互动科普

人类认识宇宙是用肉眼观察天空、从太阳和恒星发出的可见光开始的。 早在2000多年前，屈原(公元前324年－公元前278年)就曾写过《天问》，问出了“上下未形，何有考之？阴阳三合，何本何化？” 这样深刻的问题。意思是如何能考证清楚天地是怎样形成的？阴阳组合而形成的万物，什么是基本的，什么是衍生出来的？当人们知道来自宇宙空间的“光”包含了比可见光的范围宽得多的整个电磁辐射波段时，已经是1933年以后的事。而在这之前的1912年，科学家赫斯带着验电器登上气球，升上高空，亲自检验和发现了来自宇宙空间的微小带电粒子流，也就是我们常说的宇宙射线(或称宇宙线)。经过近100年的研究，现在的科学家们有时把宇宙线的概念扩展到来自宇宙空间的所有微观辐射，包括了粒子、电磁辐射和中微子；我们这里介绍的还是传统说法的宇宙线，即能够到达地球大气层外的带电粒子，也称作初级宇宙线。

微观的粒子  宏观量级的能量

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称，包括以质子为主的各类元素的原子核，其中质子占90％，氦原子核约占9％，其他各种重原子核加在一起约占1％；宇宙线中只有少量的高能电子，大约只有原子核总数的1％～2％。因为是原子核，它们的大小也就可想而知，只有万分之一纳米那么大。

小小的宇宙线粒子能量究竟有多高？可以说要多高就有多高，完全超出一般人的想象。现在已经知道，宇宙线粒子的速度已经非常接近光速，它们的能量需要用“吉”电子伏(GeV)即10亿电子伏(109eV)为单位来描述，一个10GeV的质子具有的速度已是光速的0.996倍， 而100GeV的质子的速度是光速的0.99996 倍，趋近光速，我们称高于这样能量的粒子为“相对论” 粒子。宇宙线粒子的能量范围非常宽。一个在极高能区的质子可以比最低能段质子的能量高出100亿倍，而且从低于10GeV一直延伸到1020电子伏的整个区间内，各种能量的粒子都存在。至今科学家能测到的最高的粒子能量为3×1020 电子伏，相当于50焦耳。一个微观粒子已经具有了宏观量级的能量，这是任何地面上的物理现象和加速器实验都不可能达到的。

初级宇宙线粒子的强度如何？一般说来，宇宙线与星光的能量密度相同，大约是1电子伏/立方厘米。在10GeV以上的初级宇宙线的强度，随着能量的增高按照幂律形式下降，能量越高，粒子的数目越少，能量每提高10倍，累积数量下降50倍～100倍。比如说在每平方米面积上每秒钟穿过的能量高于10GeV的质子可以有几百个，其中能量高于100GeV的质子的流量只占2％，而对于能量大于1020电子伏的质子而言，用1平方千米面积的探测器、需要100年的时间才能测到一到两个。能量在1GeV左右的宇宙线粒子，强度受到太阳活动的影响，在太阳活动剧烈时宇宙线的强度比在太阳活动低的年份时明显降低。这种调制效应证明宇宙线来自太阳系外，因为太阳活动剧烈时从日冕层发出的强大的带电粒子流(太阳风)“吹”散了一部分低能宇宙线。除此之外，宇宙线的强度十分稳定，说明有一种平衡状态的存在。因为初级射线带有正电荷，在地球上，低能宇宙线的强度受到地磁场的影响而稍有变化，存在着东西效应和纬度效应，在南北方向磁偶极场的作用下，西面来的粒子比东面来的略多；赤道附近的宇宙线強度比高纬度地区低，因为地磁场在赤道地区拦截了较多来袭的粒子。

起源  加速  传播

超新星爆发被普遍认为是产生高能宇宙线的源。超新星爆发产生的激波对星际介质中的粒子进行加速，可以使之达到1015电子伏的量级。

1949年费米(Enrico Fermi)提出的

加速机制和银河系的漏箱模型是这样解释银河宇宙线强度的：银河系中存在大尺度的等离子体磁云和激波， 带电粒子在这些区域中运动而得到加速，加速获得的能量与自身带的电荷数、加速区的大小、磁场强度以及加速区的宏观运动速度成正比，多次这样的相遇可以把粒子加速到初级宇宙线所具有的能量。而银河系中存在着的微高斯强度的磁场、使获得加速的粒子又会发生偏转和加速，一部分被存储在银河系内，一部分会逃出去，于是银河系像一个漏箱，当产生和可容纳数量与漏出的粒子数量相当时，达到一种平衡，强度稳定。但是当粒子的能量高到银河系尺度容不下时，跑出去的粒子会多于被加速产生的数目，这时宇宙线的强度减弱。当粒子能量高于1018电子伏时，它在微高斯磁场下的偏转半径大于三千多光年，银河系已容纳不下。由此可知，这一能量以上的初级宇宙线应该完全是从银河系外的宇宙空间中产生的。

高能宇宙线粒子与物质的相互作用，通过电离、核相互作用损失能量。最为壮观的要数与地球大气相互作用而产生的广延空气簇射(EAS)—— 一种地球上存在的最宏大的多粒子产生现象。超高能质子轰击空气中氧和氮，平均每穿过80克物质的距离就发生一次相互作用。经过多次相互作用，来袭的粒子能量损失，引发沿粒子前进方向的核作用级联过程。该过程中产生的高能光子又会引发“电子对产生－正电子湮灭产生光子－电子对产生”的电磁级联过程。整个过程产生的次级粒子数在距离地面4,000米～5,000米高空处达到极大；极大处的粒子数和粒子走过的总路径长度与粒子的初始能量成正比。一个1015电子伏～1017电子伏的高能质子可以分别生成一百万、一千万，乃至一亿个电子，在很短的百万分之一秒的时间内像暴雨一样落向地面。在这个过程中，高能电子因为穿透大气分子时会受到库仑场的作用而产生“刹车效应”，一部分动能会以电磁辐射的形式释放出来(即韧致辐射)，还有一部分会因电离而损失能量；它们的数量在到达极大后开始减少，最终达到海平面时只剩下μ子、存活下来的电子和不发生相互作用的中微子。而初级宇宙线中的重核进入大气后，会在高空因碰撞而碎裂，几乎不可能到达地面。

EAS现象使我们找到了利用宇宙线和大气的作用规律，研究粒子物理的途径，特别在地面加速器还没有达到的能区，宇宙线是唯一的工具。EAS现象也是测量1014电子伏以上初级宇宙线的重要工具。在海平面和高山上放置许多探测器单元，覆盖一定的面积，用联动记录的方式测下每一次簇射时通过这些探测器单元的次级粒子数、能量和到达时间，就可以推断出初级粒子的方向和能量。世界上有许多EAS阵列，最大的一个叫Auger观测站，研究最高能区宇宙线强度，单站覆盖面积3,000平方千米，包括1,600个探测器单元，几十面镜子。我国在海拔4,300米的西藏羊八井已建成的空气簇射阵列和正在建造的全覆盖式高阻板探测器就是分别与日本和意大利合作的EAS实验。

由于EAS现象，整个过程中还会产生大量的大气中微子，包括μ中微子和电子中微子，它们是研究中微子物理的重要工具。超级神冈的水实验就是通过对大气中微子的测量验证了中微子振荡现象的存在。

通过这些“天外来客”，人们对于这个广袤宇宙的认识正在一点一滴地深入，越来越靠近人类远征火星的梦想。宇宙射线的研究已经成为一个备受关注的领域。