辐射无处不在。尽管我们感觉不到它，但至少有时我们能意识到它的存在。比如说，如果一通手机电话打给我们，电话的信息就会通过电磁辐射传输。这种电磁辐射是否会对我们造成伤害，目前还存在很大的争议。但有一种特殊的辐射确实有可能伤害我们：电离辐射。这种辐射有足够的能量将电子驱赶出原子，破坏化学键。我们可以量化辐射在我们体内沉积的能量的多少（该能量可能会损害我们的细胞），来量化人所受到的辐射。每天到达我们的辐射总量一半是天然的，一半是人造的。我们可以通过不制造人造电离辐射来避免它。但大家要知道，大约90%的人造辐射来自医疗诊断，如X射线和CT图像。恐怕在紧急情况下，你无法拒绝这些诊断方法。

自然辐射以氡气为主（详见“核衰变”的相关内容），它来源于地壳内铀的衰变。在20世纪初，科学家们想研究这种自然辐射，于是，他们在不同的地方对其进行了测量，还特别研究了它与地面高度的关系。如果所有的自然辐射都来自地壳，那么离地面越远，辐射就越小。经过测试，这个假设……不成立。维克托·赫斯在1911年和1912年进行了非常详细的研究，打开了了解自然辐射新来源的大门。他把电离测量装置放到气球上，测量到在开始的1 000多米高度的上升过程中，辐射始终是减少的。但随后，辐射量不但没有进一步减少，反而增加了。在5 000米处的辐射强度已经是地面的两倍，在9 300米处，辐射强度竟然增加到了地面的40倍。

高空辐射

赫斯的结论是，有种新的辐射从遥远的高空传来，击中了地球的大气层，然后开始向地面传播。大气层为地球屏蔽了这种辐射。赫斯的气球飞得越高，大气层越稀薄，屏蔽作用就越小，所以他能测量到的辐射就越多。因为发现了这种新的所谓“宇宙辐射”，赫斯在1936年获得了诺贝尔物理学奖。

目前宇宙射线仍是一个引起人们极大兴趣的话题。有两个密切相关的问题让物理学家倍感困惑：一、宇宙射线的来源是什么？二、是什么把它们加速到如此高的速度？到目前为止，我们还没有谈到速度和与之相关的能量。宇宙粒子撞击地球大气层的能量高达1020eV。这相当于人类有史以来最大的粒子加速器——LHC中加速的质子能量的1 400多万倍。在加速粒子方面，似乎大自然有比我们更强大的方法。出于好奇，我们很想知道大自然是如何做到这一点的。

从一个粒子到一场粒子雨

这些超高能粒子不会落到地球表面，我们无法直接研究它们。因此我们要使用间接的方法研究，该方法的过程如下图中所示。一个宇宙粒子——大多数情况下是质子——击中大气的最外层。然后，它通过强相互作用与大气层中的粒子发生碰撞。最初的质子部分能量被转化为新的物质和反物质。新产生的粒子会与大气层中的其他原子发生进一步反应。每次反应都会产生更多的粒子。与此同时，平均到每个粒子上的能量将减少。这种大量粒子接连涌现的情况也发生在称为量能器的粒子探测器中。它们被称为强子雨（由强相互作用过程引起的）和电磁雨（由电磁相互作用引起的）。初始宇宙粒子的能量决定了粒子雨的传播。在这些粒子雨中，有一种特殊类型的粒子几乎不与大气中的原子发生相互作用，那就是μ子。由于它在向地面传播时几乎没有能量损失，所以很容易到达地面。我们可以在云室中看到这些宇宙μ子的踪迹，在用咖啡壶自制的μ子探测器中计算它们的数量，甚至可以看到它们穿过地下将近100米深处的粒子探测器（如ATLAS和CMS）。

研究宇宙射线需要测量它们的能量和方向。要做到这一点，你有两个选择。一个是在宇宙射线到达地球大气层并形成粒子雨之前对它们直接进行测量。为此，你必须像埃尔温和麦克斯韦那样，直接进入外太空测量。在国际空间站ISS上进行的AMS实验就是这样做的。另一个选择是测量地球表面的粒子雨。如果你想研究初始射线的能量，你必须测量粒子雨的规模：能量越大，粒子雨规模越大。真正的高能射线可以诱发上百万平方米的粒子雨。没人能建造足够覆盖这么大面积的探测器。于是，科学家们只造了几个小型探测器，让每个探测器负责一小块粒子雨，然后让它们进行通信，像拼图一样用这些信息碎片拼出全景。这样的探测器阵列，要么由探测粒子雨中的光子的天文望远镜组成，如HESS、MAGIC和VERITAS实验中的那样；要么由测量粒子雨中带电粒子的切伦科夫探测器组成（详见“中微子”相关章节）。说起切伦科夫探测器阵列，皮埃尔·奥格天文台就是其中之一，它是为非常大的宇宙射线雨而设计的，由1600个探测器组成，分布在阿根廷乡村的3000多平方公里的土地上。探测器基本上由一个水箱、一个太阳能板和一根天线组成。图片中便是它的样子。

爱天线的鸟儿

有个有趣的故事：越来越多的探测器出现能量耗尽的状况，科学家们开始猜测背后的原因。原因似乎是太阳能电池板不能再给探测器充电了。看看右侧照片中的探测器。你想得出来是怎么回事吗？太阳能电池板正上方的天线对于鸟儿来说是非常舒适的歇脚地。鸟儿时不时就会排泄。于是，一段时间后，太阳能板就会盖满鸟粪。幸好有一个简单的方法可以解决鸟类带来的问题，那就是把太阳能板擦干净，然后将天线旋转180度。

宇宙射线的研究还在进行中。我们仍然想知道大自然是如何将粒子加速到具有如此高能量的。有假想称，超新星爆发加速了在其冲击波阵面的粒子。研究宇宙射线的另一个原因，是我们想了解宇航员受到的辐射，特别是他们未来前往火星时要受到的辐射。飞出去的飞行器可没有像地球大气层这样的保护罩。顺便告诉大家：你不用去火星旅行也能看到所受辐射越来越大将对你造成怎样的影响——只要搭乘一趟洲际航班就可以了。你的飞机飞得越高，防护屏障就越稀薄。只要你不是每天都这样做，你受到的影响还是很小的。不过，在飞机上工作的人员要注意自己累积受到辐射的总量。