關(guān)于宇宙射線，許多人聽起來可能感覺會(huì)很陌生，但是它在浩瀚的宇宙中是無處不在的。宇宙射線對(duì)生物傷害很大，地球上的生物那么繁盛，首先要慶幸地球有一個(gè)強(qiáng)大的磁場，將宇宙射線大部分都屏蔽了，其次就是臭氧層，幫助我們阻擋了紫外線。那么什么是宇宙射線呢？

宇宙射線是來自外太空的帶電高能次原子粒子。大約89%的宇宙線是單純的質(zhì)子，10%是氦原子核（即α粒子），還有1%是重元素。這些原子核構(gòu)成宇宙線的99%。孤獨(dú)的電子（像是β粒子，雖然來源仍不清楚），構(gòu)成其余1%的絕大部分；γ射線和超高能中微子只占極小的一部分。但是，有更少的比例的是穩(wěn)定的反物質(zhì)粒子，像是正電子或反質(zhì)子，這剩余的小部分是研究的活躍領(lǐng)域。

粒子能量的多樣化顯示宇宙線有著廣泛的來源。這些粒子的來源可能是太陽（或其它恒星）或來自遙遠(yuǎn)的可見宇宙，由一些還未知的物理機(jī)制產(chǎn)生的。宇宙線的能量可以超過1020eV，遠(yuǎn)超過地球上的粒子加速器可以達(dá)到的1012至1013 eV，使許多人對(duì)有更大能量的宇宙線感興趣而投入研究。

在1912年，德國科學(xué)家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)電離室內(nèi)的電流隨海拔升高而變大，從而認(rèn)定電流是來自地球以外的一種穿透性極強(qiáng)的射線所產(chǎn)生的，于是有人為之取名為“宇宙射線”。

宇宙線大致可以分成兩類：原生宇宙射線和衍生宇宙射線（也叫二次宇宙射線）。 

太陽在產(chǎn)生閃焰時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一些低能量的宇宙線。在地球大氣層外的原宇宙線，確實(shí)的成分，取決于觀測能量譜的哪些部分。不過，一般情況下，進(jìn)入的宇宙線幾乎90%是質(zhì)子，9%是氦核（α粒子），和大約1%是電子。氫和氦核的比例（質(zhì)量比氦核是28%）大約與這些元素在宇宙中的元素豐度（氦的質(zhì)量占24%）相同。

其余豐富的部分是來自于恒星核合成最終產(chǎn)物的其它重原子核。衍生宇宙線包含其它的原子核，它們不是豐富的核合成或大爆炸的最終產(chǎn)物，原生的鋰、鈹、和硼。這些較輕的原子核出現(xiàn)在宇宙線中的比例遠(yuǎn)大于在太陽大氣層中的比例（1:100個(gè)粒子），它們的豐度大約是氦的10。

這種豐度的差異是衍生宇宙線造成的結(jié)果。當(dāng)宇宙射線中重的原子核成分，即碳和氧的原子核，與星際物質(zhì)碰撞時(shí)，它們分裂成較輕的鋰、鈹、硼原子核（此過程被稱為宇宙射線散裂）。被發(fā)現(xiàn)的鋰、鈹和硼的能譜比來自碳或氧的更為尖細(xì)，這個(gè)值暗示有少數(shù)的宇宙射線散裂是由更高能量的原子核產(chǎn)生的，推測大概是因?yàn)樗鼈兪菑你y河的磁場逃逸出來的。散裂也對(duì)宇宙線中的鈧、鈦、釩和錳離子等的豐度負(fù)責(zé)，它們是宇宙線中的鐵和鎳原子核與星際物質(zhì)撞擊產(chǎn)生的（參見天然的背景輻射）。

早期地球

第一代大氣

46億年前，地球剛從太陽星云中形成時(shí)，固體物質(zhì)聚集成內(nèi)核，外周則是大量的氫、氦等氣體，稱為第一代大氣。由于地球質(zhì)量還不夠大，還缺乏足夠的引力將大氣吸住，又有強(qiáng)烈的太陽風(fēng)（是太陽因高溫膨脹而不斷向外拋出的粒子流，在太陽附近的速度約為每秒350～450公里），所以以氫、氦為主的第一代大氣很快就被吹到宇宙空間。

第二代大氣

地球在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)和聚集的過程中，由于本身的凝聚收縮和內(nèi)部放射性物質(zhì)（如鈾、釷等）的蛻變生熱，原始地球不斷增溫，其內(nèi)部甚至達(dá)到熾熱的程度。于是重物質(zhì)就沉向內(nèi)部，形成地核和地幔，較輕的物質(zhì)則分布在表面，形成地殼。初形成的地殼比較薄弱，而地球內(nèi)部溫度又很高，因此火山活動(dòng)頻繁，從火山噴出的許多氣體，構(gòu)成了第二代大氣即原始大氣。此時(shí)地球的質(zhì)量和引力已足以吸住大氣，所以原始大氣的各種成分不易逃逸。

由于還沒有臭氧（O3）層，所以紫外線能直射到地球表面，成為合成有機(jī)物的能源。此外，天空放電、火山爆發(fā)所放出的熱量，宇宙間的宇宙射線（來自宇宙空間的高能粒子流，其來源目前還不了解）以及隕星穿過大氣層時(shí)所引起的沖擊波（會(huì)產(chǎn)生攝氏幾千度到幾萬度的高溫）等，也都有助于有機(jī)物的合成。但其中天空放電可能是最重要的，因?yàn)檫@種能源所提供的能量較多，又在靠近海洋表面的地方釋放，在那里作用于還原性大氣所合成的有機(jī)物，很容易被沖淋到原始海洋之中。

現(xiàn)在的地球

雖然當(dāng)宇宙射線到達(dá)地球的時(shí)候，會(huì)有大氣層來阻擋住部分的輻射，但射線流的強(qiáng)度依然很大，很可能對(duì)空中交通產(chǎn)生一定程度的影響。比方說，現(xiàn)代飛機(jī)上所使用的控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)均有相當(dāng)敏感的微電路組成。一旦在高空遭到帶電粒子的攻擊，就有可能失效，給飛機(jī)的飛行帶來相當(dāng)大的麻煩和威脅。

此外，幾位美國科學(xué)家還認(rèn)為，宇宙射線很有可能與生物物種的滅絕與出現(xiàn)有關(guān)。他們認(rèn)為，某一階段突然增強(qiáng)的宇宙射線很有可能破壞地球的臭氧層，并且增加地球環(huán)境的放射性，導(dǎo)致物種的變異乃至于滅絕。另一方面，這些射線又有可能促使新的物種產(chǎn)生突變，從而產(chǎn)生出全新的一代。這種理論同時(shí)指出，某些生活在巖洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃過大部分的輻射才因此沒有滅絕。從這種觀點(diǎn)來看，宇宙射線倒還真是名副其實(shí)的“宇宙飛彈”。

還有科學(xué)家認(rèn)為，長期以來普遍受到國際社會(huì)關(guān)注的全球變暖問題很有可能也與宇宙射線有直接關(guān)系。這種觀點(diǎn)認(rèn)為，溫室效應(yīng)可能并非全球變暖的惟一罪魁禍?zhǔn)?，宇宙射線有可能通過改變低層大氣中形成云層的方式來促使地球變暖。這些科學(xué)家的研究認(rèn)為，宇宙射線水平的變化可能是解釋這一疑難問題的關(guān)鍵所在。他們指出，由于來自外層空間的高能粒子將原子中的電子轟擊出來，形成的帶電離子可以引起水滴的凝結(jié)，從而可增加云層的生長。也就是說，當(dāng)宇宙射線較少時(shí)，意味著產(chǎn)生的云層就少，這樣，太陽就可以直接加熱地球表面。

直接探測法

1014eV以下的宇宙射線，通量足夠大，可用面積約在平方公尺左右的粒子探測器，直接探測原始宇宙射線。這類探測器需要人造衛(wèi)星或高空氣球運(yùn)載，以避免大氣層吸收宇宙射線。

間接探測法

1014eV以上的宇宙射線，由于通量小，必須使用間接測量，分析原始宇宙射線與大氣的作用來反推原始宇宙射線的性質(zhì)。當(dāng)宇宙射線撞擊大氣的原子核后產(chǎn)生一些重子、輕子及光子（γ 射線）。這些次級(jí)粒子再重復(fù)作用產(chǎn)生更多次級(jí)粒子，直到平均能量等于某些臨界值，次級(jí)粒子的數(shù)目達(dá)到最大值，稱為簇射極大，在此之后粒子逐漸衰變或被大氣吸收，使次級(jí)粒子的數(shù)目逐漸下降，這種反應(yīng)稱為“空氣簇射”。地球地表的主要輻射源是放射性礦物，空氣簇射的次級(jí)粒子是高空的主要輻射源，海拔20公里處輻射最強(qiáng)，100公里以上的太空輻射則以太陽風(fēng)及宇宙射線為主。

宇宙射線探測天線

UHECR的研究經(jīng)費(fèi)在美國超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)（Superconducting Super Collidea）計(jì)劃終止后快速增加，并成為天文粒子物理學(xué)研究的三大主流之一（另兩項(xiàng)為微中子與暗物質(zhì)）。

宇宙射線中的核子之所以能夠從他們遙遠(yuǎn)的源頭一直到達(dá)地球，是因?yàn)橛钪嬷形镔|(zhì)的低密度。核子與其它物質(zhì)有著強(qiáng)烈的感應(yīng)，所以當(dāng)宇宙線接近地球時(shí)，便開始于大氣層氣體中的核子撞擊。在粒子雨的過程中，這些碰撞產(chǎn)生很多π介子和K介子，這些是會(huì)很快衰退為不穩(wěn)定的μ介子。由于與大氣層沒有強(qiáng)烈的感應(yīng)以及時(shí)間膨脹的相對(duì)論性效應(yīng)，許多μ子能夠到達(dá)地球表面。μ子屬于電離輻射，從而可以輕易被許多粒子探測器檢測到，例如氣泡室，或閃爍體探測器。如果多個(gè)μ子在同一時(shí)間被不同的探測器檢測到，那么它們一定產(chǎn)自同一次粒子雨。

如今，新的探測手段能夠不通過粒子雨這個(gè)現(xiàn)象檢測這些高能粒子，也就是在太空中，不受大氣層的干擾，直接探測宇宙線，例如阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)。

羅杰·柯萊在其著作《宇宙飛彈》對(duì)宇宙射線的研究意義作出了精辟的闡釋：

“宇宙射線的研究已變成天體物理學(xué)的重要領(lǐng)域。盡管宇宙射線的起源至今未能確定， 人們 已普遍認(rèn)為對(duì)宇宙射線的研究能獲得宇宙絕大部分奇特環(huán)境中有關(guān)過程的大量信息：射電星系、類星體以及圍繞中子星和黑洞由流入物質(zhì)形成的沸騰轉(zhuǎn)動(dòng)的吸積盤的知識(shí)。我們對(duì)這些天體物理學(xué)客體的理解還很粗淺，當(dāng)今宇宙射線研究的主要推動(dòng)力是渴望了解大自然為什么在這些 天體上能產(chǎn)生如此超常能量的粒子?！?/p>

雖然人類仍然不能準(zhǔn)確說出宇宙射線是由什么地方產(chǎn)生的，但普遍認(rèn)為它們可能來自超新星爆發(fā)、來自遙遠(yuǎn)的活動(dòng)星系；它們無償?shù)貫榈厍驇砹巳盏乜臻g環(huán)境的寶貴信息?？茖W(xué)家希望接收這些射線來觀測和研究它們的起源和宇觀環(huán)境中的微觀變幻。

出于對(duì)宇宙射線研究的重視，世界各國紛紛投入資金與設(shè)備對(duì)其展開研究。前蘇聯(lián)、日本、中國、美國、法國等國家相繼建立了宇宙射線觀測站。雖然宇宙射線的起源尚無定論，但科學(xué)家們?nèi)匀恢鸩搅私饬擞钪嫔渚€的種種特性，以及對(duì)地球和人類環(huán)境的影響。