鮑福黎

這種高能粒子流就在我們的周?chē)鼈儠?huì)對(duì)我們產(chǎn)生何種影響？

目前，我們常認(rèn)為，太空很遙遠(yuǎn)，但它其實(shí)與我們緊密相連：就在此時(shí)此刻，來(lái)自太空深處的“碎片”正不斷地穿過(guò)我們的身體。這些“碎片”就是宇宙射線(xiàn)帶來(lái)的。

來(lái)自高空的輻射

1912年，一位奧地利物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙射線(xiàn)，他就是維克托·弗朗西斯·赫斯。

一個(gè)了不起的事情是，他在1905年獲得了奧地利格拉茨大學(xué)的博士學(xué)位，當(dāng)時(shí)他只有23歲。之后，他接受了來(lái)自維也納大學(xué)的教學(xué)職務(wù)。那時(shí)，居里夫人發(fā)現(xiàn)了鐳，這對(duì)科學(xué)界產(chǎn)生了很大影響。于是，赫斯決定去研究物理學(xué)中最熱門(mén)的課題：輻射。他著迷于當(dāng)時(shí)一個(gè)尚未解決的問(wèn)題：一個(gè)隔離好的驗(yàn)電器，即使周?chē)鷽](méi)有任何輻射源，它也會(huì)時(shí)常地檢測(cè)到電荷。一個(gè)合理的推測(cè)是，地球上的礦物會(huì)產(chǎn)生電離輻射，導(dǎo)致了驗(yàn)電器有了電荷。如果是這樣的話(huà)，那么在離地面較高的地方，驗(yàn)電器的讀數(shù)就會(huì)減少。

根據(jù)上面的推測(cè)，科學(xué)家們認(rèn)為，假設(shè)地表礦物產(chǎn)生的電離輻射是均勻分布的，那么升高10米后，輻射量就會(huì)變?yōu)榈乇磔椛涞?3%。在離地面1000米的高空，輻射量應(yīng)該只有地表輻射的0.1%。

但事實(shí)正好與推算的相反。1910年，法國(guó)的科學(xué)家西奧多·沃爾夫用驗(yàn)電器在埃菲爾鐵塔的底部和頂部進(jìn)行了測(cè)量。他發(fā)現(xiàn)，在頂部（離地約300米高）測(cè)得的電離輻射更多。

那么，電離輻射的來(lái)源是否會(huì)是來(lái)自天空而不是大地呢？從1911年起，赫斯在3年里帶著他的儀器乘著熱氣球進(jìn)行了10次升空檢測(cè)。隨著熱氣球的升高，他發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的輻射量會(huì)急速地上升。當(dāng)他抵達(dá)5000米的高空時(shí)，讀數(shù)竟然是地表檢測(cè)到的2倍多。之后，他發(fā)表論文，宣布發(fā)現(xiàn)了一種來(lái)自于大氣層之外的有很強(qiáng)穿透力的輻射。

赫斯需要更多的數(shù)據(jù)。他曾冒險(xiǎn)地進(jìn)行了一次夜間升空，檢測(cè)到的輻射量與白天的沒(méi)有差別。赫斯還在1912年4月17日進(jìn)行過(guò)一次升空。那天，發(fā)生了日食，太陽(yáng)大部分光芒都被月球擋住了。但他檢測(cè)到的輻射量卻沒(méi)有發(fā)生衰減。這就基本就排除了輻射來(lái)源是太陽(yáng)的可能。

于是，赫斯在1913年宣布，輻射不是來(lái)自太陽(yáng)，也不是來(lái)自地球的礦物，而是來(lái)自宇宙深空。十幾年后，赫斯的發(fā)現(xiàn)被美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·密立根所證實(shí)，而“宇宙射線(xiàn)”這個(gè)名詞就是由密立根首次提出的。1936年，因宇宙射線(xiàn)的研究工作，赫斯獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“東-西效應(yīng)”

密立根最初認(rèn)為，赫斯檢測(cè)的輻射可能是伽馬射線(xiàn)，但隨后他的假設(shè)被證明是錯(cuò)誤的。1927年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙射線(xiàn)的強(qiáng)度，會(huì)隨著觀(guān)測(cè)地緯度的多少而發(fā)生變化：赤道的輻射強(qiáng)度最低，兩極的輻射強(qiáng)度最高。如果宇宙射線(xiàn)會(huì)受到地球磁場(chǎng)的影響，那么就很容易解釋這個(gè)現(xiàn)象：因?yàn)榈厍虻膬蓸O磁場(chǎng)最強(qiáng)，帶電粒子容易吸引到兩極附近。所以，它們可能是一種帶電的粒子，而不是某種光子。

1930年，科學(xué)家們還檢測(cè)到，從西邊來(lái)的宇宙射線(xiàn)，其強(qiáng)度比從東邊來(lái)的要多。這是因?yàn)槭艿降厍虼艌?chǎng)的影響，帶電的射線(xiàn)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)高中物理課本中學(xué)到的左手定則（判斷帶電粒子在磁場(chǎng)中的受力方向的定則），帶正電的更容易從西邊入射過(guò)來(lái)，帶負(fù)電的更容易從東邊入射過(guò)來(lái)。上面這種被叫做“東-西效應(yīng)”的現(xiàn)象說(shuō)明，宇宙射線(xiàn)不僅帶電，而且大部分是帶正電。這意味著它們大多數(shù)是質(zhì)子或原子核。

到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，科學(xué)家們基本上已經(jīng)搞清楚了宇宙射線(xiàn)的組成，還發(fā)現(xiàn)從各個(gè)方向抵達(dá)地球的宇宙射線(xiàn)強(qiáng)度是均等的。

大致上，原子核構(gòu)成了宇宙射線(xiàn)的99%。這其中，約90%是質(zhì)子，即氫原子核；約9%是阿爾法粒子，即氦原子核，由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成；剩下的1%，則是更重元素的原子核。事實(shí)上，宇宙射線(xiàn)中各種元素的構(gòu)成比例，與宇宙本身的完全相同！

既然構(gòu)成宇宙射線(xiàn)的99%是原子核，那么剩下的1%呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這1%絕大部分是普通的電子，而這個(gè)令科學(xué)家感到奇怪。宇宙各處，基本上有多少質(zhì)子，就有多少電子。那么，宇宙射線(xiàn)中為什么電子沒(méi)有占到一半呢？這個(gè)問(wèn)題到目前都無(wú)法回答。

極高的能量

許多宇宙射線(xiàn)都有著極高的能量，它們不可能來(lái)自于太陽(yáng)系內(nèi)。太陽(yáng)的輻射通常很弱，除非發(fā)生了劇烈的活動(dòng)，例如出現(xiàn)了日冕物質(zhì)拋射——太陽(yáng)在幾分鐘至幾小時(shí)內(nèi)向外拋射出一團(tuán)日冕物質(zhì)，輻射粒子的能量可達(dá)數(shù)兆電子伏。即便如此，宇宙射線(xiàn)也比太陽(yáng)的強(qiáng)很多，能量會(huì)在100兆電子伏至10千兆電子伏特之間。

天文學(xué)家們認(rèn)為，宇宙射線(xiàn)可能來(lái)自發(fā)生在遙遠(yuǎn)太空中的暴力天文學(xué)事件，例如超新星爆發(fā)等。然而，仍有一部分宇宙射線(xiàn)的能量高得難以置信，很難對(duì)其做出合理的解釋。

當(dāng)我們談?wù)撚钪嫔渚€(xiàn)的能量時(shí)，我們其實(shí)就是在談?wù)撍鼈兊乃俣取Ｈ绻皇钪嫔渚€(xiàn)的能量有100兆電子伏，那么就意味著它的速度大致為光速的43%，這是極為快速的。然而，許多宇宙射線(xiàn)的能量都達(dá)到了10千兆電子伏特，這意味著它們的速度達(dá)到了光速的99.6%。

這些超高能的宇宙射線(xiàn)，我們?nèi)匀徊恢浪鼈儻偪竦乃俣仁菑哪睦锏脕?lái)的。天文學(xué)家們?cè)J(rèn)為，一些碰撞星系，比如位于烏鴉座的觸須星系，是這些宇宙射線(xiàn)的來(lái)源，但經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)它們產(chǎn)生的能量仍不夠高。今天，活動(dòng)星系核則被認(rèn)為是最有可能的來(lái)源。宇宙中有10%的星系，其核心處于活躍狀態(tài)?；顒?dòng)星系核中存在著超大質(zhì)量黑洞，能把圍繞它們的粒子加速到驚人的速度并拋射出去。

另一個(gè)大膽想法是，神秘的暗物質(zhì)粒子會(huì)衰變?yōu)橐粚?duì)高能質(zhì)子，其中一個(gè)落入黑洞中，而另一個(gè)則會(huì)在整個(gè)宇宙中穿行，于是，這樣的質(zhì)子就成為了超高能宇宙射線(xiàn)。

我們無(wú)時(shí)不在宇宙射線(xiàn)雨中

一個(gè)常識(shí)是，運(yùn)動(dòng)更快的東西通常會(huì)產(chǎn)生更大的破壞力。不過(guò)，射進(jìn)地球大氣的宇宙射線(xiàn)在穿過(guò)大氣層時(shí)，會(huì)不斷地與空氣中所含的分子相撞。相撞會(huì)產(chǎn)生更小的原子和其他粒子，產(chǎn)生的“碎屑”會(huì)以近光速向地面傾瀉下來(lái)，如同下雨一樣。但當(dāng)它們逐漸接近地表時(shí)，其能量會(huì)逐漸降低。抵達(dá)地面的宇宙射線(xiàn)，對(duì)人以及其他所有的生命都不會(huì)帶來(lái)顯著的傷害。

在這些碎屑中，有一種粒子叫做μ子。μ子是一種帶負(fù)電的基本粒子，質(zhì)量大約是電子的208倍。研究顯示，每秒鐘就有約240個(gè)μ子通過(guò)你的身體。μ子等來(lái)自輻射的粒子如果跑進(jìn)了細(xì)胞核里的話(huà)，可能會(huì)對(duì)里面的遺傳物質(zhì)產(chǎn)生傷害。2016年，發(fā)表在《自然》雜志的一項(xiàng)研究顯示，癌癥發(fā)病率和宇宙射線(xiàn)活動(dòng)之間的確存在一定的聯(lián)系。

不過(guò)，正常情況下，人每年遭受到的自然輻射，大約只有1/10是來(lái)自于宇宙射線(xiàn)。剩下的自然輻射，則來(lái)自于空氣、大地以及食物。而那些生活在高海拔地區(qū)的人，則會(huì)暴露于更多的宇宙射線(xiàn)之下。但是如果你選擇住在地下，那么絕大部分來(lái)自宇宙射線(xiàn)的粒子都打不到你身上。

我們坐飛機(jī)時(shí)，就會(huì)遭受到額外的宇宙射線(xiàn)。那么，那些飛行員和機(jī)組人員的健康會(huì)受到哪些影響？調(diào)查表明，他們?cè)馐艿降妮椛涫瞧渌说膬杀抖?，因輻射患癌的概率?huì)比常人高出約1%。

宇宙射線(xiàn)會(huì)葬送太空夢(mèng)？

上世紀(jì)四五十年代，許多人都擔(dān)心，升到高空后，任何生物可能都無(wú)法承受過(guò)多的宇宙射線(xiàn)，這很可能會(huì)阻擋人飛往太空的步伐。為了探究是否真的如此，當(dāng)時(shí)的美國(guó)空軍用德國(guó)的V-2火箭把一些動(dòng)物送到了地球的外層大氣。最初送上去的是果蠅和老鼠這樣的動(dòng)物，之后，研究人員就把靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物送到了外層大氣。

1948年6月11日，猴子第一次進(jìn)入外層大氣。1954年，研究人員開(kāi)始使用高空氣球來(lái)進(jìn)行測(cè)試。進(jìn)行了幾十次的試飛，動(dòng)物們都安然無(wú)恙地返回地球。1955年，研究人員終于確認(rèn)，宇宙射線(xiàn)對(duì)于未來(lái)的宇航員是非致命的，盡管一些研究已表明宇宙射線(xiàn)會(huì)增加宇航員罹患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。

從1968年到1972年，阿波羅登月計(jì)劃進(jìn)行的過(guò)程中，參與登月的宇航員們體驗(yàn)到了以前從未有過(guò)的經(jīng)歷——他們冒著風(fēng)險(xiǎn)，離開(kāi)了地球磁場(chǎng)的保護(hù)。結(jié)果卻是意想不到的，甚至是奇特的。每個(gè)宇航員在每隔2.9分鐘時(shí)就會(huì)在他的視野中看到閃光。美國(guó)宇航局的醫(yī)生當(dāng)時(shí)就提出了一個(gè)解釋?zhuān)髞?lái)也被證實(shí)了：這種閃光是強(qiáng)大的宇宙射線(xiàn)穿過(guò)宇航員眼球時(shí)產(chǎn)生的。

此時(shí)，當(dāng)你閱讀本文試圖理解宇宙射線(xiàn)時(shí)，已經(jīng)有數(shù)千個(gè)來(lái)自宇宙射線(xiàn)的粒子穿過(guò)了你的身體。除非，你愿意跑到地下商場(chǎng)那里，來(lái)暫時(shí)地躲避它們。endprint