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宇宙线是来自太空的带电粒子，它们正在连续不断地轰击地球大气，有的还会穿过我们的身体。版权：图片来源互联网。 高能粒子流包围着我们，它们到底会产生什么样的影响？人类一直期望有朝一日能飞向遥远的太空。但在这之前，许多人仍把宇宙视为一个远离且孤立于地球的地方。确实，20多年前，地球还被认为是“唯一”，有别于所有的外星世界。地球上拥有生命、液态水、构成细胞的蛋白质和许多的氧气，目前宇宙中还没有任何一个已知的其他地方能拥有这些。与传统观点非常一致，地球看上去似乎是“孤立”的。 在太阳系的多颗卫星上发现了液态水，在星云和彗星中发现了氨基酸，给了这一地球孤立论沉重的一击。但这仅仅是第一步。地球与更广袤宇宙间其实有着紧密的相互关联，因为来自宇宙中的物质正在连续不断地高速穿过我们的身体。这意味着外部的宇宙就在这里。此时此刻，宇宙高能粒子流正在穿过我们每一个人的身体。即使在今天，我们对宇宙高能粒子流的了解仍十分有限，这些来自遥远天体且势不可挡的物质改变了人类对宇宙的认识。
图1 1911年至1912年间的某个时间，维克托·赫斯（VictorHess）站在热气球篮子里。他多次乘坐热气球对高处的离子进行了测量。版权：VF Hess Society/Schloss Poellau/Austria。29岁的物理学家维克托·赫斯（Victor Hess）发现了宇宙线。1910年他从格拉茨大学毕业，获博士学位。他决定在物理学家保罗·德鲁德（Paul Drude）麾下开展研究，后者把真空光速标记为“c”，沿用至今。在德鲁德自杀后，赫斯前往维也纳大学任教。那时居里夫妇刚发现了镭，引发了全球的关注。赫斯决定开始仔细研究这一当时物理学中最热的议题：辐射。那时发现，即便没有放射性元素在附近，也无论容器怎么被绝缘，在验电器中总能有规律地探测到电荷。被广为接受的解释是，地球的矿物会周期性地发出辐射，造成了这些读数。如果确实如此，那么把测量仪器置于地面高处，就不会再测到电荷了。一篇在当时被普遍认同的科学论文中写道：假设在地球表面放射性岩石具有均匀分布，那么，在10米高的地方（约3层楼）测得的辐射量应该会下降到地面测量值的 83%；在1千米高的地方，该值应仅有地面的 0.1%。但有一些科学家发出了反对的声音。1910年，物理学家特奥多尔·沃尔夫（Theodore Wulf）在埃菲尔铁塔底部和顶部采集了验电器的读数。他发现铁塔约300米高顶部的离子数目要远超由地面所贡献的辐射量。这些离子的主要源头来自天空而非地面？赫斯把仪器放置在热气球上，在从1911年开始的3年时间里升空10次对离子进行了测量。每一次他都得到了相同的结果。随着气球的上升，放射性活动起初会减小，但随后会快速增强。当他上升到5千米时，验电器的读数始终维持在地面2倍以上的水平。在一篇发表的学术论文中，赫斯写道：“具有极高贯穿本领的辐射从上方进入了我们的大气层”。他需要搜集更多的信息，而他也具有非凡的勇气。赫斯进行了一次危险的夜间飞行，以此来消除太阳的辐射。可以肯定，在夜幕降临后，验电器的读数依然强劲如初。1912年4月17日，在接近日全食的过程中，他再次升空，当时太阳的大多数能量都被月球遮挡了。再一次，辐射的流量并没有下降。1913年，赫斯别无选择只能得出结论，这些辐射绝非来自太阳，也并非来自地球岩石，只能来自宇宙深空。十年后，物理学家罗伯特·密立根（Robert Millikan）证实了赫斯的发现，并把这一神秘的辐射称为“宇宙线”。因其对宇宙辐射的研究，赫斯获得 了1936年的诺贝尔物理学奖。在获奖之后，他并没有停止研究。因赫斯的妻子是犹太人，他后来受到了纳粹的威胁，于是移民到了美国，成了福特汉姆大学的一名教授。他继续对辐射进行研究，甚至在美国帝国大厦的87层进行了测量。他在这个领域不断作出贡献直至1964年去世。密立根认为赫斯发现的高能物质是一种不可见光，很可能是γ射线。但测量很快发现，密立根的解释是错误的。1927年，科学家发现宇宙线的强度会随着到赤道的距离而改变。如果宇宙线是一种光，那就说不通了。但如果它们会受到地球磁场的偏折，那就合情合理了。因此，它们必定是某种带电粒子，而非光或者射线。不过，“线”一词已经根深蒂固，于是“宇宙线”的叫法就一直沿袭到今天。此后在1930年出现了一个甚至更加另类的现象。科学家开始注意到，从东面进入地球大气层的宇宙线强度与从西面进入的存在差异。这一“东西效应”预示，宇宙线粒子不仅带有电荷，还必定带有正电荷。这意味着它们大多数是质子，也就是氢原子核。到第二次世界大战结束时，科学家基本上确定了宇宙线的组成。其成分并不单一。约89%是质子，约9%是α粒子，α粒子由2个质子和2个中子组成，即氦原子核。鲜有宇宙线由更重的原子核组成，它们仅占所有宇宙线的约1%。宇宙线的总体组成也反映出了宇宙的组成。很显然，宇宙物质的一部分从各个方向稳定地流向地球，直到磁场改变了它们的轨迹。 
图2 超高能宇宙线的起源仍是个谜。有一种观点认为它们起源自活动星系核，由其中心的超大质量黑洞加速到了极其接近光速的高速。版权：IceCube/NASA。 宇宙线中有约1%是普通的电子，这十分奇怪。在当时感觉没有道理，即便在今天也令人困惑。太阳既会吹出质子也会吹出电子，而且宇宙中电子的数目也和质子一样多。那么，为什么电子没有占据宇宙线组成的50%？在它们身上到底发生了什么？此外，许多超高能宇宙线不可能起源自太阳。因此，天文学家认为它们大多数来自遥远的超新星或其他的剧烈现象，例如，星系爆发的核心，或者恒星坍缩成黑洞。然而，一小部分宇宙线具有难以置信的高能量，无法用任何理论解释。宇宙线的能量通常用兆（百万）电子伏或吉（十亿）电子伏来度量。1电子伏等于在1伏的电势中加速 1个电子所获得的能量。除了在日冕物质抛射时会喷射出大量的物质之外，来自太阳的宇宙线通常较弱。然而，银河系宇宙线一般比太阳的更为强劲，能量在100兆电子伏至10吉电子伏之间。由于约89%的宇宙线为质子，而它们都拥有完全相同的质量（每一个都相当于1836个电子），那么为什么某个质子的能量会比另一个更高呢？对此只有一种解释：它们运动的速度不同。当我们谈论宇宙线能量的时候，其实说的是速度。如果一个宇宙线拥有100兆电子伏的能量，那它必定在以43%的光速运动。然而，许多宇宙线的能量高达10吉电子伏，这表明它们的速度高达光速的99.6%。常识告诉我们，运动得越快的物体能造成的破坏也越大。最高能宇宙线的能量约为10的20次方电子伏。它们每一个所携带的能量都相当于一个飞驰的棒球，但所有的能量都包裹在一个小如质子的体积内！它们中的大多数会被高层大气散射，但如果有一个抵达地面，会对我们的脱氧核糖核酸产生影响吗？如果细数一年中我们所受到的天然辐射量，那么其中约有一大半来自地面。通过食物、水或其他源头（例如香蕉中含有钾-40），有少量来自我们自己的身体内部。但在不断穿过我们的辐射中，约有十分之一来自上方，其中就包含了宇宙线。如赫斯所发现的，海拔越高，宇宙线越强。因此，住在高海拔地区的人受到的辐射计量会是低海拔平原地面的两倍。对于长时间逗留在珠穆朗玛峰的人来说，情况会更糟。在乘坐飞机时，你还会受到额外的辐射。那职业飞行员和乘务人员呢？由于宇宙线，他们受到的辐射总量是其他人的2倍。这一频繁性飞行辐射会使得从业人员罹患癌症的风险比普通人升高1%。情况甚至还会更糟。质量最大的宇宙线来自宇宙深处。它们中的大多数通常会在太阳系的边界处被偏折，那里被称为太阳风顶，太阳风会从超声速下降到亚声速。但提供这一屏障的太阳风强度会随着11年的太阳活动周而变化。因此，地球上宇宙线的强度也会变化，与太阳黑子数反相关。 
图3 太阳风顶是太阳风从超声速减速到亚声速的地方，那里可以阻挡来自太空深处宇宙线的入侵。但这一阻挡作用会随着太阳活动而变化，和黑子数目的变化呈相反的趋势。版权：Walt Feimer/NASA GSFC。 当太阳活动变弱时，例如，从2000年开始太阳就处于宁静期，这一终端激波也会变弱，对宇宙线的防御能力就会变差。这也正是为什么目前地球上来自深空的宇宙线流量高于往常的原因。在出现特别强的太阳耀斑时，太阳自身就会发出宇宙线，飞行于极区的航班会受到额外的辐射。在这些时期，你不会想成为一名宇航员或者是未来的火星探险家。在去往火星、历时半年的途中，你会变得尤其脆弱。一次严重的宇宙线轰击会在途中产生灾害性计量的辐射。当27名“阿波罗”宇航员在1968年至1972年间离开地球执行任务时，面对并经历了前无古人、至今也后无来者的危险。他们跃出了地球的磁层，脱离了地球磁场的保护。结果诡异且出人意料。每个宇航员每2.9分钟就会在他们的视野中看见闪光。美国宇航局的生理学家提出了一个直接的理论，之后得到了确认。这是由于强劲的宇宙线穿过宇航员眼球内的液体所致。超链接1： 这两者都和天体事件有关，但除了名称中都有“线”字之外，它们却大相径庭。下面将从起源、组成和关键差别上来把它们进行比较。 1. 起源自地球和地外的核事件。 2. 常常和中子星以及黑洞有关。 3. 由光子组成。 4. 以直线运动。 1. 可能起源自超新星。 2. 由带电粒子组成。 3. 会衰变成次级粒子。 4. 由于会在其他力的作用下被偏转，因此难以追踪它们的源头。 图4 位于阿根廷的皮埃尔·俄歇天文台，专门用于探测来自太空深处的宇宙线。版权：A. Chantelauze/S.Staffi/L.Bret/Pierre Auger Observatory。到20世纪40年代末和20世纪50年代初，宇宙线被认为会对大气层外的任何生命体造成严重的危害，可能会完全阻碍载人空间飞行。为了搞清楚这一点，美国空军使用缴获的德国V-2火箭先是把果蝇和老鼠、随后把灵长类动物送出了大气层。1948年6月11日第一只猴子升空，到1954年科学家们改用高空气球来进行试验。但危险仍然未知。此后被试动物变成了一类特殊的黑鼠，因为辐射会摧毁其皮毛中的色素，立即把它们变成白色。到第二年改用了爪哇猴，科学家进行了几十次试验飞行，动物们都安然无恙地回到了地面。直到1955年才最终确认，宇宙线不会对未来宇航员构成致命的威胁，尽管此后有一些研究发现宇航员有着较高的癌症风险。超链接2： 在漫画书中，宇宙线被视作生物变异的原因。当然，实际情况可能没这么夸张。在地面上，大多数宇宙线都会被减速，几乎不会造成伤害。然而，它们也会产生一些已知的效应。 宇宙线的健康风险“阿波罗”宇航员报告，在闭着眼睛时会看到闪光，这是由宇宙线轰击所造成。在宇航员中也发现了视力下降的问题。 在离开地球保护的“阿波罗”宇航员中出现了心脏病增多的情况。 2015年的一项研究发现宇宙线会增加胎内癌症风险，伤及发育中的胎儿，使之具有易患癌症的体质。 宇宙线会破坏身体内的脱氧核糖核酸。对于长时间处于深空中的宇航员，这会增加癌症的风险。 图5 皮埃尔·俄歇天文台探测到的天空中宇宙线流量的分布，其中流量较高的区域用黑色实线圈出。银河系中心则位于这幅图的中心原点。版权：Pierre Auger Collaboration。大约在56千米的高度上，宇宙线会开始严重地破坏空气分子。它们会把原子打碎，碎片会以接近光速的速度抵达地面。在这些残骸中就有μ介子，有时它们自身也被认为是宇宙线。这些奇怪且转瞬即逝的粒子既不特别重，也不非常轻。相反，它们的质量大约和208个电子相当。它们的寿命极短，半衰期仅百万分之二秒。但在它们消失之前，如果撞击到细胞核中的基因物质，就有可能造成伤害。2016年发表的一项研究证明癌症发病率与宇宙线活动之间存在相关性。每一秒，大约会有240个μ介子穿过你的身体。如果你住在高海拔地区，这个数字会进一步增大；但如果你住在地下深处或大多数时间都待在地下车库的话，那这个数字就会减小到零。对于超高能宇宙线，目前仍不清楚是什么把它们加速到了如此高的速度，它们的起源还是个谜。最近，类似 NGC4038和NGC4039的碰撞星系受到了青睐，但这里也存在着问题。今天，主导的候选者是活动星系核，约占所有星系的10%。可能是它们中心的超大质量黑洞把粒子加速到了这么高的速度。目前的测量暗示超高能宇宙线的方向和活动星系之间存在联系，虽然这一现象普遍存在，但仍难以确定。有一种观点认为，超高能宇宙线形成于理论中的暗物质粒子衰变成两个高速质子，其中一个落入了黑洞， 另一个则被射向了宇宙。听上去很有可能，或者这仅仅是绝望且绞尽脑汁的天文学家用一个怪异来解释另一个怪异而已。就在你坐在那里思索这个问题的同时，又有数千个宇宙线穿过了你的身体。除非你选择住在地下，否则它们将和我们长相伴。
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