当时的困境
二十世纪初的原子物理是一门盲人的手艺。
α 粒子、β 射线、X 射线都已经被命名，可没人见过它们。实验手段只有三类：荧光屏上的闪烁点（要在暗室里睁大眼睛数上几小时，数到眼花）、验电器金箔张开的角度、照相底片的整体变黑。这些方法给的都是统计量——多少个、多强——而不是单个事件的模样。
于是最基本的问题也答不上来：一个 α 粒子在气体里走的是直线还是折线？它在路上会不会突然拐弯？一次散射事件究竟发生了什么？卢瑟福 1911 年从散射的统计分布推断出原子核，靠的是把成千上万次闪烁归到不同角度里去数——他推出了正确的结论，却没有一张能直接看的图。
物理学需要的是一种能把单个粒子的经历留下痕迹的东西。
洞见时刻
这台机器最初和粒子毫无关系。
1894 年 9 月，威尔逊在苏格兰最高峰本尼维斯山顶的气象观测站待了几周。云雾漫过山头时，阳光在他身后投出巨大的影子，影子周围环着彩色的光晕——布罗肯幽灵与宝光。他后来在诺贝尔演讲里写道，这些光学现象让他极感兴趣，使他想在实验室里把它们复现出来。
他回到剑桥，开始造能人工造云的膨胀室：让潮湿空气突然膨胀降温，水汽过饱和，凝成雾。
造着造着，他撞上了一个反常。 按当时的理解，水汽凝结必须有尘埃当核心。他把空气里的尘埃反复清除干净，本以为再也不会起雾；结果只要膨胀的幅度足够大（过饱和度约 8 倍以上），雾依然出现。这说明还有另一种凝结核，而且它极小、清除不掉。
1895 年 11 月伦琴发现 X 射线，消息几周后传到剑桥。威尔逊立刻把 X 射线射进他的无尘膨胀室——雾变得极浓。凝结核是离子，被辐射从空气分子上打下来的离子。
到这一步，探测器的原理已经齐了：粒子飞过留下一串离子，让蒸汽在这串离子上凝结，粒子的路径就变成一行可以拍照的水珠。
但他没有立刻去做。 接下来十几年，威尔逊的主要精力放在大气电学上——他去研究雷暴、地球的电场、雨滴带的电荷。直到 1910 年前后才回到这台装置上，把膨胀速度、过饱和度、照明与摄影逐项调好。1911 年，他拍到了第一批径迹照片：α 粒子是笔直而浓密的短棒，β 粒子是纤细、弯弯曲曲的细线，X 射线打出的电子则是四散的短簇。从山顶上的彩虹到粒子的照片，中间隔了十七年。
常见的说法把这件事讲反了：并不是他为了研究粒子而发明了云室，而是他为了研究云，顺手造出了粒子物理最早的眼睛。
涟漪效应
径迹照片一出，许多争论当场了结。1925 年，康普顿与西蒙用云室同时拍下散射光子打出的反冲电子——每一次散射里能量与动量都逐次守恒，这直接否定了玻尔等人「守恒律只在统计上成立」的提议。
1932 年，安德森在加州理工的云室里拍到一条弯错方向的径迹，那是正电子（见本站「正电子的发现」页）；1936 年他和内德迈耶又在同一台机器上发现了缪子。1947 年，罗切斯特与巴特勒在曼彻斯特的云室照片里看到两条分叉的「V 形」径迹——那是最早的奇异粒子，粒子物理由此进入一个全新的时代。
效率的问题是布莱克特解决的。 早期云室只能定时膨胀、盲拍，绝大多数照片上什么也没有。1932 年，布莱克特与奥恰利尼在云室上下各放一个盖革计数器，只有当两个计数器同时响应时才触发膨胀与拍照——让粒子自己给自己拍照。有效照片的比例一下提高了几十倍，正负电子对与宇宙线簇射的照片就此成批出现。
云室本身在 1950 年代被格拉泽的气泡室取代：液体密度比气体高几十到上千倍，事件率与分辨率都高得多。此后是火花室、多丝正比室、硅微条探测器。但这条技术线的目标从来没变过——把一个看不见的粒子的经历，变成一件可以逐帧检查的证据。今天大型强子对撞机的事件显示图，仍然是威尔逊那张照片的直系后代。
如果没有它
二十世纪上半叶的粒子清单，几乎每一项都要经过云室：正电子、缪子、K 介子、Λ 超子，以及无数次核反应的直接影像。抽掉它，反物质与「第二代」粒子的发现都要推迟许多年，而卢瑟福式的统计推断将长期是原子核唯一的证据来源。
它还留下了一件今天仍在用的东西：径迹本身就是一份完整的档案。曲率给出动量，浓密程度给出电离本领与电荷，长度给出能量，分叉给出衰变——只要能把粒子的路径记下来，剩下的物理量都能从这条线上读出。这套读图法则从 1911 年那批照片一直沿用到今天的对撞机。
至于最初那个动机：威尔逊终其一生都在研究大气电学与雷暴，直到晚年还在发表相关论文。他要的从来就是弄明白云。