云室、玻璃和时间

|作者：孙永昊(中国科学院物理研究所)

本文选自《物理》2026年第9期

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云 室

如果你曾走进剑桥大学的卡文迪许实验室博物馆，大概率会见到一台仍在运转的威尔逊云室(图1)。学过中学物理的人都知道，里面那些交错纷繁的白色径迹，记录的是X射线产生的高能粒子。你或许听说过，威尔逊因这项发明摘得了1927年的诺贝尔物理学奖；但你可能不知道的是，云室其实并非威尔逊的首创。

图1 威尔逊云室(来源于英国剑桥大学卡文迪许博物馆)

故事要从一场火烧云说起。威尔逊当时任教于剑桥大学悉尼·苏塞克斯学院，他研究云室的初衷颇为浪漫——纯粹是想在实验室里重现苏格兰高地上空那瑰丽如火山的晚霞。翻阅文献时，他发现法国工程师埃特肯早已造出了一台“造云装置”：将水静置于密闭玻璃瓶中，待蒸气饱和后突然连通真空瓶，气体因快速膨胀而降温，云雾随即涌现。埃特肯注意到一个细节——第一次膨胀时云雾浓密，但等水滴落定、空气“清净”后再膨胀，云便消失了。他由此断定：水蒸气必须依附空气中的尘埃，才能凝结成可见的水滴。威尔逊没有止步于此。他换用更大的玻璃瓶，并尝试把膨胀比推得更高。当膨胀比大于埃特肯设计值25%时，奇迹发生了——即便彻底排除了灰尘，云雾依然如约而至！埃特肯的“无尘则无云”定律在此失效。第一次膨胀照旧产生浓雾，但在后续的膨胀中，原本“干净”的空气里竟持续生成薄雾。威尔逊坚信，空气中必然潜藏着某种“看不见”的凝结核。它究竟是什么？

结合当时高能物理的进展，威尔逊做出了一个大胆的假设：这些神秘凝结核，或许就是空气中的带电粒子。X射线恰好能在空气中电离出大量带电粒子。他随即用X射线照射云室——结果不出所料：无X射线时，仅有淡淡薄雾；一旦开启X射线，瞬间浓雾弥漫。谜底就此揭晓：所谓“看不见”的凝结核，正是被电离的微观粒子。

此后的故事，便成了物理学史上的华彩篇章。在云室中，又粗又直的径迹是α粒子，又细又弯的曲线是β粒子——卢瑟福区分了两种粒子，于1908年荣膺诺奖；赫斯将目光投向苍穹，发现即便没有X射线，云室中依然有带电粒子现身，它们来自宇宙深处，这让他斩获了1936年的诺贝尔奖；布莱克特更是在百万分之几的极低概率下，从杂乱径迹中捕捉到直线分叉的现象，证实了人工核反应，再添1948年诺奖。一台实验装置，竟如链式反应般催生了数项诺奖，即便在科学史上也极为罕见。在那个年代，云室几乎是全球所有高能物理实验室的标配。它以极其简洁的设计，将亚原子世界的幽灵化为触手可及的白色弧线，尽显实验物理的极致美感。

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玻 璃

如果说云室的故事让我们看到，将膨胀比推到极限如何让微观粒子现出踪迹，那么这种“逼近极限”的思路，同样指引着我们走进另一种看似寻常却暗藏玄机的物态——玻璃。云室是在空间尺度上突破常规，让单个离子成为凝结核；而玻璃的研究则需要在时间尺度上突破常规，在极短或极长的窗口里捕捉液体被“冻结”的瞬间。正是沿着这条“极限出真相”的逻辑，我们从威尔逊的白色径迹，转向玻璃内部那隐而不显的原子舞动。

玻璃，本质上是被定格在时间里的液体，如同超现实主义画作里融化的时钟(图2)。它在受力时并非不流动，只是由于黏度过大，在常规观测窗口内几乎静止；唯有在特定频率的力学刺激下，局域结构才被激活，发生微弱的流动。如果说晶体是空间上的固体，那么玻璃就是时间里的固体。

图2 萨尔瓦多·达利《记忆的永恒》画作里融化的时钟(来源于美国纽约现代美术馆)

玻璃材料包罗万象，其中最古老的代言者当属琥珀。百万年前的一个夏天，一滴树脂从树上落下，偶然包裹住树下觅食的昆虫，凝固后便成为琥珀。地质学家从中读取远古的自然信息，而物理学家看到的则是另一层奥秘：琥珀之所以能跨越百万年而存留，正因为它是一种玻璃。玻璃的结构特征是各向同性，这意味着它在任何方向上的力学性能一致。若换作各向异性的晶体，必有强度薄弱的“软肋”，易被风霜雨雪定向击破——敦煌莫高窟的岩体便是晶体，风蚀成为其头号威胁。风蚀当然也会磨损琥珀，但因各向同性，损耗在每一方向上都均匀分摊，没有哪个方向会率先崩溃。正是这种“无懈可击”的对称性，让玻璃得以从容抵抗岁月的侵蚀。

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时 间

一只木桶能装多少水，取决于最短的那块木板。缺陷，就是固体材料内那块最短的木板，直接决定了材料物理性能的优劣。晶体是空间上的固体，其缺陷可以通过分子或原子的周期性排布来定义；玻璃是时间里的固体，它的缺陷则需要选择合适的观测时间窗口来捕捉。在室温附近的温度区间和1 Hz左右的频率窗口里，人们可以在不同的玻璃材料中观察到β弛豫——它由玻璃中的缺陷贡献，其局域运动可以深刻影响材料的宏观性能。但玻璃中并非只有一种弛豫模式，也并非只有一种缺陷。要想继续深入，就必须拓展极端条件的边界。

图3 (a)超快差热分析用高温加热芯片；(b)便携式力学实验机

超快差热分析利用先进的芯片设计，将传统的坩埚、热电偶、电阻丝全部集成到一块厘米级的芯片上(图3(a))，可以对微米尺寸的超小样品实现从零下90℃到1000℃、跨越5个数量级的快速加热或冷却，其最大温变可超过每秒40000℃。微纳蠕变力学则使用自研的力学实验机(图3(b))，观测微米级厚度的条带或细丝在10 MPa超小应力下、超长时间里的形状变化。研究超长时间蠕变行为的主要困难，在于如何从噪声信号中提取出极其微弱的形变信息。我们将具有100 nm长度分辨率的光栅尺固定到仪器机架上，在克服振动干扰的同时，精确表征材料随时间的长度演化。就这样，我们在实验室里为玻璃材料的性能表征创造出了独有的极端条件。

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总 结

从卡文迪许博物馆里那台静静运转的威尔逊云室，到物理所极端条件下高速淬火而成的玻璃，跨越百年的科学探索贯穿着同一条逻辑：极端条件是为了让隐藏在常规视野之外的真相显形。威尔逊将膨胀比推过埃特肯的极限，让过饱和蒸汽在单个离子上凝结，从此微观粒子不再是方程里的符号，而成为肉眼可见的白色径迹；今天，我们把冷却速率推到每秒万度、把时间分辨率压到毫秒甚至更短，只为“冻结”液体瞬息万变的结构，在玻璃这个“时间里的固体”里辨认缺陷的指纹、捕捉液液相变那一闪而过的证据。晶体是空间的有序，玻璃是时间的定格——而我们所做的，正是在时间的两个极端上同时发力：在超短与超长之间，为无序物质书写一部动态的“编年史”。那些在常规条件下稍纵即逝或隐匿不显的现象——逆液液相变的吸热峰、台阶式蠕变中的缺陷“赛跑”、空气中自发变幻的干涉色彩——唯有在极端条件下才肯露出真容。正如威尔逊的云室催生了接踵而至的诺贝尔奖，今天我们对极端条件的每一次逼近，都是在为下一代颠覆性技术储备“种子”：更高效率的非晶电机、更长寿命的药物玻璃、更轻更强的折叠屏铰链、甚至一枚可以随时间变换色泽的纪念币。科学的前沿从来不属于安于常态的人，它属于那些敢于把温度、压力、时间推到极限，然后在极限处瞪大眼睛、屏住呼吸、等待奇迹的人。

来源：中国物理学会期刊网

编辑：爱华

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