来自远方的信

( 亨利·贝克勒尔（左）与居里夫妇。因发现天然放射性，贝克勒尔与居里夫妇共同获得了1903年度诺贝尔物理学奖 )

人类自从蒙昧之初就对头顶上的星空充满好奇，而星空映射在人的心底而形成了道德律。人类渴望探寻星空，却至今仍难以走出自己的家园。但是人类并不孤独，因为地球无时无刻不在接受着来自遥远星空的信息，如同一封封来自远方的信，这就是宇宙射线。

20世纪初，法国科学家亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）发现了某些物质的天然放射性，他发现放射性物质发射的带电粒子可以使当时流行的一种叫做验电器（Electroscope）的可以带电的仪器逐渐放电，因此验电器也就成为当时研究放射性现象的标准仪器。但物理学家们发现，即使周围没有放射性物质的存在，带有电荷的验电器仍然会逐渐放电，当时的科学家们认为这是由于某种“背景辐射”造成的。这个现象引起了奥地利物理学家维克多·赫斯（Victor.F.Hess）的注意。在1912年，他准备了氧气，坐着氢气球，亲自升上高空用验电器测量不同高度的“背景辐射”。他发现在海拔2000米之内，辐射程度变化不大（这是因为地球自身也存在一定的放射性），但是在高于2000米以后，辐射量就会随高度逐渐增大，在海拔高于5000米之后辐射更是急剧增大。根据这份冒着生命危险得来的数据，赫斯在一篇文章中写道：“对于这种具有高能量和穿透性的辐射，最可能的解释就是它来自我们头顶的太空。”这句话标志着人类发现了宇宙射线，而赫斯也因为这项富于勇气和探索精神的研究获得了1936年的诺贝尔物理学奖。几乎与赫斯同时代的科学家密立根（Robert Millikan），在当时对此却有不同的看法，他用类似的方法在氢气球上测量辐射，却发现在同等高度上，欧洲上空的辐射是美国得克萨斯州辐射的4倍，由此他认为这种辐射是由地球而来。后来科学家们才了解这种差别是由于欧洲和得克萨斯州的纬度差异，地磁场强度不同造成的。直到密立根在同一纬度的不同高度进行测量，才真正相信这些带电粒子来自于太空，他也在1926年正式命名这些来自太空的粒子为“宇宙射线”。

虽然还有很多人认为宇宙射线是指宇宙中射向地球的高能量的光子，比如X射线和γ射线（“宇宙射线”这个名字在命名之初就有很强的误导性），现在大多数科学家都认为宇宙射线只是指接近光速的高能量的粒子。在宇宙中旅行时，这些携带着远方信息的粒子经过不断的碰撞和加速，逐渐变为最基本的亚原子粒子，因此宇宙射线中大概87%的成分是质子，还有10%的氦原子核，1%的重原子核，还包含有大多来自太阳的电子。

宇宙射线是地球为数不多的可以和外太空进行物质交换的机会之一，科学家们希望可以通过宇宙射线来研究太阳和星系的组成，并且还要探求在银河系的深处发生了什么。地球上的物质有些也正是来源于太空，我们血液中的某一个铁原子可能就来源于十几亿年前宇宙中的一次超新星爆发。但是这些来自太空的信息并非都是吉兆，如果不是有大气层的保护，这些无时无刻不在轰炸地球的宇宙射线能给人类带来大麻烦。这些亚原子粒子在宇宙中可以被加速到光速的0.9999999999，具有难以想象的高能量，最大能量的宇宙射线相当于以时速每小时100英里飞行的棒球的能量。正是浓厚的大气层保护了地球，使这些高能粒子在进入地球时发生散射，碰撞成为其他粒子并且能量也大为降低。而因为来自宇宙空间的粒子带有人类难以实现的高能量（远远高于目前地球上粒子加速器能够达到的最大能量），它们与大气层中的粒子碰撞时，可能会产生人类未知的基本粒子，因此宇宙射线也成为粒子物理学家的兴趣之所在，正电子、mu介子和pi介子都是科学家们在研究宇宙射线时首先发现的。

当人们离开了大气层的保护时，宇宙射线便开始变得令人恐惧，有的宇航员说自己在太空中即使闭上眼睛也能看到光亮，就是因为高能宇宙射线直接在宇航员的眼球中形成光而被视网膜感受到，也就是切伦科夫辐射。宇宙射线会对宇航员的健康有很大的影响，长时间暴露在宇宙射线下会使宇航员容易得白内障和癌症。《辐射研究》（Radiation Research）杂志在2011年4月份的一篇论文中又证明，宇宙射线也对人类的心血管有害，长期暴露在宇宙射线下容易患动脉硬化，这也成为计划中的火星旅行的一大障碍——一趟火星旅行可能会需要几个月的时间，宇航员们很容易患上各种疾病。出于同样的道理，生活在高海拔地区，或是经常坐飞机旅行的人，因为缺少大气层的保护也会受到宇宙射线的威胁。如此说来，在有些神话故事中，一些神仙人物在空中遨游的时候都会腾云驾雾，倒也有些“科学依据”——有一个包裹身体的大气层，可以帮助阻挡宇宙中对人体有害的高能粒子，使它们不至于直接给身体带来损害。

宇宙射线与人类之间的联系远不止于此，它像是地球与宇宙其他部分的一个纽带，对我们每一天的生活都会产生微妙的影响。它可以逐渐改变岩石和土壤的化学成分，在现在电脑芯片越来越小的情况下，它甚至可能使电脑出现无法逆转的错误。但是科学家们直到现在也不能完全理解宇宙射线是如何被加速到如此高的能量——有可能是来自于超新星爆发产生的高能量，也可能是来自于未知的超大黑洞；科学家们甚至还不知道宇宙射线是从哪里来——青鸟殷勤，带来远方的信件，但是当收到来自太空的信件时，却早已不知道它们的来处。这些带电粒子在宇宙中旅行时并非是直线，而是被各种磁场不停地改变方向，因此轰击地球的宇宙射线是从各个方向一刻不停地轰击地球，只有一些超高能量宇宙射线（UHECR）受到的磁场影响较小，科学家们依稀可以由此判断来处。

无缘走出地球的科学家们根据降临的宇宙射线提出了很多理论，其中最著名的大概就是丹麦科学家亨里克·斯文斯马克（Hendrik Svensmark）提出的宇宙射线使地球变暖的理论，他认为地球自从20世纪70年代以来显著变暖是由于宇宙射线的变化，而不是因为人类排放了过量的二氧化碳。他说是宇宙射线的强度决定地球的云层和温度，地球温度升高只是因为近几十年来太阳活动减弱造成的。这个理论马上遭到了很多科学家的一致反对，根据英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的研究表明，太阳发射的宇宙射线与地球上云层的变化只有很弱的联系，人类活动对于地球温度的影响要远远大于宇宙射线对于地球的影响——对于地球的气候变化，人类没有任何借口，负有不可推卸的责任。

宇宙射线也有令人意想不到的作用。美国佛罗里达一个实验室的科学家们发现，因为宇宙射线一直稳定地存在，它天然地成为用来测量雷雨的最好的工具。狂野并且危险的雷雨可以产生出极大的电场，产生火花并且形成闪电，但是产生闪电的源头人们却一直难以弄清楚。这个源头太小，位置难以确定，通过气球或是飞行器都难于探清，这时，始终均匀下落的宇宙高能粒子就成了一个极佳的探索工具。科学家们正在试图利用在雷雨中宇宙射线的射电脉冲来计算雷雨的电场，从而确定闪电的源头。

《新科学家》（New Scientist）杂志最近报道的关于宇宙射线的新发现则有一些科幻色彩：在地球的外层磁场附近，环绕着大批的正质子，高宇宙射线轰击地球外层的大气层时有可能形成反质子，而这些反质子被地球的磁场束缚住，就沿着由地球磁场产生的范·艾伦辐射带盘旋，这是地球周围聚集着最多反质子的地方。来自欧洲核子中心的科学家劳尔夫·兰杜尔（Rolf Landua）饶有兴趣地发现，地球束缚反质子的方式与科学家们在实验室中束缚反质子的方式如出一辙；而意大利科学家亚历山大·布鲁诺（Alessandro Bruno）则开始幻想，在未来人类的宇宙飞船突破大气层之后可以在此停留，然后收集反质子作为飞船太空旅行的燃料。

这些来自未知的粒子给人类带来了宇宙的信息和无限的遐想，也因为其高能量和难于预料而让人类充满恐惧。当我们对宇宙射线的了解越来越深，我们也就能更加了解，在茫茫宇宙中我们拥有地球这样一个安全而舒适的家园是多么的幸运，不能不让人生出“唯怜一灯影，万里眼中明”的感慨来。■（文 / 苗千） 来自远方