1912年4月7日
宇宙射线的发现
常做静电实验的人都知道，把验电器充电以后，验电器总会渐渐放电，最终将指针闭合。这本是一个熟知的现象，很多人认为这是验电器漏电引起的，因而不以为然。正在卡文迪许实验室工作的英国物理学家查理斯·威尔逊（图1）也发现了这个现象，当他人对此司空见惯时，他却没有放过，为什么无论验电器绝缘程度多么好，无论天气多么干燥，都有漏电发生呢？他认为其中一定有更深层次的原因，由这个细微的现象作为开端，在长达半个世纪之中，不但让很多科学家涉足其中，还引发了一个重大的发现。
图1
从1900年起，威尔逊开始实验追查，他从测量验电器的漏电速度，也就是漏电率入手，经大量测量发现，在同样干燥天气下，使用同一台验电器，无论在黑暗中，还是阳光照射下，无论带正电，还是带负电，验电器的漏电率都是一样的。他怀疑，造成漏电是空气中存在着来源不明的带电粒子源，也就是某种射线造成的。他把这一想法公布以后，这股神秘的辐射不仅使不少物理学家介入研究，甚至从地面追查到天上，规模之大令人始料不及。
英国物理学家卢瑟福首先关注辐射现象。1903年，他分别用铅、铁和水做隔离物，尝试着把验电器与辐射源隔开，实验结果出乎意料：如果屏蔽物很薄，对验电器的漏电现象没有影响；如果屏蔽物很厚，影响程度也只减少了30%。这个现象说明两点：第一，造成漏电的原因不仅在于外来的辐射；第二，这种辐射的贯穿力还很强。卢瑟福的实验更增加了这种辐射的神秘色彩。对辐射的来源，当时有两种说法：一种认为来自地表岩石，另一种认为来自外层空间。毕竟来自外层空间的说法“不太靠谱”，更多的人宁愿相信来自地面。
1910年，德国科学家和基督教传教士西奥多·乌尔夫（图2）决定到户外测试。他自制了一台高灵敏的便携式的静电计，带着这台静电计，他爬上了埃菲尔铁塔。根据他事先的计算，如果辐射源在地球表面，在80米高处，辐射能量将减到地表的一半，但一直到爬到塔尖，高度大约是330米时，漏电率也没有太明显的变化。4天之后，他把结果写成论文，投寄到德国《物理杂志》，很遗憾，这篇论文没有被接受。
图2
无巧不成书。奥地利的维克多·赫斯（图3）既是一位物理学家，又是一位气球飞行的业余爱好者。神秘的漏电现象也同样吸引了赫斯。他判断，漏电的原因来自外层空间的辐射源。为了验证这个判断，在1911年，他制作了10只气球，亲自乘气球把密封的静电计带到高空，前后共做了7次直接探测。就在第7次时，关键的结果终于出现了。
图3
1912年4月7日，他的气球到达了5300米高空。测试结果发现，在1500米以下，漏电率随着高度变化不明显；但在1500米以上时，随着高度的增加，漏电率明显地加大；到了5000米高度时，辐射强度竟然是地面的9倍。这一发现非同小可，由此确凿地证实了辐射源来自于地球之外更深远的太空。赫斯把这一发现以“7个自由气球飞行中的贯穿辐射”为题，写成论文，发表在1912年的《物理杂志》上。图4为赫斯最后一次气球高空探测落地时的照片，在气球篮中的站立者就是赫斯。
图4
可以想象，在当时赫斯的结果多么令人震惊，奇异的辐射不仅来自外层空间，而且异常强大，它的神秘色彩就更令人惊叹。但是赫斯的测试毕竟与实验室环境不同，既是单人的测量，又很难重复，其结果又如此惊人，有人对此表示怀疑是可以理解的。两年之后，即1914年，德国物理学家科尔·霍斯特把气球升到了9300米，发现辐射强度竟然是地面的50倍时，最终确认了赫斯的判断，于是“赫斯辐射”进入了科学界研究的视线。后来密立根把它命名为“宇宙射线”，意即来自宇宙的高能粒子流。由于对宇宙射线开创性的发现与测量，赫斯获得1936年的诺贝尔物理学奖。
宇宙射线的发现使人们认清了一个现象，即宇宙一直发生着持续不断的高能物理反应。20世纪30年代，著名的物理学家沃尔纳·海森堡曾经说过，“宇宙射线的研究，将推进我们对物理学基本问题的理解，因为它既包含最小尺度的基本粒子，也包含最大尺度的宇宙中物质的信息。”海森堡的这一思想极有远见，宇宙射线既为高能粒子的研究提供资源，又带来最大尺度的宇宙信息，因此宇宙射线是自然界对人类的恩赐，是科学研究的一笔奇异的宝藏。
从20世纪30～50年代，利用威尔逊云室、电子灵敏核乳胶及盖革-弥勒计数管等装置，人们在宇宙射线这个奇异宝藏里陆续发现了包括正电子、μ子、π介子、K介子、ᴧ粒子、Σ等基本粒子，由此开创了粒子物理学。从21世纪10年代开始，对宇宙射线从研究其粒子组成，发展到了研究宇宙问题。例如，对宇宙射线中的反物质粒子，特别是反氘核的研究揭示宇宙暗物质粒子在衰变或湮没时产生的反粒子和反氘核，而反氘核与其他反物质粒子又有所不同，它们能更好地揭示宇宙暗物质生成反粒子的物理机制，因而反氘核成为研究宇宙暗物质的一个有力的工具。更有人认为，研究反氘核不仅是研究暗物质的关键，它还与宇宙的“原生黑洞”及引力子模型理论都紧密相关。因而宇宙射线的探测已经成为宇宙暗物质、黑洞及引力作用机制等诸多课题研究一体化的现代天体物理前沿课题，这些课题是近代天文学、宇宙学的基础（参见本书6月6日“2014年反氘核的发现”）。
宇宙射线的探测与研究，既触及最大的宇宙，又深入最小的粒子，既联系了宇宙早期的过去，又触及了宇宙的现在。通过宇宙射线，人们获知许多自然界的秘密，它把人类的视界扩展到广袤的宇宙，更深入到了粒子的微观层次，同时还把微观世界与宇观世界联系了起来。而这一切研究的总源头就是宇宙射线的发现。宇宙射线的发现成为人类科学史上的一个重要的里程碑事件。
关键词：宇宙射线，查理斯·威尔逊，维克多·赫斯，cosmic rays，Charles Wilson，Victor Hess
图1：http://www.britannica.com/biography/C-T-R-Wilson
图2：http://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/paris-city-of-lights-and-cosmic-rays/