物理大發(fā)現(xiàn)之宇宙射線

吳林哲

宇宙射線是在宇宙空間運(yùn)動著的帶電的高能粒子流。宙宇射線物理學(xué)主要是研究宇宙射線的起源、在星際空間的加速、傳播，以及和物質(zhì)的相互作用。1912年，奧地利科學(xué)家赫斯通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了宇宙射線。他的這一發(fā)現(xiàn)，不僅解決了困惑物理學(xué)界100多年的難題，而且開辟了基本粒子研究的新領(lǐng)域，因此有極其深刻的歷史意義。由于這一重大發(fā)現(xiàn)，1936年赫斯獲得諾貝爾物理獎。

1785年，法國物理學(xué)家?guī)靵霭l(fā)現(xiàn)，放在空氣中的帶電體會逐漸地失去電荷。當(dāng)時，人們已經(jīng)知道空氣是良好的絕緣體，是不導(dǎo)電的。那么，帶電體上的電荷為什么會丟失呢？無法解釋。因此，空氣漏電問題在此后一個多世紀(jì)里始終是物理學(xué)界中的一個謎。

1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾在一個偶然的機(jī)會中發(fā)現(xiàn)含鈾礦物能放出穿透能力很強(qiáng)的射線，同時實(shí)驗(yàn)探測技術(shù)也有了很大提高，使物理學(xué)家們受到啟發(fā)，才又重新把注意力放在空氣漏電問題的實(shí)驗(yàn)研究上。1900年威爾遜用密閉的驗(yàn)電器進(jìn)行大氣漏電率的測量，發(fā)現(xiàn)在黑暗中和漫反射的日光中漏電率相等，并且正、負(fù)電荷漏電率也相等。同年，德國科學(xué)家蓋特爾和埃爾斯特在不同高度和不同天氣條件下做了同樣的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)帶電體在晴天的漏電率比霧天大，離地面高處的漏電率比在低處大，高處負(fù)電荷的漏電率比正電荷大。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空氣中存在著某種來歷不明的離子源。該離子源在空氣中每立方厘米、每秒鐘產(chǎn)生約20個離子對。1903年，盧瑟福分別用鉛、鐵和水作屏蔽物，試圖隔斷離子源與驗(yàn)電器的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意外，如果屏蔽層很薄，對漏電性沒有什么影響，加屏蔽層厚度，漏電率減小，但只能減小30%左右。通過實(shí)驗(yàn)分析，盧瑟福認(rèn)為空氣的漏電性是由于某種輻射造成的，并且這種輻射放出的帶電粒子有很強(qiáng)的貫穿能力。那么，這種輻射是地球上天然放射性物質(zhì)產(chǎn)生的嗎？于是，人們把實(shí)驗(yàn)放在高空去做，以避免地面放射物質(zhì)的影響。1910年伍爾夫制作了一臺靈敏度很高的靜電計，在距離地面300多米的埃菲爾鐵塔上做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)空氣的漏電率減小了，但仍然無法排除空氣被電離。此時，有的學(xué)者猜想，這種輻射不是來自地球本身，可能是來自地球之外，但因?qū)嶒?yàn)證據(jù)不足，無法證實(shí)。

完成這一重大發(fā)現(xiàn)的任務(wù)就落到赫斯的肩上。赫斯1883年生于奧地利，父親是林業(yè)工人。他于1910年在格拉茨大學(xué)獲得博士學(xué)位。

赫斯在前人研究的基礎(chǔ)上，吸取他們的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。一方面改進(jìn)了探測儀器，用密閉的電離室代替靜電計；另一方面準(zhǔn)備乘氣球進(jìn)入高空測量大氣的漏電率。當(dāng)時，由于缺乏遙測技術(shù)，必須由實(shí)驗(yàn)者攜帶探測儀器，乘氣球一同升入高空，所以有一定危險性。

1911年，赫斯帶著改進(jìn)的儀器，進(jìn)行首次高空探測。當(dāng)氣球升到1070米時，赫斯測得大氣的漏電率，與地面上基本相同。因而他初步斷定，在高空中已經(jīng)排除了地面放射性的影響，那么引起空氣漏電的原因必然在地面以外。從而更加堅定了他進(jìn)行高空探測的信心。1912年，赫斯又進(jìn)行了7次高空探測。尤其是最后一次，為了讓氣球升得更高，給氣球充以氫氣，使實(shí)際上升的高度達(dá)到5350米。探測結(jié)果表明，在1500米以下，大氣的漏電率與地面基本相同，隨著高度的增加，大氣的漏電率明顯增大。這一發(fā)現(xiàn)意義非同尋常，因?yàn)樗f明地球之外確實(shí)存在著輻射源，這種輻射源放射出貫穿本領(lǐng)很強(qiáng)的射線，它能到達(dá)大氣層的下面使密閉的驗(yàn)電器導(dǎo)電，這就是地面上空氣漏電的真正原因。

在赫斯實(shí)驗(yàn)之后，柯爾霍斯特為了證實(shí)赫斯的結(jié)論，在1913年和1914年又進(jìn)行了多次高空探測，氣球上升高度達(dá)到9300米，探測儀器更精密，測量結(jié)果也更準(zhǔn)確。探測結(jié)果給赫斯的結(jié)論以強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)支持。

1936年，赫斯在獲得諾貝爾物理獎時，他說：“1912年，我曾利用氣球升到高空進(jìn)行探測，密閉容器中的電離是隨地面高度的增大而減小，即地球中的放射性物質(zhì)的影響減小了。但是在高于1000米時，電離達(dá)到地面觀測值的數(shù)倍。當(dāng)時我得出結(jié)論說，這種電離可能是由于迄今還不知道的穿透能力很強(qiáng)的輻射從外部空間進(jìn)入地球大氣引起的。”這種未知的輻射最初被稱為“赫斯輻射”，后來密立根把它命名為“宇宙射線”，意即來自地球之外的宇宙空間的高能粒子流，簡稱“宇宙線”。

通過幾十年的研究，人們把在地球大氣層外的宇宙射線叫做“初級宇宙射線”，其成分主要是質(zhì)子，其次是a粒子，還有少數(shù)輕原子核。它們的能量極高，可達(dá)1013電子伏特以上。它們進(jìn)入大氣層后，跟空氣中的原子核發(fā)生碰撞，引起核的分裂并產(chǎn)生一系列其他粒子，通過這些粒子與周圍物質(zhì)的相互作用和自身的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了“次級宇宙射線”，其成分中有2/3以上是介子，它的穿透本領(lǐng)很大，甚至可穿過1000米的深水；另外主要是電子和光子，穿透本領(lǐng)較小。

人們對宇宙射線的研究已有80多年的歷史，但遠(yuǎn)未終結(jié)。到目前為止，我們對宇宙射線的來源還不清楚。著名物理學(xué)家海森堡曾經(jīng)說過：“宇宙射線的研究已經(jīng)推進(jìn)了我們對物理學(xué)基本問題的理解。因?yàn)橛钪嫔渚€包含了最小尺度（基本粒子）和最大尺度‘宇宙中物質(zhì)行為的信息。”