陽は後ろから輝き、私たちの下の雲に影を落とします。遠近法の効果により、図形は最終的に拡大された三角形として表示されます。

さらに、太陽光が雲を通過すると、雲内の粒子と相互作用し、散乱、回折、干渉などのさまざまなプロセスを経ます。最終的な複合効果は、影の周りの色鮮やかな光輪です。

視覚的な錯覚により、私たちは無意識のうちに影と光輪に距離差がなく、同じ平面上にあると考えるため、まるで色とりどりの光輪に包まれた巨大な幽霊のように見えます。

オリジナルの霧箱

そうは言っても、ブロッケンゴーストに関するこの一見単純な説明は、ウィルソンの時代にはそれほど明白ではありませんでした。

雲がどのように形成されるかということさえ、まだ漠然とした概念です。

スコットランドの物理学者ジョン・エイトケンは雲の形成条件を研究しており、そのために実験装置を製作しました。

まず、ガラス容器の底に水を注ぎ、容器をそのまま置いて、水分子が徐々に空洞全体を満たすのを待ちます。

次に、容器全体を断熱的に膨張させます。熱力学の第一法則によれば、容器内のガスの温度は低下することが分かっています。

するとガラス容器の中に雲が見えました。

しかし、ガラス容器内の空気を濾過してほこりを取り除き、同じ実験操作を繰り返したところ、雲は見えなかった。

そこで彼は人工の雲を作る方法を見つけ、次のような結論に達しました。

雲は塵の粒子の上に凝縮した水蒸気の液滴です。突然の体積膨張により、空気中に塵を含んだ雲が発生する可能性があります。

これがオリジナルの霧箱です。その目的は非常に単純で、雲の形成条件を研究することでした。しかし、うっかりして予期せぬイースターエッグが残されてしまいました。

このイースターエッグは数十年にわたって封印されたままだったが、ついにウィルソンによって発見された。

その後、ウィルソンは1927年にノーベル物理学賞を受賞し、世界の科学技術の歴史を書き換えた。

微細粒子を可視化する

さて、ベン・ネビス山の頂上に戻りましょう。

ブロッケンゴーストに衝撃を受けたウィルソン氏は、この現象を研究室で再現し、その詳細な原​​因を研究したいと考えている。次に、私たちが直面した最初の問題は次のとおりです。

実験室で人工の雲を作る方法。

ウィルソンは巨人の肩の上に立つことを選んだ。彼は基本的にエイトキンの霧箱の設計思想を採用したが、ガラス容器の膨張係数をより大きくした。

イースターエッグがここに登場します！

ガラス容器の容積が膨張し続け、元の容積の 4 分の 1 を超えると、塵のない空気中に実際に薄い霧の雲が形成されました。

明らかに、これはエイトケンがその年に到達した結論とは矛盾している。

この場合、塵粒子の代わりになり、水滴が付着して最終的に雲を形成する凝結核として機能する何か他のものがあるはずです。

彼は、帯電粒子は濾過された空気中に存在することができるため、これは肉眼では見えないある種の帯電粒子である可能性があると推測した。

ウィルソンは仮説を検証するために、実験装置をさらに改良し、フィルター付きのガラス容器の内側にX線を照射しました。その結果、容器の容積が膨張し、大量の水滴が発生し、最終的に非常に明らかな雲が形成されました。

ウィルソンのオリジナルの霧箱

X 線には電離作用があることを考慮すると、これはウィルソンの推測を裏付けるものとなります。つまり、X 線は空気中の粒子をイオンに電離させ、容器内の水蒸気はこれらのイオンを凝結核として利用して水滴に凝結し、最終的に雲を形成します。

言い換えれば、雲が形成される場所は、X 線が通過する場所です。

雲や霧があると、X 線が隠れる場所がありません。

つまり、霧箱に荷電粒子を発射すれば、その粒子は容器内のガス分子と衝突することになります。この過程でガス分子がイオン化され、生成されたイオン上に水蒸気が凝縮して雲が形成され、本来は見えなかった粒子の軌跡が現れます。

これからのクラウドは単なるクラウドではなくなります。

したがって、ウィルソンは次のように知られています。

「物理学における最後の偉大な個人実験者。」

素粒子物理学の新時代

ウィルソン霧箱は最古の荷電粒子飛跡検出器となり、素粒子物理学は前例のない時代を迎えました。

たとえば、以下は霧箱で捕捉された 5.3 MeV のエネルギーを持つアルファ粒子の軌道です。 1 付近から放射され、2 付近で約 30 度の偏向角でラザフォード散乱を受け、3 付近で分散します。

これがアルファ粒子であるとどうやって判断するのでしょうか?

まず、霧箱内の軌跡の長さに基づいて粒子の速度を決定できます。軌道の曲率に基づいて粒子の電荷と運動量を測定し、最終的に粒子の種類を判定することができます。

私たち一人ひとりが ID 番号を持っているのと同じように、粒子の質量、電荷、寿命、その他の特性が組み合わさって、その粒子の固有の識別情報が構成されます。

この粒子と同じ特性を持つ既知の粒子が見つからない場合は、おめでとうございます。

新しい粒子を発見しました!

歴史を通じて、このようにして多くの新しい粒子が発見されました。

1928年、ディラックは陽電子の存在を理論的に予測した。 1932 年、カール・デイビッド・アンダーソンはウィルソン霧箱を使用して、次のような予期せぬ粒子の軌跡を捉えました。

霧箱で捉えられたアンダーソンの陽電子の軌跡

粒子の偏向経路に基づいて計算すると、その質量は電子と同じだが、電荷は反対であることがわかります。これはディラックが予言した陽電子ではないでしょうか？

こうして、陽電子が実際に存在することを実験的に検証した。

アンダーソンはこの功績により1936年のノーベル物理学賞を受賞した。

ウィルソン霧箱を用いて、μ中間子、K中間子などを発見しました。

次は、クォーク、標準モデル、量子色力学、TCP 定理…

そして、このすべてはどこから始まったのでしょうか?

ただ雲が見たいだけなんです。

私たちはやがて成長し、雲の上を夢見るティーンエイジャーではなくなります。しかし、現実世界では、雲を見上げるたびに、追い求める夢が常にあるのです。

参考文献

[1]ベン・マースデン塵を数えて雲を飼いならす: ジョン・エイトキンの「屋外物理学」の内側、文化研究書。 2020(9):45-56.

[2]ハリデー、EC「雷雨と稲妻に関する研究における英国の先駆者、CTRウィルソン教授の思い出」アメリカ気象学会誌.1970(51):1133–1135.

企画・制作

出典: 中国科学院物理研究所 (ID: cas-iop)

著者: ミューラーの乳母

編集者：何童

校正：Xu Lai、Lin Lin