沐浴在宇宙射線下

鮑福黎

這種高能粒子流就在我們的周圍，它們會對我們產(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：就在此時此刻，來自太空深處的“碎片”正不斷地穿過我們的身體。這些“碎片”就是宇宙射線帶來的。

來自高空的輻射

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

一個了不起的事情是，他在1905年獲得了奧地利格拉茨大學(xué)的博士學(xué)位，當(dāng)時他只有23歲。之后，他接受了來自維也納大學(xué)的教學(xué)職務(wù)。那時，居里夫人發(fā)現(xiàn)了鐳，這對科學(xué)界產(chǎn)生了很大影響。于是，赫斯決定去研究物理學(xué)中最熱門的課題：輻射。他著迷于當(dāng)時一個尚未解決的問題：一個隔離好的驗(yàn)電器，即使周圍沒有任何輻射源，它也會時常地檢測到電荷。一個合理的推測是，地球上的礦物會產(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，那么在離地面較高的地方，驗(yàn)電器的讀數(shù)就會減少。

根據(jù)上面的推測，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)行了測量。他發(fā)現(xiàn)，在頂部（離地約300米高）測得的電離輻射更多。

那么，電離輻射的來源是否會是來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。隨著熱氣球的升高，他發(fā)現(xiàn)檢測到的輻射量會急速地上升。當(dāng)他抵達(dá)5000米的高空時，讀數(shù)竟然是地表檢測到的2倍多。之后，他發(fā)表論文，宣布發(fā)現(xiàn)了一種來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)。他曾冒險地進(jìn)行了一次夜間升空，檢測到的輻射量與白天的沒有差別。赫斯還在1912年4月17日進(jìn)行過一次升空。那天，發(fā)生了日食，太陽大部分光芒都被月球擋住了。但他檢測到的輻射量卻沒有發(fā)生衰減。這就基本就排除了輻射來源是太陽的可能。

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

“東-西效應(yīng)”

密立根最初認(rèn)為，赫斯檢測的輻射可能是伽馬射線，但隨后他的假設(shè)被證明是錯誤的。1927年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙射線的強(qiáng)度，會隨著觀測地緯度的多少而發(fā)生變化：赤道的輻射強(qiáng)度最低，兩極的輻射強(qiáng)度最高。如果宇宙射線會受到地球磁場的影響，那么就很容易解釋這個現(xiàn)象：因?yàn)榈厍虻膬蓸O磁場最強(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)家們還檢測到，從西邊來的宇宙射線，其強(qiáng)度比從東邊來的要多。這是因?yàn)槭艿降厍虼艌龅挠绊?，帶電的射線會發(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中的受力方向的定則），帶正電的更容易從西邊入射過來，帶負(fù)電的更容易從東邊入射過來。上面這種被叫做“東-西效應(yīng)”的現(xiàn)象說明，宇宙射線不僅帶電，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，科學(xué)家們基本上已經(jīng)搞清楚了宇宙射線的組成，還發(fā)現(xiàn)從各個方向抵達(dá)地球的宇宙射線強(qiáng)度是均等的。

大致上，原子核構(gòu)成了宇宙射線的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，由兩個質(zhì)子和兩個中子構(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，宇宙射線中為什么電子沒有占到一半呢？這個問題到目前都無法回答。

極高的能量

許多宇宙射線都有著極高的能量，它們不可能來自于太陽系內(nèi)。太陽的輻射通常很弱，除非發(fā)生了劇烈的活動，例如出現(xiàn)了日冕物質(zhì)拋射——太陽在幾分鐘至幾小時內(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，宇宙射線也比太陽的強(qiáng)很多，能量會在100兆電子伏至10千兆電子伏特之間。

天文學(xué)家們認(rèn)為，宇宙射線可能來自發(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的能量高得難以置信，很難對其做出合理的解釋。

當(dāng)我們談?wù)撚钪嫔渚€的能量時，我們其實(shí)就是在談?wù)撍鼈兊乃俣?。如果一束宇宙射線的能量有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，我們?nèi)匀徊恢浪鼈儻偪竦乃俣仁菑哪睦锏脕淼摹Ｌ煳膶W(xué)家們曾認(rèn)為，一些碰撞星系，比如位于烏鴉座的觸須星系，是這些宇宙射線的來源，但經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)它們產(chǎn)生的能量仍不夠高。今天，活動星系核則被認(rèn)為是最有可能的來源。宇宙中有10%的星系，其核心處于活躍狀態(tài)?；顒有窍岛酥写嬖谥筚|(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。

另一個大膽想法是，神秘的暗物質(zhì)粒子會衰變?yōu)橐粚Ω吣苜|(zhì)子，其中一個落入黑洞中，而另一個則會在整個宇宙中穿行，于是，這樣的質(zhì)子就成為了超高能宇宙射線。

我們無時不在宇宙射線雨中

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

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μ子通過你的身體。μ子等來自輻射的粒子如果跑進(jìn)了細(xì)胞核里的話，可能會對里面的遺傳物質(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)病率和宇宙射線活動之間的確存在一定的聯(lián)系。

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

我們坐飛機(jī)時，就會遭受到額外的宇宙射線。那么，那些飛行員和機(jī)組人員的健康會受到哪些影響？調(diào)查表明，他們遭受到的輻射是其他人的兩倍多，因輻射患癌的概率會比常人高出約1%。

宇宙射線會葬送太空夢？

上世紀(jì)四五十年代，許多人都擔(dān)心，升到高空后，任何生物可能都無法承受過多的宇宙射線，這很可能會阻擋人飛往太空的步伐。為了探究是否真的如此，當(dāng)時的美國空軍用德國的V-2火箭把一些動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物，之后，研究人員就把靈長類動物送到了外層大氣。

1948年6月11日，猴子第一次進(jìn)入外層大氣。1954年，研究人員開始使用高空氣球來進(jìn)行測試。進(jìn)行了幾十次的試飛，動物們都安然無恙地返回地球。1955年，研究人員終于確認(rèn)，宇宙射線對于未來的宇航員是非致命的，盡管一些研究已表明宇宙射線會增加宇航員罹患癌癥的風(fēng)險。

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

此時，當(dāng)你閱讀本文試圖理解宇宙射線時，已經(jīng)有數(shù)千個來自宇宙射線的粒子穿過了你的身體。除非，你愿意跑到地下商場那里，來暫時地躲避它們。endprint