專欄
作者：苗千
“有兩樣東西，人們越是經常持久地對之凝神思索，內心就越是充滿常新而日增的驚奇和敬畏：我頭頂的星空和我心中的道德律。”刻在康德的墓碑上的這句話，人們早就不感到陌生，它描述了人類生活於其中的精神與客觀世界。
人類自從蒙昧之初就對頭頂上的星空充滿好奇，而星空映射在人的心底而形成了道德律。人類渴望探尋星空，卻至今仍難以走出自己的家園。但是人類並不孤獨，因為地球無時無刻不在接受著來自遙遠星空的信息，如同一封封來自遠方的信，這就是宇宙射線。
20世紀初，法國科學家亨利·貝克勒爾（Henri Becquerel）發現了某些物質的天然放射性，他發現放射性物質發射的帶電粒子可以使當時流行的一種叫做驗電器（Electroscope）的可以帶電的儀器逐漸放電，因此驗電器也就成為當時研究放射性現象的標準儀器。但物理學家們發現，即使周圍沒有放射性物質的存在，帶有電荷的驗電器仍然會逐漸放電，當時的科學家們認為這是由於某種“背景輻射”造成的。這個現象引起了奧地利物理學家維克多·赫斯（Victor.F.Hess）的注意。在1912年，他準備了氧氣，坐著氫氣球，親自升上高空用驗電器測量不同高度的“背景輻射”。他發現在海拔2000米之內，輻射程度變化不大（這是因為地球自身也存在一定的放射性），但是在高於2000米以後，輻射量就會隨高度逐漸增大，在海拔高於5000米之後輻射更是急劇增大。根據這份冒著生命危險得來的數據，赫斯在一篇文章中寫道：“對於這種具有高能量和穿透性的輻射，最可能的解釋就是它來自我們頭頂的太空。”這句話標誌著人類發現了宇宙射線，而赫斯也因為這項富於勇氣和探索精神的研究獲得了1936年的諾貝爾物理學獎。幾乎與赫斯同時代的科學家密立根（Robert Millikan），在當時對此卻有不同的看法，他用類似的方法在氫氣球上測量輻射，卻發現在同等高度上，歐洲上空的輻射是美國得克薩斯州輻射的4倍，由此他認為這種輻射是由地球而來。後來科學家們才了解這種差別是由於歐洲和得克薩斯州的緯度差異，地磁場強度不同造成的。直到密立根在同一緯度的不同高度進行測量，才真正相信這些帶電粒子來自於太空，他也在1926年正式命名這些來自太空的粒子為“宇宙射線”。
雖然還有很多人認為宇宙射線是指宇宙中射向地球的高能量的光子，比如X射線和γ射線（“宇宙射線”這個名字在命名之初就有很強的誤導性），現在大多數科學家都認為宇宙射線隻是指接近光速的高能量的粒子。在宇宙中旅行時，這些攜帶著遠方信息的粒子經過不斷的碰撞和加速，逐漸變為最基本的亞原子粒子，因此宇宙射線中大概87％的成分是質子，還有10％的氦原子核，1％的重原子核，還包含有大多來自太陽的電子。
宇宙射線是地球為數不多的可以和外太空進行物質交換的機會之一，科學家們希望可以通過宇宙射線來研究太陽和星係的組成，並且還要探求在銀河係的深處發生了什麼。地球上的物質有些也正是來源於太空，我們血液中的某一個鐵原子可能就來源於十幾億年前宇宙中的一次超新星爆發。但是這些來自太空的信息並非都是吉兆，如果不是有大氣層的保護，這些無時無刻不在轟炸地球的宇宙射線能給人類帶來大麻煩。這些亞原子粒子在宇宙中可以被加速到光速的0.9999999999，具有難以想象的高能量，最大能量的宇宙射線相當於以時速每小時100英裏飛行的棒球的能量。正是濃厚的大氣層保護了地球，使這些高能粒子在進入地球時發生散射，碰撞成為其他粒子並且能量也大為降低。而因為來自宇宙空間的粒子帶有人類難以實現的高能量（遠遠高於目前地球上粒子加速器能夠達到的最大能量），它們與大氣層中的粒子碰撞時，可能會產生人類未知的基本粒子，因此宇宙射線也成為粒子物理學家的興趣之所在，正電子、mu介子和pi介子都是科學家們在研究宇宙射線時首先發現的。
當人們離開了大氣層的保護時，宇宙射線便開始變得令人恐懼，有的宇航員說自己在太空中即使閉上眼睛也能看到光亮，就是因為高能宇宙射線直接在宇航員的眼球中形成光而被視網膜感受到，也就是切倫科夫輻射。宇宙射線會對宇航員的健康有很大的影響，長時間暴露在宇宙射線下會使宇航員容易得白內障和癌症。《輻射研究》（Radiation Research）雜誌在2011年4月份的一篇論文中又證明，宇宙射線也對人類的心血管有害，長期暴露在宇宙射線下容易患動脈硬化，這也成為計劃中的火星旅行的一大障礙——一趟火星旅行可能會需要幾個月的時間，宇航員們很容易患上各種疾病。出於同樣的道理，生活在高海拔地區，或是經常坐飛機旅行的人，因為缺少大氣層的保護也會受到宇宙射線的威脅。如此說來，在有些神話故事中，一些神仙人物在空中遨遊的時候都會騰雲駕霧，倒也有些“科學依據”——有一個包裹身體的大氣層，可以幫助阻擋宇宙中對人體有害的高能粒子，使它們不至於直接給身體帶來損害。