来自宇宙的这“根“线，一百多年里收获了三次诺奖
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今天我们说的这“根”线叫宇宙射线，简称宇宙线。
宇宙线这个名称，不少人都听说过（至少在热搜上看过）。
但是，如果问“什么是宇宙射线”，可能会出现各种奇怪的解释，甚至令人哭笑不得：
其实，宇宙射线这个名词可以被分成两部分，一个是宇宙，一个是射线，就是“来自宇宙的射线”。
射线命名小八卦
射线是由各种放射性核素，或者原子、电子、中子等粒子在能量交换过程中发射出的、具有特定能量的粒子束或光子束流。
射线这个名词，可以追溯到19世纪电器工业大发展的时代，当时发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，但是漏电与放电损耗严重。同时电气照明也吸引了科学家的关注。这些问题都涉及低压气体放电现象。
1858年德国人普鲁克尔在研究气体放电时发现，在放电管正对阴极的管壁上发出绿色的荧光，证明是因为有一种射线从阴极发出打到管壁所致。这可能是最早“射线”一词的来源。
1876年，另一位德国物理学家戈尔茨坦认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。在阴极射线这个命名中，“阴极”是形容这种射线发出的地方或者源，虽然当时人们并不清楚这是什么。
随后，1895年德国科学家伦琴在研究阴极射线时发现了一种具有很强穿透力的射线，由于尚不清楚这一射线的性质，伦琴称之为X射线。从X射线的命名来看，“X”也是用来形容“射线”的，是按照射线本身的性质分类的。当然X射线也被称为伦琴射线，这是人们为了尊重发现者的功绩。
1986年，法国科学家贝克勒尔发现在铀元素存在自发辐射，这种射线被人们叫做贝克勒尔射线，或者铀辐射。同时贝克勒尔还发现这种辐射不仅能使底片感光，还能使得空气电离变成导体。
1898年，英国科学家卢瑟福通过吸收实验证明铀辐射具有两种穿透本领不同的成分，他把穿透力不强的称为射线，穿透力强的称为射线。1900年，法国化学家威拉德发现在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，他称为射线。显然这些射线的命名都是根据射线本身的性质。（想了解更多射线知识请戳这里）
人们是怎么发现它的？它跟我们熟知的种种射线有啥区别？
宇宙射线的发现，可以追溯到一个困扰人类近一个半世纪的谜题。
是什么电离了空气？
18世纪，人们对电现象有了初步的认识。1785年法国物理学家库仑向法国皇家科学院提交了多份关于电磁现象的研究报告。其中一份报告说，他通过一个基于验电器原理制作的扭力天平实验得出结论：由于空气的作用，该装置的电量不能永久保持，总会以自发放电的形式泄露电荷。这就是困扰了人类近一个半世纪的空气电离之谜。[1]
库仑和验电器示意图
我们来重温一下验电器实验和空气电离的原因。
丝绸摩擦过的玻璃棒会带正电，而用毛皮摩擦过的橡胶棒会带负电，一旦将它们靠近验电器上方的导体片，棒子自身所带的电荷会传到玻璃钟罩内的箔片上。由于同种电荷相互排斥，金属箔片将自动分开，张成一定角度。根据张角的大小可估计物体带电量的大小。但是，金属箔片张角会随着时间慢慢变小，这说明验电器会自发放电泄露电荷，也就是说电荷消失了。
1903年，卢瑟福在库伦结论的基础上，认为是辐射导致大气电离产生正负离子，这些正负离子碰到金属箔片，中和了金属箔片上的电荷，就像是“偷”走了验电器中的电荷一样。他用铁和铅把验电器完全屏蔽起来，电离速率几乎可减少约三分之一，但验电器内部的空气还是会发生电离，大约是每秒每立方厘米有10对离子产生。卢瑟福进一步提出设想，也许有某种贯穿力极强的辐射从外面进入验电器，导致空气电离，电离产生的电荷中和了验电器上的多余电荷。
为了确定这种辐射从哪儿来，
科学家上铁塔、去水下、飞上天……
当时，人们对于辐射的认知还停留在“它们来自于放射性物质主要是矿物质衰变”的水平，认为放射性元素来自于地壳或者是它们产生的放射性气体“氡”。卢瑟福自然也认为，地壳中的放射性物质产生辐射导致空气电离，并且给出了检验方法：如果这些辐射来自于地壳中的放射性物质，那么辐射强度应该随高度增加而减少。
这个道理就像烤火，火焰就是一个会向外辐射热量的辐射源，当我们靠近火源时，就会获得更多热量，感到热；远离火源时，就会感觉到冷。
“火源”就是一种“辐射源”（图片来源：veer图库）
为了确认辐射的来源，1910年，法国科学家沃尔夫带着更加灵敏而可靠的新型验电器登上324米高的埃菲尔铁塔，比较了塔顶和地面两种高度下的电离强度。他发现电离现象随着高度增加变弱，在塔顶的辐射大约是地面的64%。这一结果无疑支持了卢瑟福通过屏蔽验电器得出来的结论：辐射似乎来自地底。[2]
在沃尔夫的实验后，意大利物理学家帕西尼分别在陆地上、海上和热那亚海湾的水下用验电器做电离测量，发现水下的电离率比水面处略低，得出了与前人不同的结论，即大气中存在一种与地壳中的放射性物质无关的穿透性辐射。[3]
1912年8月，奥地利物理学家赫斯进行了一次十分重要的气球飞行。当他上升到5300米时，发现空气的电离速率增加到海平面的三倍左右！他得出结论，辐射是从上方进入大气层的，也就是说辐射源来自于天上。在1911至1913年期间，赫斯带着验电器一共飞行了10次，甚至利用日食与昼夜之间的测量对比，得出来太阳并不是射线的辐射源（如果是那应该叫做太阳射线）。
然而，赫斯大胆的结论在当时并不为所有人接受，因第一个测出电子电量而闻名的美国物理学家密立根就是其中的一位。密立根把探测器放在无人操作的气球上，在15000米的高空测到的辐射强度不到赫斯测量结果的四分之一。根据这个不同于赫斯的结果，密立根认为根本没有地球之外来的电离辐射，辐射都来自地面。不过他很快就被自己“打脸”了。
1926年，密立根在加利福尼亚州群山中的缪尔湖（海拔3392米）和慈菇湖（海拔1577米）的深处做实验，把探测器放在水下测量电离速率。通过比较电离速率与湖水深度的关系发现，同样水深的情况下，探测器在缪尔湖测得的电离速率会快于慈菇湖，只有将缪尔湖的探测器再往深处下放2米，两者的电离速率才接近。也就是说2米水深对辐射的吸收作用与近2000米的空气相当。
这一结果使密立根和更多的人信服了赫斯"辐射一定来自天上"的结论。这种辐射的射线实际上是来自宇宙的高能粒子而非来自地面的放射性物质，所以密立根为这些“射线”取名为"宇宙射线"。[4]
最终，赫斯的发现被证明是正确的，并获得了1936年的诺贝尔物理学奖，这也是宇宙线研究历史上的第一枚诺奖。赫斯的高空气球实验无疑是科学探索史上最为壮美的一次飞行。诺贝尔物理学奖委员会指出，“赫斯的发现开启了理解物质结构和起源的远景，证明了一种地球外穿透性辐射的存在——宇宙射线，比发现辐射的粒子性和辐射强度随高度变化更加根本” [5] 。
赫斯与他在气球实验中的照片(在气球里面的是赫斯)
原初宇宙线和次级宇宙线
在上世纪20、30年代，很多物理学家在实验室中测量到了穿透性的宇宙线，这就是从宇宙来的信号吗？
还真不是。
现在我们把宇宙线分成原初宇宙线和次级宇宙线。原初宇宙线就是达到地球大气层，但是未与大气层相互作用的宇宙线；而原初宇宙线进入大气后，与大气中的原子核发生“碰撞”，产生次级粒子，形成了次级宇宙线。
当年的科学家经过了一段时间的探索，才发现宇宙线还分两种。
1928年随着盖革-米勒计数器，云雾室（图4）和符合测量技术发展，簇射（shower）的概念开始被提出[6]。云雾室中不同的径迹明显来自于同一顶点，即称为属于一个簇射。
1932年，意大利物理学家罗西等人的测量结果表明，粒子的簇射可以被品字形排布的三个盖革计数器符合观测到[6]；1933年，英国物理学家布拉凯特和意大利物理学家奥基亚利尼观察到了打在云雾室附近的单个高能宇宙线粒子与大气相互作用引发的多粒子径迹（图4下图），他们称这样的粒子倍增过程为簇射[6]。越来越多这样的独立的实验测量清晰地表明，簇射中的粒子有一个共同的源。
盖革-米勒计数器（上）和云雾室粒子径迹照片（下）
当时的人们普遍认为，空气中测量到的穿透性粒子是直接来自太空的原初宇宙线，就是这些粒子通过与空气原子核相互作用产生了簇射。但很快罗西曲线（图5）的测量表明这种猜想是错误的。
罗西实验用的是三个品字形排布的盖革-米勒计数器，计数器上面加了一层铅板[6]。这样的排布保证了单个沿直线飞行的粒子无法同时触发所有计数器，即至少要两个粒子才能同时触发三个计数器。其中一个粒子可能是入射粒子，另一个应该是入射粒子在铅板中产生的次级粒子。通过加盖不同厚度的铅板，测量符合计数率随铅板厚度的变化曲线。
最初铅板厚度增加时，符合计数率快速上升，说明入射粒子在铅板中发生了相互作用从而产生簇射；随着铅板厚度继续增加，符合计数率又快速减小，表明入射粒子在铅板中被逐渐吸收。而大气中的穿透性粒子的能量较高，在铅板中穿透的距离应该是在米量级，不会经过几厘米的衰减就使得其能量和数量发生明显改变。因此，这个实验的结果表明这些在铅板中引发簇射的入射粒子能量较低，不是之前发现的穿透性粒子。
经过不断研究，目前我们知道，引发簇射的粒子是原初宇宙线与大气相互作用产生的次级产物中的一部分，如电子和伽马光子。而穿透性粒子是次级产物中能量较高的部分，如缪子和强子。
图5 罗西曲线及其实验装置图（右上角）
而后人们利用多层云雾室在实验室中观测到了簇射发展的过程，更加直观形象。除了实验室中簇射观测的进展，早在1933年，罗西在东非观测东西效应时就发现，可能有扩展的粒子簇射到达并同时击中多个计数器，但是当时他没有时间去进一步研究这个有趣的现象。很可惜，这很可能是人类第一次观测到广延大气簇射现象，但罗西与首次发现失之交臂了。
图6 符合计数随计数器间距的变化。横坐标为计数器摆放间距，纵坐标为符合计数。其中黑点是测量值，其它为理论预期
小知识
什么是广延大气簇射？高能原初宇宙线粒子进入到大气层上空后，与大气层中的原子核碰撞产生次级粒子，然后次级粒子再和空气核相互作用继续产生新的次级粒子，如此往复多次形成级联，最终会产生数目巨大的低能次极粒子，这些次极粒子也以接近光速前进着并且会在大气中横向扩散开来，这些粒子就像一场瞬间（10-9s）粒子“阵雨”一样到达地面，簇射中的粒子数可高达千亿，并且散布在数平方公里的面积上，这样的粒子“阵雨”称为广延大气簇射[8]。
1938年，法国物理学家奥格尔通过在海拔3000多米的地方进行实验[7]，通过不断改变计数器的间距，测量符合计数率（图6），发现了原初宇宙线在进入大气时产生具有明显时间与空间效应的“粒子雨”过程，他由此发现了广延大气簇射；进一步测量得到了次级粒子的能量可以高达107eV以上，结合次级粒子数目的估计可以得到原初宇宙线的能量在1015eV以上。
1015eV是什么概念？可见光的光子能量大约是几个eV,而我们熟悉的穿透力很强的X射线能量大约是103eV，大家可以自行脑补……
1946年，罗西领导的小组创建了首个探测广延大气簇射的探测器阵列（点这里看中国的宇宙线探测装置 ），从而开创了宇宙线研究的新天地。
在生活中，影响我们生活或者与日常可能发生关系的是次级宇宙线（到底有什么影响？我们下期会讲到）。而如今在高能天体领域，科学家主要研究原初宇宙线带来的宇宙信息。
宇宙线，人类获得的
来自太阳系外的唯一物质样品
原初宇宙射线成分并不特殊，就是组成我们这个世界的各种核子和微观粒子，其中大多数是氢原子核与氦原子核，少量的重元素原子核，还有极少数的射线和电子。
在人类技术还无法加速微观粒子的年代，宇宙线为粒子物理与核物理研究提供了唯一的全天候近乎稳定的高能粒子束流。自上世纪30年代起短短的20年里，人们通过研究次级宇宙线相继发现了正电子、μ子、π介子、K介子及Λ超子、Σ超子等粒子。宇宙线也贡献了三次诺贝尔物理学奖。
1936年，赫斯和安德森分享诺奖，前者发现了宇宙线，后者在研究宇宙线本质时发现正电子；1950年，鲍威尔因为核乳胶探测而获得了诺奖，可以说是宇宙线为人们揭开了高能物理大幕的一角。
随着加速器技术的进步，从上世纪80年代起，宇宙线研究也逐渐转向高能天体物理领域。宇宙线是人类获得的来自太阳系外的唯一物质样品，人类所探测到的最高能量的微观粒子就是来自于宇宙线的样本，该能量比目前人造加速器的最大能量要高近5千万倍。
目前，宇宙线，电磁辐射、引力波并称为探索宇宙的三大探针，也是贯穿粒子物理学、天文学、宇宙学三大学科领域的基本研究对象。宇宙线的起源，加速和传播机制，以及它们与高能天体演化，乃至宇宙的演化等科学问题也无不撩拨着人们的心弦。从宇宙线发现至今的一百余年间，宇宙线科学在物理学发展中扮演了异常重要的角色，始终丰富着人类对物质世界的理解，为我们描绘出一幅高能宇宙的图景。
选择题：
关于宇宙线的以下说法中，正确的是？(单选)
A、宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称
B、宇宙线最大来源是M78星云，由奥特曼发射
C、宇宙线能量强，人能感觉被它穿过
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参考文献：
[1]. C.A. de Coulomb,"Troisième mémoire sur l’électricité et le magnétisme," Histoire de l’Académie Royale des Sciences, pages 612–638.
[2]. Hörandel J R. Early cosmic-ray work published in German[C]//AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics, 2013, 1516(1): 52-60.
[3]. De Angelis A, Giglietto N, Guerriero L, et al. Domenico Pacini, un pionieredimenticatodello studio deiraggicosmici[J]. IlNuovoSaggiatore, 2008, 24(5-6): 70-74.
[4]. Millikan, Robert Andrews, and G. Harvey Cameron. "High frequency rays of cosmic origin III. Measurements in snow-fed lakes at high altitudes." Physical Review 28.5 (1926): 851.
[5]. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1936/hess/facts/
[6]. Mario Bertolotti, 《Celestial Messengers: Cosmic Rays -The Story of a Scientific Adventure》
[7]. PIERRE AUGER, REVIEWS OF MODERN PHYSICS, Extensive Cosmic-Ray Showers
[8]. 何会海，物理.42卷，宇宙线研究进展评述与展望
作者：刘佳
作者单位：中国科学院高能物理研究所
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