我們總希望有朝一日奔向遙遠(yuǎn)的太空。但在那一天到來之前，還有不少人把宇宙當(dāng)成“外面的世界”——一個(gè)遙遠(yuǎn)的、與地球沒有關(guān)聯(lián)的獨(dú)立個(gè)體。的確，就在不久以前，地球還被看作是一個(gè)獨(dú)一無二的、與外界完全分開的所在。地球上有生命、有水流、有構(gòu)成細(xì)胞的蛋白質(zhì)、還有大量的氧氣，在已知的宇宙里似乎再?zèng)]有其他地方擁有這些東西中的任何一樣了。這很符合“我們生來與眾不同”這種傳統(tǒng)看法。
在幾顆衛(wèi)星上發(fā)現(xiàn)液態(tài)水，又在星云和彗星上找到幾種氨基酸，給了這種“地球島”想法重重一擊。但這還只是修正我們認(rèn)知的第一步。當(dāng)我們細(xì)想這樣一個(gè)令人驚奇的現(xiàn)實(shí)——宇宙物質(zhì)碎片不停地從我們的體內(nèi)穿過，我們就真地開始明白地球和更廣闊的宇宙之間存在著聯(lián)系。這意味著宇宙就在我們身邊。此時(shí)此刻，它正從我們的腦海中掠過。
忽視這些永不停止地、來自于遙遠(yuǎn)天體的物質(zhì)碎片未免愚蠢。雖然它們?nèi)匀皇橇钊速M(fèi)解的迷，但我們認(rèn)識(shí)它們的過程本身就是一個(gè)令人驚嘆的故事。
這幅圖展示了在超新星爆發(fā)中核聚變形成的較重的原子如何衰變成次級(jí)原子。這個(gè)過程常伴隨有宇宙射線的產(chǎn)生。宇宙射線粒子雖然名為射線，卻是攜帶能量的輻射性粒子。由于宇宙射線不是單個(gè)粒子，在與其它物質(zhì)碰撞時(shí)，它們會(huì)碎裂成更小的粒子。甚至還有單個(gè)粒子從原子中脫離出來。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
來自高空的輻射
29歲的物理學(xué)家維克多·赫斯（Victor Hess）最先發(fā)現(xiàn)了宇宙射線。1910年，他拿到奧地利格拉茨大學(xué)的博士學(xué)位時(shí)年僅23歲，是一個(gè)頗有天賦的年輕人。他決定跟隨Paul Drude學(xué)習(xí)，正是后者最先用c表示光速。后來，他的導(dǎo)師自殺了，赫斯則到維也納大學(xué)任教。當(dāng)時(shí)，居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳的消息傳遍了全世界。赫斯開始認(rèn)真研究物理學(xué)最熱門的課題——輻射。他發(fā)現(xiàn)即使附近沒有放射性元素，驗(yàn)電器還是總能探測到帶電粒子。而且，無論怎么對(duì)驗(yàn)電器進(jìn)行絕緣處理也沒用。這個(gè)現(xiàn)象把他迷住了。當(dāng)時(shí)公認(rèn)的解釋是，地球上的礦物質(zhì)發(fā)出周期性輻射，導(dǎo)致驗(yàn)電器有讀數(shù)。若果真如此，把測量儀器放到遠(yuǎn)離地面的高處時(shí)，帶電粒子的數(shù)目應(yīng)該會(huì)減少。
一篇被普遍接受的學(xué)術(shù)論文闡述了這個(gè)想法：假設(shè)地球表面均勻分布著放射性巖石，那么在離地面十米高處（大約三層樓高）輻射量應(yīng)該減小到地面輻射量的83%。在一千米的高空，輻射量應(yīng)該只剩下地面輻射量的0.1%。
可是，一些科學(xué)家卻看到了正好相反的情況。1910年，Theodore Wulf把驗(yàn)電器分別放在（法國巴黎）埃菲爾鐵塔的底部和頂部。他發(fā)現(xiàn)塔頂（離地面三百米高）的電離效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期（如果這個(gè)電離只是由地面輻射引起的話）。
有沒有可能產(chǎn)生這個(gè)電離效應(yīng)的主要源頭在天上，而非地面？赫斯把他的儀器放到一個(gè)熱氣球上，從1911年開始，他在三年的時(shí)間里讓氣球飛上天十次，做了一系列電離效果的測量。每次測量結(jié)果都一樣。隨著氣球升高，輻射強(qiáng)度一開始減小，然后又快速增加。當(dāng)裝置上升到五千米高空時(shí)，儀器的讀數(shù)總是比地面輻射的強(qiáng)度大至少兩倍。赫斯發(fā)表了一篇科學(xué)論文，宣布“有一種穿透力極強(qiáng)的輻射自高空進(jìn)入了我們的大氣層。
赫斯需要收集更多信息，而且他也不是膽怯之輩。為了去除太陽這個(gè)輻射源的影響，他還進(jìn)行了一次危險(xiǎn)的夜間飛行。在夜幕低垂后，他依然測到了很高的讀數(shù)，這一點(diǎn)確定無疑。1912年4月17日發(fā)生了一次近乎完全的日全食（太陽的絕大部分光芒都被月球遮住了），他借機(jī)又把裝置送上了天。輻射強(qiáng)度還是沒有減小。
赫斯沒有辦法，只好在1913年宣布這個(gè)輻射肯定不是太陽發(fā)出的，也不是地球上的巖石產(chǎn)生的，而是來自于太空。十年后，Robert Millikan證實(shí)了赫斯的發(fā)現(xiàn)，并把這種神秘的輻射叫作“宇宙射線”。接下來，赫斯在1936年因?yàn)樗谟钪嫔渚€方面的研究工作而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
赫斯獲獎(jiǎng)之后并沒有停止研究。在受到納粹的威脅后（赫斯的妻子是猶太人），赫斯移民去了美國，成為福特漢姆大學(xué)（Fordham University）的教授。在原子彈轟炸廣島后，他繼續(xù)測量輻射強(qiáng)度，甚至跑到帝國大廈的第八十七層去測量。他在這個(gè)研究領(lǐng)域不斷做出貢獻(xiàn)直至1964年去世。
東-西效應(yīng)
Millikan曾經(jīng)假設(shè)赫斯發(fā)現(xiàn)的高能粒子是一種肉眼看不見的光，可能是伽馬射線。不過，雖然真的探測到了它，Millikan的解釋很快就被證實(shí)是錯(cuò)的。1927年，研究者發(fā)現(xiàn)輻射強(qiáng)度會(huì)隨到赤道的距離變化。如果宇宙射線是一種光，這就無法解釋了。但如果它們被地球的磁場偏折了，這就能說通了。因此，它們必定是某種帶電粒子，而不是光子。
宇宙射線和伽馬射線的產(chǎn)生都與恒星事件有關(guān)。但是，除了名字里都帶有“射線”一詞外，這兩者有著顯著的不同。伽馬射線源自于與原子核有關(guān)的事件（無論發(fā)生在地面還是宇宙中），常常與中子星和黑洞脫不開關(guān)系。伽馬射線是光子，在傳播時(shí)走直線路徑。宇宙射線可能是在超新星中產(chǎn)生的，有處于電離態(tài)的粒子組成，能夠衰變成次級(jí)原子。由于外力可以使它們“轉(zhuǎn)向”，所以很難確定它們的發(fā)源地。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
盡管如此，“射線”這個(gè)詞卻很頑固，直到今天還被廣泛采用。后來，到了1930年，一個(gè)更古怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了?？茖W(xué)家開始注意到從東邊進(jìn)入地球大氣的宇宙射線其強(qiáng)度與從西邊進(jìn)來的不同。這個(gè)“東-西效應(yīng)”指出宇宙射線粒子不僅帶電，帶的還是正電。那意味著絕大多數(shù)粒子是質(zhì)子或者氫原子核。
在二戰(zhàn)即將結(jié)束時(shí)，科學(xué)家們已經(jīng)或多或少地確定了宇宙射線真正的物質(zhì)構(gòu)成。結(jié)論并不怎么有吸引力。宇宙射線粒子有90%是質(zhì)子——?dú)湓雍耍?%是阿爾法粒子（由兩個(gè)質(zhì)子、兩個(gè)中子構(gòu)成的較重的粒子，即氦原子核）。極少一部分是更重元素的原子核，只占整體的1%。所以，宇宙射線的整個(gè)物質(zhì)構(gòu)成與宇宙的物質(zhì)構(gòu)成完全一樣！顯然，有一份非常準(zhǔn)確的宇宙物質(zhì)樣本穩(wěn)定地從各個(gè)方向直沖地球而來，然后在地球磁場的引導(dǎo)下到達(dá)地球。
1%的宇宙射線粒子是電子，這一點(diǎn)非常不可思議。這在當(dāng)時(shí)很令人費(fèi)解，時(shí)至今日依然讓人困惑。太陽既發(fā)射質(zhì)子，也發(fā)射電子，并且宇宙中的質(zhì)子和電子數(shù)目一樣多。為什么宇宙射線粒子有一半都不是電子？它們到底經(jīng)歷過什么？
不僅如此，許多宇宙射線的能量非常高，不可能來自于太陽。所以，天體物理學(xué)家從一開始就假設(shè)絕大多數(shù)的宇宙射線來自于非常遙遠(yuǎn)的超新星爆發(fā)和其它激烈的事件，例如一些星系的中心發(fā)生爆炸、黑洞坍縮。然而，仍有一小部分宇宙射線擁有令人難以置信的、無法解釋的超高能量。
不合理的能量
測量宇宙射線的能量時(shí)使用的單位是兆（百萬）電子伏特或者吉（十億）電子伏特。在一伏特的電勢場加速一個(gè)電子所需要的能量就是一電子伏特。這聽起來好像我們?cè)谟懻撾妶?，但別忘了電場只不過是電子的運(yùn)動(dòng)，所以這么說也合情合理。
太陽發(fā)出的宇宙射線通常比較微弱，除非在像日冕物質(zhì)拋射那樣的大爆發(fā)中太陽把大量物質(zhì)拋向我們。然而，銀河系發(fā)出的宇宙射線其能量大體上要比太陽發(fā)出的射線高多了，介于100兆電子伏特至10吉電子伏特之間。由于宇宙射線粒子有90%都是質(zhì)子，有相同的質(zhì)量（每個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量相當(dāng)于1.836個(gè)電子質(zhì)量），為什么會(huì)有一些質(zhì)子的能量高于其它質(zhì)子呢？
唯一的解釋是它們的運(yùn)動(dòng)速度不同。在談到宇宙射線的能量時(shí)，我們討論的其實(shí)是速度。如果宇宙射線的能量是100兆電子伏特，粒子的運(yùn)動(dòng)速度就必須達(dá)到光速的43%，這個(gè)速度非?？?。但還有許多宇宙射線的能量高達(dá)10吉電子伏特，其對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度是光速的99.6%。
按照常理，快速運(yùn)動(dòng)的物體其破壞性要比慢速物體大。宇宙射線的能量最高可達(dá)1020電子伏特。每個(gè)粒子攜帶的能量與(棒球運(yùn)動(dòng)中)一個(gè)被猛拋出的快球的動(dòng)能差不多，只不過這些能量被壓縮在一個(gè)質(zhì)子大小的作用區(qū)域里！有不少宇宙射線粒子在高層大氣就被散射掉了，但若有一個(gè)粒子到達(dá)地面，它對(duì)我們的基因序列會(huì)有什么影響呢？
宇宙射線在穿過地球大氣層到達(dá)地面的過程中會(huì)發(fā)生越來越多的碰撞，致使射線中的原子碎裂成越來越小的原子。與此同時(shí)，它們的能量也逐漸降低，危害性也隨之減少。當(dāng)大多數(shù)宇宙射線到達(dá)地面時(shí)，它們已經(jīng)對(duì)人畜無害了。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
不健康的食品
如果把每年你都暴露在哪些自然輻射中一一列舉出來，那么有半數(shù)的輻射都來自于地面。有一小部分輻射是從我們自己體內(nèi)發(fā)出的——來自于食物、水或者其它來源（例如香蕉中的鉀40）。還有十分之一的輻射是從高空穿透我們的身體，它們就是宇宙射線。正如赫斯發(fā)現(xiàn)的，離地面越遠(yuǎn)，輻射強(qiáng)度越高。所以，生活在高海拔地區(qū)（例如美國丹佛市）的人們經(jīng)受的輻射量比低海拔地區(qū)高兩倍。
對(duì)那些長時(shí)間待在比珠穆朗瑪峰還高的地方的人來說，情況更糟；飛機(jī)在高空飛行時(shí)，你會(huì)受到更多的輻射。那么，飛行員和機(jī)組人員的情況又如何呢？由于有宇宙射線，他們受到的輻射量是我們的兩倍。這使他們患癌的幾率比一般人高1%。
還有更糟的。那就是從宇宙深空噴發(fā)的一束束強(qiáng)度最高的宇宙射線流。其中大部分通常會(huì)在太陽系的邊界（日球?qū)禹敚┢D(zhuǎn)方向。日球?qū)禹斒菦坝康奶栵L(fēng)從超聲波變到亞超聲波時(shí)形成的激波區(qū)。但是，提供這份動(dòng)力的太陽的能量會(huì)隨著11年太陽周期發(fā)生變化。因此，到達(dá)地球的宇宙射線的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，與太陽黑子數(shù)目的變化呈負(fù)相關(guān)。
當(dāng)太陽活動(dòng)減弱時(shí)（寧靜太陽時(shí)期，大體上就像我們現(xiàn)在所處的這個(gè)自2000年開始的特別階段），這個(gè)激波區(qū)也會(huì)變?nèi)?，保護(hù)屏障漏洞百出。這就是為什么來自于深空的宇宙射線現(xiàn)在正以超出正常水平的高強(qiáng)度流向地球的原因。
在出現(xiàn)特別強(qiáng)烈的太陽耀斑爆發(fā)時(shí)，太陽本身也發(fā)射宇宙射線，飛北極航線的航班就會(huì)遭受額外的輻射轟擊。在這樣的時(shí)期，沒人想當(dāng)宇航員或者未來的火星殖民者。在飛往火星的、為時(shí)半年的旅途中，你會(huì)特別虛弱。一次猛烈的宇宙射線轟擊就能給你造成實(shí)實(shí)在在的傷害。
當(dāng)27名阿波羅號(hào)宇航員（分為三組）在1968年至1972年離開地球時(shí)，他們遇到了人類在那之前或者自那以后都沒有經(jīng)歷過的事。他們到地球磁層（保護(hù)地球的磁場）外去探險(xiǎn)，前途未卜且極為兇險(xiǎn)。每一名宇航員每隔2.9分鐘就會(huì)看見閃光。美國宇航局的物理學(xué)家當(dāng)場提出了一個(gè)理論解釋，后來得到了證實(shí)。能量強(qiáng)勁的宇宙射線在通過宇航員的眼睛時(shí)，在眼球的液體環(huán)境里聚焦形成了這些閃光。
宇宙射線會(huì)是擋路石嗎？
到了二十世紀(jì)四十年代末和五十年代初，人們認(rèn)為宇宙射線會(huì)嚴(yán)重危害在大氣層外活動(dòng)的生物，可能成為載人航天的“路障”。為了找出答案，美國空軍在James Henry上校的指揮下，以David Simons艦長為首，用俘獲的德國V-2火箭首次把果蠅、老鼠、然后是靈長類動(dòng)物送到大氣層的上部。
1948年6月11日，科學(xué)家把第一只猴子送上了天。到1954年，他們已經(jīng)轉(zhuǎn)而用高空氣球做測試了。但人們對(duì)宇宙射線的危害仍不清楚。后來，他們又把一只品種古怪的黑色老鼠送上了天，因?yàn)檩椛鋾?huì)破壞毛皮卵泡里的色素，迅速把毛發(fā)顏色變成白色。
在下一年以及現(xiàn)在的試驗(yàn)對(duì)象是爪哇的猴子。Simons已經(jīng)完成了數(shù)十次測試飛行，動(dòng)物們也都毫發(fā)無損地返回地面。但直至1955年，人們才最終認(rèn)識(shí)到宇宙射線對(duì)未來的宇航員不會(huì)產(chǎn)生致命影響，雖然在那之后也有幾項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)宇航員患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)較高。
永遠(yuǎn)的μ子
在5萬6千米的高空，宇宙射線開始猛烈撞擊空氣分子。它們把原子撞裂，就像把一堆臺(tái)球打散那樣，原子內(nèi)的粒子以接近光速的速度如雨點(diǎn)般墜落地面。在四散而出的物質(zhì)碎片中就有μ子。這些奇異的、壽命較短的粒子既不特別重，也不特別輕。它們的質(zhì)量等于208個(gè)電子的總質(zhì)量。它們的壽命也不長，半衰期只有兩百萬分之一秒。
在漫畫故事里，宇宙射線會(huì)導(dǎo)致變異和變形。真實(shí)情況卻不美妙。絕大多數(shù)宇宙射線在到達(dá)地面時(shí)已經(jīng)減速，不致引起傷害。然而，人們已經(jīng)知道幾個(gè)宇宙射線傷人的事實(shí)了。到地球保護(hù)層外去探險(xiǎn)的阿波羅號(hào)宇航員患心臟病的比例較高。2015年的一項(xiàng)研究指出，子宮癌患病幾率的增加與宇宙射線的活動(dòng)有關(guān)。宇宙射線會(huì)傷害正在發(fā)育的胎兒，增加孕婦日后患子宮癌的風(fēng)險(xiǎn)。宇宙射線還能破壞人類的基因，使長期在太空中活動(dòng)的宇航員患癌癥的幾率增加。阿波羅號(hào)宇航員報(bào)告說即使閉著眼也能看見閃光。這些閃光是宇宙射線轟擊他們的眼球引起的。在他們之中還有人報(bào)告說出現(xiàn)了失明。而在Edmond Hamilton創(chuàng)作的短篇小說《演化后的人類》里，實(shí)驗(yàn)室里暴露在宇宙射線中的生物加速演化，形成了較大的大腦。在1958年的B級(jí)影片《爬行的手》中，宇宙射線使一條宇航員的斷臂被外星生物操縱，并洗劫了一個(gè)小鎮(zhèn)。漫威漫畫公司出版的《神奇四俠》漫畫中，宇宙射線能導(dǎo)致極端的變形，把故事里的一個(gè)人物的皮膚變成類似巖石的物質(zhì)。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY AND LINDA BUCKLIN OF DREAMSTIME）
但在μ子（常被認(rèn)為是宇宙射線）消失之前，如果它們撞到了細(xì)胞核里不該撞的基因片段，將會(huì)帶來危害。2016年在《自然》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，患癌癥的幾率與宇宙射線的活動(dòng)性相關(guān)，而每秒鐘大約有240個(gè)μ子從你的體內(nèi)一閃而過。如果你居住在危險(xiǎn)的丹佛，就會(huì)遭受更多次μ子轟擊，但你若選擇住在地下，或者你正好大部時(shí)間都待在地下停車場里，就沒有一個(gè)μ子會(huì)撞到你。
至于那些能量極高的宇宙射線，我們?nèi)匀徊恢浪鼈兪侨绾潍@得那么快的速度的：它們的來源仍是一個(gè)謎。最近，人們認(rèn)為像NGC 4038和NGC 4039（天線星系）那樣正在并合的星系可能是高能宇宙射線的源頭，但這個(gè)想法本身也存在問題。如今，最有可能的候選者是活動(dòng)星系核（例如M82），有10%的星系內(nèi)部存在這樣的天體。有觀點(diǎn)認(rèn)為在把宇宙射線加速到不可思議的速度和能量方面，超大質(zhì)量黑洞扮演著關(guān)鍵的角色。最近的測量指出，超高能宇宙射線的方向與活躍星系所在的位置存在關(guān)聯(lián)，雖然這些射線幾乎無處不在，我們卻很難下定論。
還有一種想法來自于理論假說：當(dāng)暗物質(zhì)粒子衰變成高速質(zhì)子對(duì)，其中一個(gè)質(zhì)子落入黑洞，另一個(gè)飛入宇宙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生超高能宇宙射線。
也許事實(shí)真是如此。也或者這只不過是絕望又困惑的天文學(xué)家把古怪的事當(dāng)證據(jù)，來證明奇特的事罷了。
當(dāng)你無所事事，決定做些什么的時(shí)候，幾千束宇宙射線正從你的體內(nèi)一閃而過。除非你已決定在地下停車場閑逛得更久一點(diǎn)。
