Ich wollte die Wolken im Labor beobachten, habe aber am Ende die Geschichte neu geschrieben? Das ist Physik!

Wenn Sie zu den Wolken aufblicken, wissen Sie, dass die Welt durch sie verändert wurde?

Wenn Physiker Wolken betrachten

Wang Xiaobo schrieb in „Das goldene Zeitalter“: „An diesem Tag war ich 21 Jahre alt, im goldenen Zeitalter meines Lebens, und ich hatte viele extravagante Hoffnungen. Ich wollte lieben, essen und mich im Handumdrehen in eine halb helle, halb dunkle Wolke am Himmel verwandeln. “

Shen Congwen erwähnt in seinen „Reisenotizen in Hunan“: ​​„Ich bin an vielen Orten über Brücken gegangen, habe oft Wolken gesehen und viele Weinsorten getrunken, aber ich habe nur einen Menschen im besten Alter geliebt.“

Sie alle erwähnten die Wolken, die Wolken, die man sehen kann, wenn man nach oben schaut.

Wang Xiaobo blickte zu den Wolken auf und hatte das Gefühl, dass er für immer voller Kraft bleiben und nichts besiegen könnte. Shen Congwen blickte zu den Wolken auf und sah durch die Wolken ein Paar lächelnder Augen.

Und Leute, die Physik studieren und zu den Wolken hinaufschauen, denken an ...

Dies ist der ursprüngliche Ursprung der Nebelkammer.

Zuerst wollten wir nur die Bedingungen der Wolkenbildung im Labor untersuchen, aber später haben wir die ganze Welt verändert.

Brockengeist

Im Jahr 1894 beobachtete der schottische Physiker Charles Thomson Rees Wilson auf dem Ben Nevis ein faszinierendes Phänomen:

Das Sonnenlicht drang durch die Wolken und bildete einen riesigen Regenbogenring, der in der Mitte eine schattenhafte menschliche Gestalt zu umgeben schien.

Er war nicht der Erste, der ein solches Schauspiel beobachtete.

Bereits 1780 beobachtete der deutsche Pfarrer Johann Silberschlag dieses Phänomen auf dem Brocken, dokumentierte es und nannte es das Brockengespenst .

Wenn Sie den Berg Emei in Sichuan besteigen, können Sie oft am fernen Himmel einen farbenprächtigen Heiligenschein sehen, der außen rot und innen violett ist. Ihre eigene Gestalt ist in den Heiligenschein gehüllt und Ihr Schatten ist schwach, wie das Licht Buddhas.

Das Auftreten dieses Phänomens hängt tatsächlich mit einer optischen Täuschung zusammen.

Um dieses Phänomen zu beobachten, müssen wir zunächst auf einem nebligen Berg stehen, mit dem Rücken zur Sonne und nach unten blicken.

Zu dieser Zeit scheint die Sonne von hinten und wirft Schatten auf die Wolken unter uns. Durch den perspektivischen Effekt erscheinen unsere Figuren schließlich als vergrößerte Dreiecke.

Wenn Sonnenlicht durch Wolken dringt, interagiert es außerdem mit den darin enthaltenen Partikeln und unterliegt verschiedenen Prozessen wie Streuung, Beugung, Interferenz usw. Der endgültige kombinierte Effekt ist der bunte Halo um den Schatten.

Aufgrund der optischen Täuschung denken wir unterbewusst, dass zwischen Schatten und Heiligenschein kein Entfernungsunterschied besteht und sie sich auf derselben Ebene befinden. Es sieht also aus wie ein riesiger Geist, der in einen bunten Heiligenschein gehüllt ist.

Die ursprüngliche Nebelkammer

Allerdings war diese scheinbar einfache Erklärung für das Brockengeist zu Wilsons Zeiten nicht so offensichtlich.

Sogar die Entstehung von Wolken ist noch immer ein vages Konzept.

Der schottische Physiker John Aitken untersuchte die Bedingungen der Wolkenbildung und baute zu diesem Zweck ein Versuchsgerät:

Gießen Sie zunächst etwas Wasser auf den Boden des Glasbehälters, lassen Sie den Behälter dann stehen und warten Sie, bis die Wassermoleküle nach und nach den gesamten Hohlraum ausfüllen.

Lassen Sie dann den gesamten Behälter adiabatisch expandieren. Gemäß dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik wissen wir, dass die Temperatur des Gases im Behälter sinken wird.

Dann sahen wir Wolken im Glasbehälter.

Doch als er die Luft im Glasbehälter filterte, um den Staub zu entfernen, und den gleichen Versuch wiederholte, waren keine Wolken zu sehen.

Also fand er einen Weg, künstliche Wolken zu erzeugen und kam zu dem Schluss:

Wolken sind Wasserdampftröpfchen, die auf Staubpartikeln kondensieren . Durch die plötzliche Volumenausdehnung können in der Luft staubhaltige Wolken entstehen.

Dies ist die ursprüngliche Nebelkammer. Sein Zweck war ganz einfach: Er bestand darin, die Bedingungen für die Wolkenbildung zu untersuchen. Es hinterließ jedoch unbeabsichtigt ein unerwartetes Easter Egg.

Dieses Osterei blieb jahrzehntelang versiegelt, bis es schließlich von Wilson entdeckt wurde.

Wilson erhielt daraufhin 1927 den Nobelpreis für Physik und schrieb die Geschichte der Wissenschaft und Technologie weltweit neu .

Mikroskopische Partikel sichtbar machen

Nun zurück zum Gipfel des Ben Nevis.

Wilson, der vom Brockengeist schockiert war, hofft, dieses Phänomen im Labor nachbilden und die genauen Ursachen dahinter untersuchen zu können. Dann standen wir vor dem ersten Problem:

So erzeugen Sie künstliche Wolken im Labor.

Wilson entschied sich dafür, auf den Schultern von Riesen zu stehen: Er übernahm im Wesentlichen Aitkens Ideen zum Design von Nebelkammern, versah seinen Glasbehälter jedoch mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten.

Das Osterei erscheint hier!

Als sich das Volumen des Glasbehälters weiter ausdehnte und ein Viertel seines ursprünglichen Volumens überschritt, bildete sich in der staubfreien Luft tatsächlich eine dünne Nebelwolke.

Dies steht offensichtlich im Widerspruch zu der Schlussfolgerung, zu der Aitken in diesem Jahr gelangte.

In diesem Fall muss es etwas anderes geben, das die Staubpartikel ersetzt und als Kondensationskerne dient, an denen sich die Wassertropfen festsetzen und schließlich Wolken bilden.

Er spekulierte, dass es sich dabei um eine Art geladener Teilchen handeln könnte, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind , da geladene Teilchen in gefilterter Luft vorkommen können.

Um seine Hypothese zu überprüfen, verbesserte Wilson die Versuchsausrüstung weiter und bestrahlte das Innere des gefilterten Glasbehälters mit Röntgenstrahlen. Dadurch vergrößerte sich das Volumen des Behälters, es entstanden zahlreiche Tröpfchen, die schließlich eine deutlich erkennbare Wolke bildeten .

Wilsons ursprüngliche Nebelkammer

Wenn man bedenkt, dass Röntgenstrahlen eine ionisierende Wirkung haben, bestätigt dies Wilsons Vermutung: Röntgenstrahlen führen dazu, dass Partikel in der Luft zu Ionen ionisiert werden, und der Wasserdampf im Behälter nutzt diese Ionen als Kondensationskerne, um zu Wassertröpfchen zu kondensieren und schließlich Wolken zu bilden.

Mit anderen Worten: Die Röntgenstrahlen passieren die Stellen, an denen sich die Wolken bilden.

Wolken und Nebel bieten den Röntgenstrahlen keine Möglichkeit, sich zu verstecken.

Das heißt, solange wir geladene Teilchen in die Nebelkammer schießen, kollidieren diese mit den Gasmolekülen im Behälter. Bei diesem Vorgang werden die Gasmoleküle ionisiert und Wasserdampf kondensiert auf den erzeugten Ionen zu Wolken, wodurch die ursprünglich unsichtbaren Teilchenspuren sichtbar werden.

Ab sofort ist die Cloud nicht mehr nur eine Cloud.

Wilson ist daher bekannt als:

„Der letzte große Einzelexperimentator der Physik.“

Eine neue Ära in der Teilchenphysik

Die Wilson-Nebelkammer wurde zum ersten Detektor für geladene Teilchenspuren und für die Teilchenphysik begann eine beispiellose Ära.

Unten sehen Sie beispielsweise die Flugbahn eines Alphateilchens mit einer Energie von 5,3 MeV, das in einer Nebelkammer eingefangen wurde. Es wird in der Nähe von 1 emittiert, unterliegt in der Nähe von 2 einer Rutherford-Streuung mit einem Ablenkwinkel von etwa 30 Grad und zerstreut sich dann in der Nähe von 3.

Wie stellen wir fest, dass es sich um ein Alphateilchen handelt?

Erstens kann die Geschwindigkeit des Partikels anhand der Länge der Spur in der Nebelkammer bestimmt werden. Anhand der Krümmung der Bahn lassen sich Ladung und Impuls des Teilchens messen und schließlich die Art des Teilchens bestimmen.

Masse, Ladung, Lebensdauer und andere Eigenschaften eines Teilchens bilden zusammen seine einzigartigen Identitätsinformationen, so wie jeder von uns eine ID-Nummer hat.

Wenn Sie feststellen, dass kein bekanntes Teilchen die gleichen Eigenschaften wie dieses Teilchen hat, dann herzlichen Glückwunsch:

Sie haben ein neues Teilchen entdeckt!

Im Laufe der Geschichte wurden auf diese Weise viele neue Teilchen entdeckt.

Im Jahr 1928 sagte Dirac das Positron theoretisch voraus . Im Jahr 1932 verwendete Carl David Anderson eine Wilson-Nebelkammer, um die folgende unerwartete Teilchenflugbahn zu erfassen.

Andersons Positronenspuren in einer Nebelkammer erfasst

Aus der Ablenkungsstrecke des Teilchens lässt sich errechnen, dass seine Masse der eines Elektrons entspricht, seine Ladung jedoch entgegengesetzt ist. Ist das nicht das von Dirac vorhergesagte Positron?

Damit haben wir experimentell nachgewiesen, dass Positronen tatsächlich existieren .

Anderson erhielt hierfür 1936 den Nobelpreis für Physik .

Mithilfe der Wilson-Nebelkammer haben wir das μ-Meson, das K-Meson usw. entdeckt.

Als nächstes: Quarks, das Standardmodell, Quantenchromodynamik, TCP-Theorem …

Und wo hat das alles angefangen?

Wir wollen einfach nur Wolken sehen, das ist alles.

Irgendwann werden wir erwachsen und nicht mehr die Teenager sein, die in den Wolken träumen. Aber in der physischen Welt habe ich immer Träume, die ich verfolgen kann, wenn ich zu den Wolken aufschaue.

Verweise

[1]Ben Marsden. Staub zählen und Wolken domestizieren: Einblicke in die „Outdoor-Physik“ von John Aitken, Tidsskrift for Kulturforskning. 2020(9): 45-56.

[2]Halliday, EC Einige Erinnerungen an Prof. CTR Wilson, englischer Pionier in der Arbeit über Gewitter und Blitze. Bulletin der Amerikanischen Meteorologischen Gesellschaft.1970(51):1133–1135.

Planung und Produktion

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften (ID: cas-iop)

Autor: Muellers Kindermädchen

Herausgeber: He Tong

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin