物理大發現之宇宙射線

吳林哲

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

1785年，法國物理學家庫侖發現，放在空氣中的帶電體會逐漸地失去電荷。當時，人們已經知道空氣是良好的絕緣體，是不導電的。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里始終是物理學界中的一個謎。

1896年，法國物理學家貝克勒爾在一個偶然的機會中發現含鈾礦物能放出穿透能力很強的射線，同時實驗探測技術也有了很大提高，使物理學家們受到啟發，才又重新把注意力放在空氣漏電問題的實驗研究上。1900年威爾遜用密閉的驗電器進行大氣漏電率的測量，發現在黑暗中和漫反射的日光中漏電率相等，并且正、負電荷漏電率也相等。同年，德國科學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驗，發現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，高處負電荷的漏電率比正電荷大。他們的實驗結果表明，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電器的聯系。實驗結果出乎意外，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。通過實驗分析，盧瑟福認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的貫穿能力。那么，這種輻射是地球上天然放射性物質產生的嗎？于是，人們把實驗放在高空去做，以避免地面放射物質的影響。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驗，發現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，但因實驗證據不足，無法證實。

完成這一重大發現的任務就落到赫斯的肩上。赫斯1883年生于奧地利，父親是林業工人。他于1910年在格拉茨大學獲得博士學位。

赫斯在前人研究的基礎上，吸取他們的經驗教訓。一方面改進了探測儀器，用密閉的電離室代替靜電計；另一方面準備乘氣球進入高空測量大氣的漏電率。當時，由于缺乏遙測技術，必須由實驗者攜帶探測儀器，乘氣球一同升入高空，所以有一定危險性。

1911年，赫斯帶著改進的儀器，進行首次高空探測。當氣球升到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行高空探測的信心。1912年，赫斯又進行了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，使實際上升的高度達到5350米。探測結果表明，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。這一發現意義非同尋常，因為它說明地球之外確實存在著輻射源，這種輻射源放射出貫穿本領很強的射線，它能到達大氣層的下面使密閉的驗電器導電，這就是地面上空氣漏電的真正原因。

在赫斯實驗之后，柯爾霍斯特為了證實赫斯的結論，在1913年和1914年又進行了多次高空探測，氣球上升高度達到9300米，探測儀器更精密，測量結果也更準確。探測結果給赫斯的結論以強有力的實驗支持。

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的影響減小了。但是在高于1000米時，電離達到地面觀測值的數倍。當時我得出結論說，這種電離可能是由于迄今還不知道的穿透能力很強的輻射從外部空間進入地球大氣引起的。”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”，其成分主要是質子，其次是a粒子，還有少數輕原子核。它們的能量極高，可達1013電子伏特以上。它們進入大氣層后，跟空氣中的原子核發生碰撞，引起核的分裂并產生一系列其他粒子，通過這些粒子與周圍物質的相互作用和自身的轉變，產生了“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，穿透本領較小。

人們對宇宙射線的研究已有80多年的歷史，但遠未終結。到目前為止，我們對宇宙射線的來源還不清楚。著名物理學家海森堡曾經說過：“宇宙射線的研究已經推進了我們對物理學基本問題的理解。因為宇宙射線包含了最小尺度（基本粒子）和最大尺度‘宇宙中物質行為的信息。”