我們在初中物理課上，會學到下面兩個知識：
1.在學習物態變化時，我們會知道，雲是由小水滴組成的。
2.在學習浮力時，我們會學到，如果物體的密度比液體或氣體的小，物體受到的浮力就會大於重力，物體會在液體或氣體中漂浮；如果物體的密度比液體或氣體的大，物體受到的浮力就會小於重力，物體會在液體或氣體中下沉。
問題馬上來了：雲是很多水滴，水的密度比空氣的密度大，云為什麼可以在天上懸浮，沒有掉下來或沉下來？
（說實話，我在寫下「問題馬上來了」的時候，心裡很猶豫。因為我是1994年初中畢業，一直到2010年有一天，在諾貝爾獎獲得者拉曼的一篇文章中看到這個問題，才意識到這是一個問題，距離學習初中物理已經快20年了，根本談不到「問題馬上來了」。）
這個問題真地很棘手。所以19世紀時，有人乾脆提出來：雲不是水滴，而是泡沫。因為水滴根本沒法在天上懸浮，要掉下來嘛！有一段時間，許多人都接受了雲是泡沫的理論（我也不知道他們講的泡沫是啥）。
劍橋大學的盧卡遜數學教授（這是牛頓以前擔任過的職位）、著名物理學家斯託克斯對泡沫理論嗤之以鼻：怎麼會有人提出這種扯淡的玩意？
斯託克斯認為，雲必定是水滴，水的密度比空氣大，所以水滴受到的重力必定大於它受到的空氣浮力，既然不存在其它的力，水滴必定下落！
可是，水滴在空氣中穿行時，會受到空氣的阻力。空氣「試圖」阻止水滴的運動。而且，水滴下落得越快，空氣對水滴的阻力就越大。隨著水滴下落的速度增大，阻力很快就增加得與水滴的重力相等。在這以後，水滴不會再加速，水滴的運動變成勻速的。水滴達到勻速運動時的速度，也就是水滴最終的下落速度，叫極限速度。
斯託克斯的計算結果表明，水滴的極限速度與水滴的大小有關，水滴越小，極限速度就越小；極限速度與水滴半徑的平方成正比。
當然，阻力的大小還與空氣的「粘性」有關。同一個物體，放進水裡和放進油裡，下落的快慢不一樣，因為油和水的「粘性」不一樣大。斯託克斯把表示空氣「粘性」的粘滯係數代進他的式子，算出來：半徑為40分之1毫米的水滴的極限速度約為每秒鐘2釐米，也就是每分鐘下落1米多一點。
這比螞蟻跑得還要慢！在幾千米遠的高空，每分鐘只下落1米，地面上的人是察覺不出來的！
當然，如果水滴的半徑大於40分之1毫米，極限速度就會大於每秒鐘2釐米；如果水滴更小，極限速度就會更小。但是，雲中的雨滴究竟是多大呢？
有月亮的晚上，如果天上有薄雲，月亮透過薄雲照下來，我們會看到月亮周圍的圓形區域都發亮。這叫做月華，我們老家叫月亮「戴帽子」。這現象也發生在太陽身上，叫做日華，不過我們的眼睛都會避免看太陽。
月華（圖片取自「知乎@青娘」）
月華的最外圍總是帶紅色，但是月華沒有固定的大小（這一點與彩虹不一樣）。那麼，月華是怎麼產生的呢？歷史上一些最有名的科學家，笛卡爾，惠更斯，牛頓，都對月華進行過研究，但正確的解釋要一直等到19世紀初（斯託克斯之前）的託馬斯·楊。
楊氏認為，懸浮在空中的水滴或其它塵埃使光波發生幹涉和衍射，產生了人們看到的月華。根據他的理論，月華的大小與水滴的大小有關，水滴越小，月華就越大。根據觀察到的月華的半徑，可以算出水滴的大小。這樣就可發現，雲中水滴的半徑通常比40分之1毫米還要小得多。這些小水滴通常要好幾分鐘甚至十多分鐘才會下落1米！
科學和技術一直發展，到了20世紀，人們已經可以直接對雲中的小水滴拍照，並且直接測量它們的大小了！拍出來的水滴大小（直徑3~40微米），與從前根據月華大小計算出的水滴大小符合得好極了！
雲中的水滴（取自Landsberg 的 Elementary Textbook on Physics，Vol.1）
如果您喜歡這篇文章，您可以長按下面的二維碼，或點擊本文標題下方藍色字體「科學的故事」，關注本公眾號。本公眾號將每周為您定時奉送兩篇同類型文章，文章發布時間為周二晚7點半與周六早7點半。