發現宇宙射線 │ 科學史上的今天：06/24

2015/06/24 |

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美國物理學家安德森（Carl D. Anderson）於 1932 年發現電子的反物質──正子，成為首位證實反物質存在的人，因而獲得 1936 年的諾貝爾物理獎，可謂實至名歸。不過，當年還有一位物理學家與他共同獲獎，那就是今天生日的赫斯（Victor F. Hess, 1883–1964），因為他，安德森才能發現反物質，令物理學家困惑一百多年的現象也才獲得解答。

十八世紀末，庫倫利用靜電研究電力與距離的關係時，就發現帶電物體放置一陣子後會逐漸失去電荷。但帶電物體除了空氣並未接觸到其它物品，而空氣是良好的絕緣體，實在難以理解為什麼電荷會消失不見。後來的物理學家也都在實驗中發現此一現象，但百年來無人能提出合理的解釋。

1896 年，貝克勒（Henri Becquerel）無意間發現鈾礦的放射性，於是科學家猜測或許是岩石發出的放射線使空氣游離，因而中和了帶電物體的電荷。然而，發明光電管的德國物理學家艾斯特（Johann Elster）和蓋特爾（Hans Geitel）於 1900 年做實驗發現，帶電物體離地面高時反而比靠近地面更容易失去電荷，晴天又比大霧時容易失去電荷，可見使空氣游離的輻射應該不是來自地面。不過 1910 年又有科學家在巴黎鐵塔上實驗發現電荷流失得比較慢。究竟輻射來自何處？

出生於奧地利的物理學家赫斯決定親自找出答案。他在 1911 與 1912 年間冒著命危險，多次乘坐熱氣球到高空進行測量。他用更精確的電離室取代靜電計，發現在一公里處測得的結果與海平面相同，因此可以排除輻射來自地面的可能性。之後隨著高度越高，電離程度越大，到了 5.3 公里處，竟然是地面的九倍。赫斯在夜晚升空也測到同樣的結果，因此他可以肯定地向世人宣告：輻射自宇宙的四面八方向地球襲來。

赫斯發現宇宙射線後，物理學家才得知這項比天然放射性粒子以及陰極射線更強大的工具就在週遭，才用它來研究次原子的基本粒子。自安德森發現正子後，二十多年間又有渺子、π介子、K介子等基本粒子陸續被發現。另一方面，宇宙射線源自於天體的誕生與死亡，因此也透露了恆星、星系，乃至宇宙的演化歷史。感謝赫斯，我們才能透過宇宙射線這扇窗，一窺從基本粒子到壯闊宇宙的其中奧秘。