改寫歷史的天空捕手

2007年5月7日，美國宇航局（NASA）天文學家們在距地球2.4億光年的茫茫太空中發現了一顆正在猛烈爆炸、迄今為止最大最亮的超級新星，并預期類似的“太空煙花匯演”會在距地球不遠的星體上演。天文學家表示，這一爆炸不會危及地球，而且南半球的人們將能有幸目睹這一奇觀。

“超宇宙射線”之謎

大家知道，一個星體要到生命盡頭的時候，會突然變得特別的亮，這個時候的星體被稱為“超新星”。超新星誕生一般認為是由于大型恒星內核停止產生新的能量，因自身重力產生的巨大引力導致整個星體向中心坍塌，從而出現劇烈爆炸，形成超新星爆發。具有磁場的星系等天體就像一個密閉的帶有電粒子的容器。當星系內的超新星爆發產生的沖擊波會使質子等帶電粒子加速向外輻射，這樣的“天然加速器”因其質量的大小與磁場的強弱提供給“宇宙射線”的能量不同，質量越大，磁場越強，射線的能量越大。

所謂“宇宙射線”是從宇宙入射到地上的高速粒子，今天科學家圍繞著超宇宙射線的觀測，引起了一場有趣的爭議。隨著今后科技的進一步發展，為當今物理學和天文學帶來巨大變革也未可知。據此，科學家或許能夠進一步證實愛因斯坦在其相對論中提出的“界限”，或是存在至今天文學上無法解釋的未知天體。

氣球上的發現

宇宙射線是由20世紀初奧地利物理學家海瑟通過驗電器的箔片顯示，發現的奇怪現象。如果驗電器箔片帶電，則里面的兩枚箔片因斥力張開。但是不可思議的是，如果不管它，則箔片自己會慢慢地閉合上。

當時已知鈾等礦物會發射眼睛看不見的射線，這種射線能把空氣中原子里的電子撞擊出來。認為箔片閉合可能是地殼發射的射線所為。如果那樣的話，那么遠離地面則輻射減弱。但是在埃菲爾塔上進行實驗的研究者發現，塔上的輻射并沒有期待的那么弱。

接著海瑟帶著箔片驗電器乘上氣球，在高空測定輻射。出人意料的是越遠離地面，輻射變得越強，這說明輻射發生源在地球之外。這樣就發現了從宇宙射來的強力射線，即宇宙射線。海瑟由此獲得1936年的諾貝爾物理學獎。1938年，法國物理學家皮埃爾發現了“空氣簇射”效應。來到地球的一條宇宙射線與空氣中的原子核碰撞產生許多簇狀的宇宙射線。為了加以區分，我們將來到地球的宇宙射線稱為初級宇宙線，碰撞后產生的宇宙射線稱為次級宇宙線。

不可思議法則

現在專家已經知道，宇宙線是“高速飛行的粒子”。宇宙線的粒子主要是由質子或氦、鐵等的原子核組成，此外電子、光子、中微子等也作為宇宙線來到地球。但是質子或原子核、電子等是帶電粒子。一旦帶電粒子飛到磁場中，它因受到一種稱作“洛侖茲力”的影響，帶電粒子運動軌跡會發生彎曲。目前，研究基本粒子用的“環行加速器”就是利用這一原理，將帶電粒子密閉在環行的容器里，用強電場加速粒子。

到達地球上的各種宇宙線，能量較低的可能自我們的銀河系，能量高的可能來自銀河系以外，但是從什么天體來還是一個謎。

讓人感興趣的是，飛到地球上的宇宙線能量與頻數的關系：低能量的宇宙線頻繁地射入地球，越是高能量的宇宙線射入地球的頻數越低。宇宙線的能量大小以電子伏（ev）為單位表示。相對能量在10¹²ev以上的宇宙線是每平方米每秒大約入射1個，如果是10¹⁶ev以上的宇宙線，同樣面積每年只入射1個。

如果將宇宙能量與入射頻數的關系繪制成對數坐標圖的話，幾乎成一直線。這意味著“宇宙線的能量上升10倍，超過此數的宇宙射線的入射頻數減少1%。但是為何來自各種發生源的宇宙線服從這個法則是一個很大的謎。

相對論決定“宇宙線能量上限”

那么，到底是在什么地方的高能量宇宙線能到達地球呢？實際上有專家預言：不管具有多高能量的宇宙線，經過宇宙空間的長途跋涉后肯定減弱到4×10¹⁹ev左右，這就是到達地球的宇宙射線的能量上限。

這個預言關系到充滿我們宇宙的光，即“宇宙背景輻射”。所謂宇宙背景輻射，是1965年發現的被視為宇宙大爆炸之后宇宙殘留的光。

作為宇宙線是以高速前進在宇宙空間中的質子。宇宙空間正以每立方厘米約400個光子（宇宙背景輻射）被布滿。為此，前進在宇宙空間里的質子以某個概率與光子碰撞。如果質子的能量在4×10¹⁹ev以下，它幾乎不發生碰撞照樣前進；若質子的能量超過4×10¹⁹ev，則與光子碰撞概率急速提高。在這個碰撞中產生π介子，因為它帶走質子的部分能量，所以質子的能量減到碰撞前的8～9成。

其后，直到質子能量減到4×10¹⁹ev之前，它會反復與光子碰撞減少能量。按計算，即使再高能量的質子，經過1.5億光年左右的宇宙空間旅行后，肯定其能量會減到4×10¹⁹ev以下。也就是說，從整個宇宙來看，只要發生源在地球附近，即1.5億光年內，地球上理應沒有4×10¹⁹ev以上的高能量宇宙線入射。人們將這個上限值以三位發現者的名字的第一個字母來命名，稱之“GZK界限”。順便指出，4×10¹⁹ev上限值是以愛因斯坦相對論為基礎，使用洛侖茲變換，從質子質量與宇宙背景輻射的溫度計算出來的。

11個超GZK的宇宙線

伴隨觀測裝置的大型化，科學家相繼發現超過GZK界限的宇宙線，向上述那個頻數的正確性發起挑戰。

如前所述，越是高能量的宇宙線入射地球的頻數變低。例如，假定超過GZK界限的10²⁰ev的宇宙線，按計算在100平方千米的大范圍每年僅有1個。據此，日本科學家于1990年在100平方千米的范圍內準備巨大的檢測器等待超GZK宇宙線射入。在大約100平方千米的土地上以每1千米的間隔設置了111臺閃爍檢測器，如果有宇宙線通過就能顯示閃爍。所有閃爍檢測器用光纖連接，顯示空氣簇射的信號集中到觀測站。如果分析閃爍檢測器信號的時間差，就可能確定初級宇宙線入射的方向。

日本科學家自1990年以來的13年間共捕捉到11例10²⁰ev以上的超GZK宇宙線，多是按原來理論無法解釋的。目前有一種觀點認為，可能在距地球1.5億光年內的近旁存在這樣高能量宇宙線的發生源。如果調查大量集中超GZK宇宙線的入射方向，則或許能發現未知高能量天體也未可知。另一種觀點認為，“GZK界限”的預言條件存在一定破綻。

結束爭論的計劃

實際上，專家對上述觀測結果也存有異議。美國的研究小組用望遠鏡捕捉空氣簇射在大氣中發出的熒光進行宇宙線觀測。美國的宇宙線檢測裝置與日本裝置一樣，同為世界上最大規模的宇宙線檢測裝置。專門捕捉超過10²⁰ev的高能量宇宙線。但是美國的觀測規模比日本的大1倍多，不過，它檢測到超過10²⁰ev的宇宙線比日本檢測到的少，只有3例。如果是這個數，則與理論吻合。為此，美國的研究小組認為日本的宇宙線檢測裝置在能量測定上有誤。

兩個研究小組結論究竟哪個正確呢？為了結束爭論，雙方科學家最終決定在美國猶太州760平方千米的廣闊原野上安裝576臺宇宙線檢測器，其靈敏度比日本的檢測裝置高10倍以上，美日科學家共同觀測。

總之，如果日本的結果是正確的話，則可能意味著相對論的失效，甚至可能從根基上動搖現代物理學；或者有可能發現潛藏在地球近旁的未知高能量天體，這也將是天文學上的一件大事?，F在人們正拭目以待這場紛爭將給出什么樣的結果。