查尔斯·威尔逊（1927年诺贝尔物理学奖得主）
查尔斯·威尔逊（1927年诺贝尔物理学奖得主）
| 中文名 | 查尔斯·汤姆森·里斯·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson） |
|---|---|
| 出生 | 1869年2月14日 英国苏格兰中洛锡安郡格伦科西 |
| 逝世 | 1959年11月15日（90岁） 英国苏格兰皮布尔斯郡卡洛普斯 |
| 国籍 | 英国 |
| 身份 | 物理学家 |
| 获奖年份 | 1927年 |
| 奖项类别 | 诺贝尔物理学奖 |
| 获奖理由 | 因发明通过蒸汽凝结使带电粒子径迹可视化的方法——云室 |
生平
查尔斯·汤姆森·里斯·威尔逊1869年2月14日出生于苏格兰中洛锡安郡的格伦科西。父亲是当地一位牧羊场主，在威尔逊年仅四岁时便去世了。母亲带着全家迁往曼彻斯特。威尔逊先后就读于欧文斯学院（曼彻斯特大学前身）和剑桥大学，1896年获博士学位。他一生大部分时间在剑桥大学卡文迪许实验室度过，1900年成为剑桥大学讲师，1913年成为气象物理学讲师，1925年荣任剑桥大学自然哲学教授。1959年11月15日在苏格兰去世，享年90岁。
学术生涯
威尔逊的学术道路始于气象学。1894年，他作为剑桥大学的学生在苏格兰本尼维斯山顶气象站进行观测时，注意到山顶云雾中的光学现象——"布罗肯幽灵"（Brocken spectre）和日晕。这些现象激发了他对水汽凝结过程的研究兴趣。
回到剑桥后，威尔逊在卡文迪许实验室设计了一台精巧的设备：一个带有活塞的密封玻璃容器，内充湿漉漉的空气。当活塞快速外拉时，容器内气体绝热膨胀，温度急剧下降，使水汽达到过饱和状态。在过饱和环境中，水汽优先以空气中的微小尘埃颗粒（凝结核）为核心凝结成雾滴。
威尔逊发现了一个关键现象：当容器内空气中的尘埃被全部去除后，水汽并不会在过饱和状态立即凝结——除非存在某种能触发凝结的离子。X射线或紫外线照射容器时，会产生大量离子，从而引发云状凝结。他由此认识到，带电粒子在过饱和蒸汽中飞行时，会引发沿途蒸汽分子凝结成微小液滴，形成一条可见的雾状径迹。
经过多年精心改进，到1911年，威尔逊终于制造出第一台可实际使用的云室。这台设备的活塞在释放后能快速下落使气体膨胀，随即用闪光灯照明和照相机记录下粒子径迹。在云室里，α粒子和β粒子的径迹清晰可辨——α粒子径迹粗而直，β粒子径迹细而弯曲。
获奖成就
1927年，瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖授予威尔逊与阿瑟·康普顿。威尔逊的获奖理由为"因发明通过蒸汽凝结使带电粒子径迹可视化的方法"。云室的发明堪称粒子物理学的革命性工具——它为人类第一次提供了直接观察微观粒子径迹的手段，使物理学家能够"看见"单个原子的碰撞和分裂过程。云室内拍摄到的径迹照片成为了量子世界最直观的证据。
历史贡献
威尔逊云室的科学遗产深远而广泛，远超出其发明者本人的工作。
首要贡献是云室本身。在云室之前，核物理和粒子物理的研究只能通过电离计数器等间接手段进行。云室首次让研究者"看见"带电粒子的路径，可以测量粒子的射程、能量、散射角度，以及观察粒子与原子核的碰撞事件。1932年，查德威克利用云室发现了中子；同一年，安德森在云室照片中发现了正电子——这是反物质的第一个证据。布莱克特利用云室研究宇宙射线，发现了正负电子对产生等过程。这些发现都离不开云室工具。
其次，威尔逊的气象学研究奠定了云物理学的基础。他关于云滴形成、过饱和蒸汽凝结的理论至今仍是大气物理学的重要内容。
第三，威尔逊发明的膨胀式云室启发了后来的扩散云室、气泡室（格莱泽发明，1960年诺贝尔奖）和火花室等粒子径迹探测技术，形成了粒子物理探测器的一条完整技术谱系。
轶事典故
云室的发明源于威尔逊对山顶云雾的迷恋，而非任何粒子物理的研究计划。他曾在自述中说："我只是想知道云是如何形成的。"这种最纯粹的好奇心最终催生了认识微观世界的最强大工具。
威尔逊的云室最初被称为"威尔逊膨胀室"（Wilson expansion chamber），"云室"（cloud chamber）的通俗叫法后来才流行开来。实际上，他在1911年首次展示云室时，拍摄的是α粒子和β粒子的径迹照片——当时人们对这两种粒子已是区分明确。
威尔逊性格极为谦逊内敛，终生过着朴素的生活。他很少参与学术争论，却对学生倾囊相授。据说他每次做实验演示时都会说"如果够幸运的话，也许能看到点什么"，然后整个实验室的学生都屏息凝视云室中出现的奇迹。
他的长寿令人惊叹——90岁高龄辞世，在诺贝尔奖得主中极为罕见。
值得一提的是，另一位诺贝尔奖得主欧内斯特·卢瑟福对威尔逊的云室给予了极高评价，认为它是"人类发明过的最精巧的科学仪器"。
参考文献
1. Wilson, C. T. R. (1911). On a method of making visible the paths of ionising particles through a gas. Proceedings of the Royal Society of London A, 85(578), 285-288. 2. Wilson, C. T. R. (1912). On an expansion apparatus for making visible the tracks of ionising particles in gases and some results obtained by its use. Proceedings of the Royal Society of London A, 87(595), 277-292. 3. Galison, P. (1997). Image and Logic: A Material Culture of Microphysics. Chicago: University of Chicago Press. 4. Nobel Foundation. (1927). The Nobel Prize in Physics 1927: Charles Thomson Rees Wilson. 5. 郭奕玲、沈慧君，《物理学史》，清华大学出版社，2005年。