我們總希望有朝一日奔向遙遠的太空。但在那一天到來之前，還有不少人把宇宙當成“外面的世界”——一個遙遠的、與地球沒有關聯(lián)的獨立個體。的確，就在不久以前，地球還被看作是一個獨一無二的、與外界完全分開的所在。地球上有生命、有水流、有構成細胞的蛋白質、還有大量的氧氣，在已知的宇宙里似乎再沒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知的第一步。當我們細想這樣一個令人驚奇的現(xiàn)實——宇宙物質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、來自于遙遠天體的物質碎片未免愚蠢。雖然它們?nèi)匀皇橇钊速M解的迷，但我們認識它們的過程本身就是一個令人驚嘆的故事。
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原子。這個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粒子，在與其它物質碰撞時，它們會碎裂成更小的粒子。甚至還有單個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的博士學位時年僅23歲，是一個頗有天賦的年輕人。他決定跟隨Paul Drude學習，正是后者最先用c表示光速。后來，他的導師自殺了，赫斯則到維也納大學任教。當時，居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳的消息傳遍了全世界。赫斯開始認真研究物理學最熱門的課題——輻射。他發(fā)現(xiàn)即使附近沒有放射性元素，驗電器還是總能探測到帶電粒子。而且，無論怎么對驗電器進行絕緣處理也沒用。這個現(xiàn)象把他迷住了。當時公認的解釋是，地球上的礦物質發(fā)出周期性輻射，導致驗電器有讀數(shù)。若果真如此，把測量儀器放到遠離地面的高處時，帶電粒子的數(shù)目應該會減少。
一篇被普遍接受的學術論文闡述了這個想法：假設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）輻射量應該減小到地面輻射量的83%。在一千米的高空，輻射量應該只剩下地面輻射量的0.1%。
可是，一些科學家卻看到了正好相反的情況。1910年，Theodore Wulf把驗電器分別放在（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）的電離效果遠遠超過預期（如果這個電離只是由地面輻射引起的話）。
有沒有可能產(chǎn)生這個電離效應的主要源頭在天上，而非地面？赫斯把他的儀器放到一個熱氣球上，從1911年開始，他在三年的時間里讓氣球飛上天十次，做了一系列電離效果的測量。每次測量結果都一樣。隨著氣球升高，輻射強度一開始減小，然后又快速增加。當裝置上升到五千米高空時，儀器的讀數(shù)總是比地面輻射的強度大至少兩倍。赫斯發(fā)表了一篇科學論文，宣布“有一種穿透力極強的輻射自高空進入了我們的大氣層。
赫斯需要收集更多信息，而且他也不是膽怯之輩。為了去除太陽這個輻射源的影響，他還進行了一次危險的夜間飛行。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），他借機又把裝置送上了天。輻射強度還是沒有減小。
赫斯沒有辦法，只好在1913年宣布這個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年因為他在宇宙射線方面的研究工作而獲得了諾貝爾物理學獎。
赫斯獲獎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（Fordham University）的教授。在原子彈轟炸廣島后，他繼續(xù)測量輻射強度，甚至跑到帝國大廈的第八十七層去測量。他在這個研究領域不斷做出貢獻直至1964年去世。
東-西效應
Millikan曾經(jīng)假設赫斯發(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是錯的。1927年，研究者發(fā)現(xiàn)輻射強度會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。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系。伽馬射線是光子，在傳播時走直線路徑。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，能夠衰變成次級原子。由于外力可以使它們“轉向”，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”這個詞卻很頑固，直到今天還被廣泛采用。后來，到了1930年，一個更古怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了?？茖W家開始注意到從東邊進入地球大氣的宇宙射線其強度與從西邊進來的不同。這個“東-西效應”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)粒子是質子或者氫原子核。
在二戰(zhàn)即將結束時，科學家們已經(jīng)或多或少地確定了宇宙射線真正的物質構成。結論并不怎么有吸引力。宇宙射線粒子有90%是質子——氫原子核，9%是阿爾法粒子（由兩個質子、兩個中子構成的較重的粒子，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，宇宙射線的整個物質構成與宇宙的物質構成完全一樣！顯然，有一份非常準確的宇宙物質樣本穩(wěn)定地從各個方向直沖地球而來，然后在地球磁場的引導下到達地球。
1%的宇宙射線粒子是電子，這一點非常不可思議。這在當時很令人費解，時至今日依然讓人困惑。太陽既發(fā)射質子，也發(fā)射電子，并且宇宙中的質子和電子數(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，天體物理學家從一開始就假設絕大多數(shù)的宇宙射線來自于非常遙遠的超新星爆發(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電子所需要的能量就是一電子伏特。這聽起來好像我們在討論電場，但別忘了電場只不過是電子的運動，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，除非在像日冕物質拋射那樣的大爆發(fā)中太陽把大量物質拋向我們。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%都是質子，有相同的質量（每個質子的質量相當于1.836個電子質量），為什么會有一些質子的能量高于其它質子呢？
唯一的解釋是它們的運動速度不同。在談到宇宙射線的能量時，我們討論的其實是速度。如果宇宙射線的能量是100兆電子伏特，粒子的運動速度就必須達到光速的43%，這個速度非?？臁５€有許多宇宙射線的能量高達10吉電子伏特，其對應的運動速度是光速的99.6%。
按照常理，快速運動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1020電子伏特。每個粒子攜帶的能量與(棒球運動中)一個被猛拋出的快球的動能差不多，只不過這些能量被壓縮在一個質子大小的作用區(qū)域里！有不少宇宙射線粒子在高層大氣就被散射掉了，但若有一個粒子到達地面，它對我們的基因序列會有什么影響呢？
宇宙射線在穿過地球大氣層到達地面的過程中會發(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，它們的能量也逐漸降低，危害性也隨之減少。當大多數(shù)宇宙射線到達地面時，它們已經(jīng)對人畜無害了。（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，輻射強度越高。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。
對那些長時間待在比珠穆朗瑪峰還高的地方的人來說，情況更糟；飛機在高空飛行時，你會受到更多的輻射。那么，飛行員和機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)的一束束強度最高的宇宙射線流。其中大部分通常會在太陽系的邊界（日球層頂）偏轉方向。日球層頂是洶涌的太陽風從超聲波變到亞超聲波時形成的激波區(qū)。但是，提供這份動力的太陽的能量會隨著11年太陽周期發(fā)生變化。因此，到達地球的宇宙射線的強度也會發(fā)生變化，與太陽黑子數(shù)目的變化呈負相關。
當太陽活動減弱時（寧靜太陽時期，大體上就像我們現(xiàn)在所處的這個自2000年開始的特別階段），這個激波區(qū)也會變?nèi)?，保護屏障漏洞百出。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度流向地球的原因。
在出現(xiàn)特別強烈的太陽耀斑爆發(fā)時，太陽本身也發(fā)射宇宙射線，飛北極航線的航班就會遭受額外的輻射轟擊。在這樣的時期，沒人想當宇航員或者未來的火星殖民者。在飛往火星的、為時半年的旅途中，你會特別虛弱。一次猛烈的宇宙射線轟擊就能給你造成實實在在的傷害。
當27名阿波羅號宇航員（分為三組）在1968年至1972年離開地球時，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（保護地球的磁場）外去探險，前途未卜且極為兇險。每一名宇航員每隔2.9分鐘就會看見閃光。美國宇航局的物理學家當場提出了一個理論解釋，后來得到了證實。能量強勁的宇宙射線在通過宇航員的眼睛時，在眼球的液體環(huán)境里聚焦形成了這些閃光。
宇宙射線會是擋路石嗎？
到了二十世紀四十年代末和五十年代初，人們認為宇宙射線會嚴重危害在大氣層外活動的生物，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、然后是靈長類動物送到大氣層的上部。
1948年6月11日，科學家把第一只猴子送上了天。到1954年，他們已經(jīng)轉而用高空氣球做測試了。但人們對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，因為輻射會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)在的試驗對象是爪哇的猴子。Simons已經(jīng)完成了數(shù)十次測試飛行，動物們也都毫發(fā)無損地返回地面。但直至1955年，人們才最終認識到宇宙射線對未來的宇航員不會產(chǎn)生致命影響，雖然在那之后也有幾項研究發(fā)現(xiàn)宇航員患癌癥的風險較高。
永遠的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，就像把一堆臺球打散那樣，原子內(nèi)的粒子以接近光速的速度如雨點般墜落地面。在四散而出的物質碎片中就有μ子。這些奇異的、壽命較短的粒子既不特別重，也不特別輕。它們的質量等于208個電子的總質量。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，宇宙射線會導致變異和變形。真實情況卻不美妙。絕大多數(shù)宇宙射線在到達地面時已經(jīng)減速，不致引起傷害。然而，人們已經(jīng)知道幾個宇宙射線傷人的事實了。到地球保護層外去探險的阿波羅號宇航員患心臟病的比例較高。2015年的一項研究指出，子宮癌患病幾率的增加與宇宙射線的活動有關。宇宙射線會傷害正在發(fā)育的胎兒，增加孕婦日后患子宮癌的風險。宇宙射線還能破壞人類的基因，使長期在太空中活動的宇航員患癌癥的幾率增加。阿波羅號宇航員報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，實驗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，宇宙射線能導致極端的變形，把故事里的一個人物的皮膚變成類似巖石的物質。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY AND LINDA BUCKLIN OF DREAMSTIME）
但在μ子（常被認為是宇宙射線）消失之前，如果它們撞到了細胞核里不該撞的基因片段，將會帶來危害。2016年在《自然》雜志發(fā)表的一項研究顯示，患癌癥的幾率與宇宙射線的活動性相關，而每秒鐘大約有240個μ子從你的體內(nèi)一閃而過。如果你居住在危險的丹佛，就會遭受更多次μ子轟擊，但你若選擇住在地下，或者你正好大部時間都待在地下停車場里，就沒有一個μ子會撞到你。
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謎。最近，人們認為像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，但這個想法本身也存在問題。如今，最有可能的候選者是活動星系核（例如M82），有10%的星系內(nèi)部存在這樣的天體。有觀點認為在把宇宙射線加速到不可思議的速度和能量方面，超大質量黑洞扮演著關鍵的角色。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：當暗物質粒子衰變成高速質子對，其中一個質子落入黑洞，另一個飛入宇宙時，就會產(chǎn)生超高能宇宙射線。
也許事實真是如此。也或者這只不過是絕望又困惑的天文學家把古怪的事當證據(jù)，來證明奇特的事罷了。
當你無所事事，決定做些什么的時候，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。
