【簡介】
所謂宇宙射線，指的是來自于宇宙中的一種具有相當大能量的
帶電粒子流。1912年，
德國科學家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實驗中，發(fā)現(xiàn)
電離室內(nèi)的電流隨
海拔升高而變大，從而認定電流是來自地球以外的一種穿透性極強的射線所產(chǎn)生的，于是有人為之取名為“宇宙射線”。
宇宙線宇宙線
【發(fā)現(xiàn)】
1912年，德國科學家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實驗中，發(fā)現(xiàn)電離室內(nèi)的電流隨海拔升高而變大，從而認定電流是來自地球以外的一種穿透性極強的射線所產(chǎn)生的，于是有人為之取名為“宇宙射線”。
【形成】
宇宙射線（cosmic ray）一般指約在46億年前剛從
太陽星云形成的
地球。初生的地球，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
[1]。
那時，由于地球質(zhì)量還不夠大，還缺乏足夠的引力將大氣吸住，又有強烈的
太陽風（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。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。
原始大氣是無游離氧的還原性大氣，大多以化合物的形式存在，分子量大一些，運動也慢一些，而此時地球的質(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。以后，地球外表溫度逐漸降低，水蒸汽凝結(jié)成雨，降落到地球表面低凹的地方，便成了河、湖和原始海洋。當時由于大氣中無游離氧（O2），因而高空中也沒有臭氧（O3）層來阻擋和吸收
太陽輻射的
紫外線，所以紫外線能直射到地球表面，成為合成有機物的能源。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
大氣層時所引起的沖擊波（會產(chǎn)生攝氏幾千度到幾萬度的高溫）等，也都有助于有機物的合成。但其中天空放電可能是最重要的，因為這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物，很容易被沖淋到原始海洋之中。
宇宙射線產(chǎn)生
太陽系是在圓盤狀的銀河系中運行的，運行過程中會發(fā)生相對于銀河系中心位置的位移，每隔6200萬年就會到達距離銀河系中心的最遠點。而整個“銀河盤”又是在包裹著它的熱氣體中以每秒200公里的速度運行。“銀河盤并不像飛盤那樣圓滑，”科學家稱，“它是扁平的。”當銀河系的“北面”或前面與周圍的熱氣摩擦時就會產(chǎn)生宇宙射線。
【研究】
出于對宇宙射線研究的重視，世界各國紛紛投入資金與設(shè)備對其展開研究。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，但科學家們?nèi)匀恢鸩搅私饬擞钪嫔渚€的種種特性，以及對地球和人類環(huán)境的影響。
我們知道，宇宙線主要是由
質(zhì)子、氦核、鐵核等裸原子核組成的高能粒子流；也含有中性的珈瑪射線和能穿過地球的中微子流。它們在
星系際銀河和太陽磁場中得到加速和調(diào)制，其中一些最終穿過大氣層到達地球。人類對宇宙射線作微觀世界的研究過程中采用的觀測方式主要有三種，即：空間觀測、地面觀測、地下（或水下）觀測。
為了有效和長期對宇宙射線進行觀測，各國都相繼建立了觀測站。1943年，
前蘇聯(lián)在
亞美尼亞建立了海拔3200米的阿拉嘎茲高山站；日本在戰(zhàn)后建立了海拔2770米的乘鞍山觀測所；1954年我國建立了海拔3200米的云南東川站。1990年，中日雙方共同合作建立了西藏羊八井宇宙射線觀測站。幾乎所有外來的高能宇宙線，除
中微子外在穿過大氣層時都要與大氣中的氧、氮等原子核發(fā)生碰撞，并轉(zhuǎn)化出次級宇宙線粒子，而超高能宇宙線的次級粒子又將有足夠能量產(chǎn)生下一代粒子，如此下去，將會產(chǎn)生一個龐大的
粒子群；這一現(xiàn)象是1938年由法國人奧吉爾在
阿爾卑斯山觀測發(fā)現(xiàn)的，并取名為“
廣延大氣簇射”。
在廣延大氣簇射過程中，能量低于10的14次方電子
伏特的粒子很難到達3000米以下的低空，而是在4000米處超高能粒子群發(fā)展到極大。由于西藏羊八井地處海拔4300米，終年無積雪，地勢平坦開闊，在能源、交通及生活上都具有便利條件，科研人員可在此進行長年不間斷觀測。 以羊八井的閃爍體探測器為例，當粒子穿過閃爍體時在其中損失能量使閃爍體發(fā)生熒光，這一束閃光經(jīng)過光陰極轉(zhuǎn)換和光電倍增管放大后變?yōu)橐粋€電脈沖信號。這個信號經(jīng)過電纜被送到電子學記錄系統(tǒng)，由磁帶進行全年不間斷記錄。同時我們可以想到，如果我們在單位面積上安裝的閃爍體越多、密度越大；所接收的射線粒子也越多，記錄就更精密。除閃爍體探測器以外，羊八井站建成的宇宙射線采集方式還有：80平米乳膠室和地方性簇射探測器；中子堆中中子
望遠鏡；試驗型50平米RPC地毯式
探測器。
宇宙射線還存在著轉(zhuǎn)化、簇射的過程。除中微子外，幾乎所有的高能宇宙射線，在穿過大氣層時都要與大氣中的氧、氮等原子核發(fā)生碰撞，并轉(zhuǎn)化出次級宇宙線粒子，而超高能宇宙線的次級粒子又將有足夠能量產(chǎn)生下一代粒子，如此下去，一級一級的轉(zhuǎn)化，將會產(chǎn)生一個龐大的粒子群。1938年，法國人奧吉爾在阿爾卑斯山觀測發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，并將其命名為“廣延大氣簇射”。
【影響】
雖然當宇宙射線到達地球的時候，會有大氣層來阻擋住部分的輻射，但射線流的強度依然很大，很可能對空中交通產(chǎn)生一定程度的影響。比方說，現(xiàn)代飛機上所使用的控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)均有相當敏感的
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，給飛機的飛行帶來相當大的麻煩和威脅。
還有科學家認為，長期以來普遍受到國際社會關(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。這種觀點認為，
溫室效應(yīng)可能并非全球變暖的惟一
罪魁禍首，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。這些科學家的研究認為，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，當宇宙射線較少時，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。對過去20年太陽活動和它的放射性強度的觀測數(shù)據(jù)支持這種新的觀點，即太陽活動變得更劇烈時，低空云層的覆蓋面就減少。這是因為從太陽射出的低能量帶電粒子(即太陽風)可使宇宙射線偏轉(zhuǎn)，隨著太陽活動加劇，太陽風也增強，從而使到達地球的宇宙射線較少，因此形成的云層就少。此外，在高層空間，如果宇宙射線產(chǎn)生的帶電粒子濃度很高，這些帶電離子就有可能相互碰撞，從而重新結(jié)合成中性粒子。但在低空的帶電離子，保持的時間相對較長，因此足以引起新的云層形成。
此外，幾位美國科學家還認為，宇宙射線很有可能與生物物種的滅絕與出現(xiàn)有關(guān)。他們認為，某一階段突然增強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。從這種觀點來看，宇宙射線倒還真是名副其實的“宇宙飛彈”。
【意義】
今天，人類仍然不能準確說出宇宙射線是由什么地方產(chǎn)生的，但普遍認為它們可能來自
超新星爆發(fā)、來自遙遠的活動星系；它們無償?shù)貫榈厍驇砹巳盏乜臻g環(huán)境的寶貴信息。科學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。
宇宙射線的研究已逐漸成為了天體物理學研究的一個重要領(lǐng)域，許多科學家都試圖解開宇宙射線之謎。可是一直到現(xiàn)在，人們都并沒有完全了解宇宙射線的起源。一般的認為，宇宙射線的產(chǎn)生可能與超新星爆發(fā)有關(guān)。對此，一部分科學家認為，宇宙射線產(chǎn)生于超新星大爆發(fā)的時刻，“死亡”的恒星在爆發(fā)之時放射出大能量的帶電粒子流，射向宇宙空間；另一種說法則認為宇宙射線來自于爆發(fā)之后超新星的殘骸。
不管最終的定論將會如何，科學家們總是把極大的熱情投入到宇宙射線的研究中去。關(guān)于為什么要研究宇宙射線，羅杰·柯萊在其著作《宇宙飛彈》作出了精辟的闡釋：
“宇宙射線的研究已變成
天體物理學的重要領(lǐng)域。盡管宇宙射線的起源至今未能確定， 人們 已普遍認為對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)動的吸積盤的知識。我們對這些天體物理學客體的理解還很粗淺，當今宇宙射線研究的主要推動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。”
1903年，盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）（左圖）和庫克（H.L.Cooke）研究過這個問題。他們發(fā)現(xiàn)，如果小心地把所有放射源移走，在驗電器中每立方厘米內(nèi)，每秒鐘還會有大約十對離子不斷產(chǎn)生。他們用鐵和鉛把驗電器完全屏蔽起來，離子的產(chǎn)生幾乎可減少十分之三。他們在論文中提出設(shè)想，也許有某種貫穿力極強，類似于
γ射線的輻射從外面射進驗電器，從而激發(fā)出二次放射性。
1909年，萊特（Wright）為了搞清這個現(xiàn)象的緣由，在加拿大安大略（Ontario）湖的冰面上重復(fù)上述實驗，發(fā)現(xiàn)游離數(shù)略有減小。
1910年，法國的沃爾夫（Father Theodor Wulf）在巴黎300米高的埃菲爾塔頂上進行實驗，比較塔頂和地面兩種情況下殘余電離的強度，得到的結(jié)果是塔頂約為地面的64％，比他預(yù)計的10％要高。他認為可能在大氣上層有γ源，也可能是γ射線的吸收比預(yù)期的小。
1910-1911年，格克耳（Alfred Gockel）在
瑞士的蘇黎世讓氣球把電離室?guī)У?500米高處，記錄下幾個不同高度的放電速率。他的結(jié)論是：“輻射隨高度的增加而降低的現(xiàn)象……比以前觀測到的還要顯著。”
這種源的放射性與當時人們比較熟悉的放射性相比具有更大的穿透本領(lǐng)，因此人們提出這種放射性可能來自地球之外——這就是宇宙射線最初的跡象。
奧地利物理學家赫斯(Victor Franz Hess,1883-1964)是一位氣球飛行的業(yè)余愛好者。他設(shè)計了一套裝置，將密閉的電離室吊在氣球下，電離室的壁厚足以抗一個大氣壓的壓差。他乘坐氣球，將高壓電離室?guī)У礁呖眨o電計的指示經(jīng)過溫度補償直接進行記錄。他一共制作了十只偵察氣球，每只都裝載有2～3臺能同時工作的電離室。
1911年，第一只氣球升至1070米高，在那一高度以下，輻射與海平面差不多。翌年，他乘坐的氣球升空達5350米。他發(fā)現(xiàn)離開地面700米時，電離度有些下降（地面放射性造成的背景減少所致），800米以上似乎略有增加，而后隨著氣球的上升，電離持續(xù)增加。在1400米～2500米之間顯然超過海平面的值。在海拔5000米的高空，輻射強度竟為地面的9倍。由于白天和夜間測量結(jié)果相同，因此赫斯斷定這種射線不是來源于太陽的照射，而是宇宙空間。
赫斯認為應(yīng)該提出一種新的假說：“這種迄今為止尚不為人知的東西主要在高空發(fā)現(xiàn)……它可能是來自太空的穿透輻射。”
1912年赫斯在《物理學雜志》發(fā)表題為“在7個自由氣球飛行中的貫穿輻射”的論文。
赫斯的發(fā)現(xiàn)引起了人們的極大興趣，從那時開始，科學界對宇宙射線的各種效應(yīng)和起源問題進行了廣泛的研究。最初，這種輻射被稱為“赫斯輻射”，后來被正式命名為“宇宙射線”。當時，許多物理學家懷疑赫斯的測量，并認為這種
大氣電離作用不是來自太空，而是起因于地球物理現(xiàn)象，例如組成地殼的某種物質(zhì)發(fā)出的放射性。現(xiàn)在認為，宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流的總稱。
1914年，德國物理學家柯爾霍斯特（Werner Kolhorster，1887-1946）將氣球升至9300米，游離電流竟比海平面大50倍，確證了赫斯的判斷。
1922年，美國科學家密立根（Robert Andrews Millikan，1868-1953）（左圖）和玻恩（I.S.Bowen）將這些實驗?zāi)玫?5000英尺的高空去做，為了解決這種輻射的來源，他們先是在高山頂上測量，后來又把裝有驗電器和電離器的不載人的氣球升到高空來測量大氣的電離作用。
1925年夏，密立根和助手們在加利福尼亞州群山中的Muir湖（繆爾湖）和Arrowhead湖（慈菇湖）的深處做實驗，試圖通過測量電離度與湖深的變化關(guān)系來確定宇宙射線的來源，之所以選擇這兩個湖，是因為它們都是由雪水作為水源，可以避免放射性污染；而且，這兩個湖相距較遠，高度相差6.675英尺，這樣可以避免相互干擾和便于比較。
1925年11月9日，國家科學院在威斯康星州的Madison召開會議，密立根報告了測量的結(jié)果，他的結(jié)果表明，這些射線不是起源于地球或低層大氣，而是從宇宙射來的，密立根同意當時大多數(shù)人的觀點，認為宇宙射線是一種高頻電磁輻射，其頻率遠高于
X射線，是后者平均頻率的1000倍。他認為，這種射線的穿透力既然比最硬的γ射線還強許多，當然不會由帶電粒子組成。如果假定宇宙射線真是像陰極射線那樣的帶電粒子流，那它能穿透相當于6英尺厚度鉛塊的穿透力，將使這些粒子具有當時難以想像的高能量。如果假定宇宙射線由光子（即電磁輻射的量子）組成，那么宇宙射線輻射到地球時，其飛行路線將不受地磁的影響；相反，如果宇宙射線是由帶電粒子組成，則它將肯定受到
地磁場的影響，飛到高緯度地區(qū)的宇宙射線帶電粒子將多于低緯度的地區(qū)，即有“緯度效應(yīng)”(latitude effect)，而密立根的測量結(jié)果表明，宇宙射線來自四面八方，不受太陽和銀河系的影響，也不受大氣層或地磁緯度的影響。
1927年，斯科別利茲（Dimitr Skobelzyn）利用云霧室攝得宇宙射線痕跡的照片，根據(jù)徑跡在云霧室里的微小偏轉(zhuǎn)，第一次確認了宇宙線粒子徑跡。
1927-1929年，荷蘭物理學家克萊(J.Clay,1882-1955)在從荷蘭到印度尼西亞爪哇島的旅行中，發(fā)現(xiàn)了緯度效應(yīng)的蹤跡——靠近赤道處宇宙射線強度比較低。
博思（Walther Bothe，1891-1957）提出的符合計數(shù)法是在蓋革計數(shù)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，他所做的革新是利用兩個計數(shù)管，使得只有電離碰撞在兩個計數(shù)管中同時發(fā)生時，這兩個計數(shù)管才會計數(shù)。他利用符合法來判斷能量和動量守恒定律對光子和電子的每一次碰撞是否都有效，或者說這些定律是否是作為一種統(tǒng)計平均才成立。為了利用計數(shù)器研究被散射的α粒子和反沖電子之間是否符合，他與蓋革考察了單個的康普頓散射，得到的結(jié)論是：能量和動量守恒定律對光子和電子之間的每一次碰撞都是有效的。從此，符合法在宇宙線的研究中得到了廣泛應(yīng)用。1930年前后，宇宙線領(lǐng)域里的一些重要發(fā)現(xiàn)幾乎都和符合法分不開。符合法的發(fā)明也為核物理、
α射線和超聲波等方面的研究提供了有效工具。博思與玻恩共同分享了1954年度
諾貝爾物理學獎。
1931年秋季，在羅馬召開的國際核物理會議上，物理學家們向密立根提出的宇宙射線的電磁本質(zhì)假說發(fā)起了公開的挑戰(zhàn)。意大利物理學家羅西（Bruno Benedetto Rossi，1905-1993）（右圖）在分析大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出：從海平面觀察到的宇宙線，本質(zhì)上是由能量非常高的帶電粒子組成；從強磁場使其偏轉(zhuǎn)顯示的結(jié)果來看，它們的能量大約高于幾十個億電子伏，遠大于密立根的估計值。這些帶電粒子也許是在大氣層中，由宇宙
輻射源初始的高能γ輻射產(chǎn)生的，但這種γ輻射（即光子）的能量遠遠高于密立根所說的“原子構(gòu)造”時釋放的能量。還有第二種可能，即宇宙線中觀察到的高能粒子就是最初的宇宙輻射，或者至少是它有意義的一部分。
密立根讓研究生安德遜利用強磁場中的
云室，直接測量宇宙射線的能量，但安德遜的工作卻否定了密立根的假說，還導(dǎo)致了
正電子的發(fā)現(xiàn)。
1932年，C.D.安德森（Carl David Anderson, 1905-1991）（左圖）發(fā)現(xiàn)了正電子，這是宇宙射線研究的第一項引人注目的成果。
C.D.安德森是美國加州理工學院物理教授密立根（R.A.Millikan）的學生，從1930年開始跟密立根做宇宙射線的研究工作。從1930年起C.D.安德森負責用云室觀測宇宙射線。安德森采用一個帶有非常強磁鐵的威爾遜云室來研究宇宙射線。他讓宇宙射線中的粒子通過室內(nèi)的強磁場，并快速拍下粒子徑跡的照片，然后根據(jù)徑跡長度、方向和曲率半徑等數(shù)據(jù)來推斷粒子的性質(zhì)。
1932年8月2日，C.D.安德森在照片中發(fā)現(xiàn)一條奇特的徑跡，這條徑跡和負電子有同樣的偏轉(zhuǎn)度，卻又具相反的方向（右圖），顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率判斷，又不可能是質(zhì)子。于是他果斷地得出結(jié)論，這是帶正電的電子。
狄拉克預(yù)言的正電子就這樣被安德森發(fā)現(xiàn)了。
當時C.D.安德森并不了解狄拉克的電子理論，更不知道他已經(jīng)預(yù)言過正電子存在的可能性。狄拉克是在他的相對論電子理論中作出這一預(yù)言的。從他的方程式可以看出，電子不僅應(yīng)具有正的能態(tài)，而且也應(yīng)具有負能態(tài)。他認為這些負能態(tài)通常被占滿，偶而有一個態(tài)空出來，形成“空穴”，他寫道：“如果存在空穴，則將是一種新的，對實驗物理學來說還是未知的粒子，其質(zhì)量與電子相同，電荷也與電子相等，但符號不同。我們可以稱之為反電子。”他還預(yù)言：“可以假定，質(zhì)子也會有它自己的負態(tài)。……其中未占滿的狀態(tài)表現(xiàn)為一個反質(zhì)子。”關(guān)于反質(zhì)子的預(yù)言，到1945年才由西格雷（Emilio Segrè）證實。
英國物理學家布萊克特（Baron Patrick Maynard Stuart Blackett, 1897-1974）從1921年起進行改進威爾遜云室照相技術(shù)以研究原子核的人工轉(zhuǎn)變。1924年，他用云室照片首次成功地驗證了人工輕核轉(zhuǎn)變，即氦-14核俘獲α粒子變?yōu)檠?17。1925年，他創(chuàng)制了云室照相受自動計數(shù)器控制的裝置。在C．D．安德森發(fā)現(xiàn)正電子后的短短幾個月，布萊克特就用他拍攝的正負電子成對產(chǎn)生過程的宇宙線徑跡照片有力地證實了正電子的存在。
由于宇宙射線和正電子的發(fā)現(xiàn)有密切聯(lián)系，諾貝爾委員會將1936年諾貝爾物理學獎授予這兩個相關(guān)項目的赫斯和安德森，而布萊克特因改進威爾遜云室以及由此在核物理領(lǐng)域和宇宙射線方面作出的一系列發(fā)現(xiàn)，獲得了1948年度諾貝爾物理學獎。
美國物理學家康普頓（Arthur Holy Compton，1892～1962）（右圖）因發(fā)現(xiàn)
康普頓效應(yīng)（也稱“康普頓散射”）于1927年獲諾貝爾物理學獎。他的主要興趣是核物理研究，他預(yù)見核能會給人類帶來巨大的利益，為了充分利用核能，康普頓決定先研究宇宙射線，計劃在1932年對地磁緯度不同和高海拔的地方，進行宇宙射線強度等方面的測量，康普頓組織了6個遠征隊，到世界各地的高山、赤道附近低緯度區(qū)等進行了廣泛測量，以便對初始的宇宙射線到底是光子還是帶電粒子作出合理的判斷，康普頓本人主持了美國中西部的落磯山脈以及歐洲南部的阿爾卑斯山脈、澳大利亞、新西蘭、秘魯和加拿大等地的兩個遠征隊。
1932年3月18日，康普頓開始了行程5萬余英里，遍歷五大洲，跨越赤道5次的遠征，遠征開始時，康普頓傾向于接受密立根的（光子的）假說，在廣泛測量之后，他的觀點有了根本性的變化，他斷定：海平面的宇宙射線強度可以相當滿意地表示為只是地磁場傾角的函數(shù)；宇宙射線的強度隨高度連續(xù)地增大，密立根所斷言的在9000米處有最大值并不存在。9月份以后，康普頓陸續(xù)收到60多位科學家在分布范圍極廣的69個觀測站測量到的數(shù)據(jù)，反映了緯度從北78°到南46°、經(jīng)度從東175°到西173°這個地理經(jīng)緯度的范圍內(nèi)，宇宙射線強度的分布情形，康普頓宣布宇宙線存在緯度效應(yīng)，并認為宇宙射線是帶電的高能粒子。
密立根在1932年也進行了范圍較廣泛的觀測。加利福尼亞理工學院一位年青物理學家內(nèi)赫（H.V.Neher）發(fā)明了一種高靈敏度的自動記錄驗電器。空軍的負責人同意密立根使用轟炸機，可將測量儀器帶到8000多米高空。9月底，密立根在氣象署的幫助下利用氣球到平流層作了測量。如果宇宙射線真是帶電粒子流，密立根應(yīng)當有條件得到康普頓相同的結(jié)論的，但他們由觀測所得到的結(jié)論卻完全不同（左圖為密立根發(fā)表的文章）。
1932年12月底，美國物理學會在新澤西州大西洋城（Atlantic City）召開會議，密立根和康普頓這兩位諾貝爾物理獎獲得者就宇宙射線的本質(zhì)進行了激烈的爭論。康普頓在會議上報告：不同緯度處宇宙射線強度有明顯不同，說明初始宇宙射線有帶電粒子的特征，并提出了支持這種觀點的三種實驗。密立根在大西洋會議上宣讀了內(nèi)赫跨越赤道航行的測量結(jié)果，沒有發(fā)現(xiàn)緯度效應(yīng)。由于雙方都宣稱自己有實驗為證，無法統(tǒng)一思想，但大多數(shù)物理學家已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向承認康普頓的觀點。
1935年11月11日，由兩名勇敢的駕駛員（Albert W. Stevens和Orvil A. Anderson）駕駛探測者2號氦氣球（體積為113000立方英尺）上升到官方記錄的22066米的高空，收集了大氣、宇宙線和其他數(shù)據(jù)。
美國加利福尼亞理工學院的內(nèi)德梅耶（Seth Neddermeyer，1907-1988）（右圖）和安德森（Carl D. Anderson）1934年提出假設(shè)：具有高度貫穿力的蹤跡是質(zhì)量在電子與質(zhì)子之間的粒子的蹤跡。（左圖為安德森與內(nèi)德梅耶）
1936年，他們在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種帶單位正電荷或負電荷的粒子，質(zhì)量為電子的206.77倍，人們以為它就是
湯川秀樹1930年預(yù)言的介子，稱它為
μ介子，后來發(fā)現(xiàn)這種粒子其實并不參與強相互作用，是一種輕子，所以改名為
μ子。
1938年，奧格爾（Pierre Auger，1899-1993）（右圖）發(fā)現(xiàn)了廣延空氣簇射。簇射是由原始高能粒子撞擊產(chǎn)生的次級亞原子粒子。他發(fā)現(xiàn)簇射的能量高達 1015 電子伏特，即當時已知的一千萬倍。
1940年3月9日，一架比奇AD-17雙翼飛機在海拔21050英尺高空飛越南極，為美國探險隊測量宇宙線。
1946年，物理學家羅西（Bruno Rossi）與查才品（Georgi Zatsepin）領(lǐng)導(dǎo)的小組進行了首次空氣簇射結(jié)構(gòu)的實驗（右圖）。研究小組創(chuàng)建了首個探測空氣簇射的相關(guān)探測器陣列。
1946年，兩位英國科學家羅徹斯特（George D.Rochester）和巴特勒（Clifford C.Butler，1922-1999）拍了許多云霧室事件的照片，在其中一張照片中，發(fā)現(xiàn)了些形狀象字母V的徑跡。只有承認質(zhì)量近似為494MeV/c2 的粒子在飛行中衰變成二個
π介子時生成這些徑跡，才能對此作出解釋。人們確信存在一種新的粒子，根據(jù)其徑跡形狀，就叫它V粒子（左圖）。這種V粒子現(xiàn)在叫作K0粒子，這就是后來被稱為
奇異粒子的一系列新粒子發(fā)現(xiàn)的開始。
1947年8月16日，物理學家波默蘭茨（Martin Pomerantz）宣布放飛了4個攜帶宇宙線探測儀的氣球（左圖），在至少127000英尺的高度越過了南極地區(qū)。
1947年，英國的鮑威爾（Cecil Frank Powell,1903-1969）等人創(chuàng)造了將核乳膠用氣球送到高層空間去記錄宇宙線的方法，在玻利維亞安第斯山地區(qū)從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了湯川秀樹1930年所預(yù)言的π介子，質(zhì)量約為電子質(zhì)量273倍，它與原子核之間有很強的相互作用，稱為帶電π介子。π介子存在的時間僅有兩億分之二點五秒，之后便分裂為μ介子，μ介子存在時間相對較長，為百萬分之一秒，并以每秒鐘上萬公里的速度飛行。
湯川秀樹與鮑威爾分別于1949年和1950年獲得諾貝爾物理學獎。
1948 年，劍橋大學的天文學教授霍伊爾（Fred Hoyle，1915-2001）（左圖）與邦迪（Hermann Bondi ）、戈爾德（Thomas Gold ）一起提出了“穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論”，該理論認為宇宙在大尺度上，包括任何時候和任何地方，都是一樣的。在這個“穩(wěn)恒態(tài)”宇宙中沒有開始，沒有結(jié)束。星系在各個方向上簡單地飛離，就像烤蛋糕時蛋糕上的葡萄干隨著蛋糕膨脹而遠離。為了填補星系退行后留下的虛空并保持宇宙總的外觀，他們假定物質(zhì)在星系際空間無中生有地創(chuàng)生，物質(zhì)的創(chuàng)生率（每立方公里每年產(chǎn)生一個粒子）恰好用來形成新的星系。
1948年，伽莫夫（George Gamow，1904-1968）和阿爾法（Ralph Asher Alpher，1921-）也提出了宇宙是從一個原始高密狀態(tài)演化而來的理論，并請著名核物理學家貝蒂（Hans Bethe）一起署名，這一理論被稱作αβγ（ Alpher, Bethe,& Gamow ）理論，霍伊爾在1952 年把它稱為“大爆炸理論”（the Big Bang ），但他認為宇宙不會在一聲爆炸中產(chǎn)生。
1949年，費米（Enrico Fermi,1901～1954）發(fā)表宇宙射線理論，嘗試以超新星爆發(fā)的磁力沖擊波來解釋宇宙射線的粒子加速機制，但未足以解釋最高能宇宙射線的存在。
1962年，美國麻省理工學院的林斯里（John Linsley）與同事，利用新墨西哥州火山農(nóng)場10平方公里的空氣簇射探測器組探測到一個能量估計為 1020 電子伏特的宇宙射線。
1965年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯（Arno Penzias，1933-和威爾遜（R.W.Wilson）無意中發(fā)現(xiàn)了大爆炸理論預(yù)言的宇宙微波背景輻射。他們本想要使用一根大型通信天線進行射電天文學的實驗研究，但因不斷受到一個連續(xù)不斷本底噪聲的干擾，使得實驗無法進行下去。那個噪聲的波長為7.35厘米，相當于3.5k溫度的黑體輻射，其各向同性的程度極高，而且與季節(jié)變化無關(guān)。幾乎一年，他們想盡辦法跟蹤和除去這個噪聲但絲毫不起作用，便打電話給普林斯頓大學的羅伯特·迪克（Robert Henry Dick, 1916～），向他描述遇到的問題，希望他能作出一種解釋。迪克馬上意識到兩位年輕人想要除去的東西正是迪克研究組正在設(shè)法尋找的東西——
宇宙大爆炸殘留下來的某種宇宙背景輻射。彭齊亞斯和威爾遜獲得了1978年諾貝爾物理學獎。
1966年，格雷森（ Kenneth Greisen）、查才品（Georgi Zatsepin）和古茲文（Vadem Kuzmin）認為，高能宇宙線與微波背景輻射相互影響減小了能量，因此宇宙射線的能量應(yīng)低于5 x 1019電子伏特。（右圖為衛(wèi)星記錄的宇宙微波背景圖）
【現(xiàn)代的宇宙線探測方式】
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)。這些次級粒子再重復(fù)作用產(chǎn)生更多次級粒子，直到平均能量等于某些臨界值，次級粒子的數(shù)目達到最大值，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，空氣簇射的次級粒子是高空的主要輻射源，海拔20公里處輻射最強，100公里以上的
太空輻射則以太陽風及宇宙射線為主。
空氣簇射的成份主要以輕子居多，重子最少。探測空氣簇射有三種方式：地面（及地下）陣列、契倫可夫望遠鏡、螢光望遠鏡。
地面（及地下）陣列通常需要多個帶電粒子探測器組成，分布于廣大平坦的區(qū)域，次級粒子才能有充足的取樣，可全年操作。契倫可夫望遠鏡可探測由次級粒子產(chǎn)生的契倫可夫光，螢光望遠鏡可探測帶電粒子游離氮氣產(chǎn)生的螢光，這兩種望遠鏡只能在夜間操作且需避開城市光源，平均操作時間只有10%。
宇宙射線為來自太陽系以外的高能量粒子，能量約從109eV to 1020eV以上。在靠近地球的太空中，每秒每平方公分約有一個宇宙射線穿過。宇宙射線的主要成份是質(zhì)子，及其它核種從氦核到鐵核以上，甚至微量的鑭系元素。人造
粒子加速器其最高能量約為1013eV。右圖顯示了宇宙射線的能譜，橫跨12個數(shù)量級的能量。能譜上有兩個有重要物理意義的轉(zhuǎn)折點，1015eV稱為膝點(knee)，3′1018eV稱為踝點(ankle)。極高能宇宙射線(Ultra High Energy Cosmic Rays: UHECR)主要研究1018eV以上的宇宙射線。為什么會有這么高的能量？它們的來源在那里？它們是什么粒子？這些都是宇宙射線物理學家的研究課題。
UHECR的研究經(jīng)費在美國超導(dǎo)對撞機(Superconducting Super Collider)計劃終止后快速增加，并成為天文粒子物理學研究的三大主流之一(另兩項為早期宇宙與微波背景、
微中子與暗物質(zhì))。
