漫聊合集 神秘的宇宙高能射線

如果某天早上你醒來的時候 發現自己的房子正在被人用機槍掃射 那可真算得上是十萬火急了 你肯定不會優先自得的穿好衣服 開始新的一天 然後呢 等待經費可憐的科學家去幫你解決這個問題 可是事情就是這麼巧 我們說的這個情景 恰恰就是你在此時此刻的處境 如果你把地球當做你的房子 而把宇宙射線當做子彈的話 每天都有無數這樣的子彈 在打擊我們的大氣層 它們攜帶的能量加在一起比一次核爆炸還要多 令人不安的是 我們完全不知道這種掃射到底從何而來 我們不知道這些子彈從哪裏來 也不知道它們的數量爲什麼這麼多 更不知道這種高能彈藥究竟是怎樣形成的 這些神祕的宇宙射線到底是什麼呢 我們又是爲什麼被它們時時刻刻以巨大的能量攻擊呢 這小節咱們就來說說神祕的宇宙射線 宇宙射線這個叫法可能有點故弄玄虛了 這只不過是一種來自太空的粒子 恆星還有其他的天體 都在不斷的向我們發射各種各樣的東西 包括光子啊 質子啊 中微子啊 甚至某些重粒子 我們的太陽就會產生很多太空粒子 我們都知道太陽會發光 但是除此之外 它還會發出很多高能的光子 比如說紫外線啊 伽馬射線等等 這些射線會穿透你的身體 並且有發癌症 但是這些啊 都沒法和來自於太陽聚變爐中的中微子相提並論 每秒鐘都有數以千億計的中微子從你的指尖掠過 不過呢 中微子幾乎不和其他的物質發生作用 所以呢 你也感覺不到它 也不用爲此擔心 一般來說 在一千億箇中微子裏 只有一個會注意到你的存在 並且與你拇指中的一個粒子相接觸 而剩下的絕大多數中微子都會不經過任何相互作用 它們會直接穿過地球 所以說 你躲不開鋪天蓋地的中微子 但是呢 中微子也實在懶得攻擊你 還有更重要的帶電粒子 它們會對人體這個精密裝置構成一個威脅 質子還有原子核就是這種粒子 高能的質子 它的能量足以撕裂人體 宇航員就要特別小心 並且確保始終能有效防護高能的質子 除此之外呢 太陽像任何巨大的火球一樣 難以預測 大多數的時候 它對我們屬於是小火慢煎 當然這裏說的小火 溫度也是非常的高 但是呢 有時候它也會消化不良 從而出現太陽耀斑 耀斑會將等離子束髮射到遙遠的太空 並且釋放出額外的有害粒子 任何一個置身太空中的人 都得時刻注意和太陽有關的精準天氣預測 一旦探測到這種耀斑 就必須立刻採取額外的防護措施 關鍵是 每時每刻都有無數太空粒子在打擊着地球 而且它們攜帶着很多很多能量 不過幸運的是 地球上的我們得到了大氣層的保護 大部分擊中地球的高能粒子 都與覆蓋在地球表面的空氣 還有氣體分子發生了猛烈的碰撞 並且分解掉了 從而形成了大規模的低能粒子雨 你可能會好奇 北極光或者南極光是從哪來的 它們就是宇宙射線流 被北極和南極的磁場偏轉而發出的光 但是這種保護只在地球的表面起作用 如果你在遠高於地球表面的地方 待上一定的時間 比如說去飛機上 你就會被更多這樣的輻射所傷害 這些粒子有多快呢 在地球的表面上 製造高速粒子的世界記錄 是由大型強子對撞機保持的 它能將粒子加速到十萬億電子伏特 任何東西達到萬億級別都很了不起 這些太空粒子攜帶的能量更加令人驚奇 宇宙粒子就是每時每刻 都在帶着十萬億電子伏特 這個級別的能量衝擊着地球 那這個衝擊的頻率有多大呢 差不多就是每秒每平方米 有一個這樣的高能粒子衝向我們 那你想地球這麼大 每秒鐘都有海量的粒子 攜帶着像高能粒子對撞機一樣高的能量 衝向我們的地球 這還不算完 接下來我們還要提到 以更高能量擊中地球的宇宙射線 它們的速度特別快啊 大型強子對撞機加速的粒子相比之下 就像是緩慢爬行的小嬰兒 人類見過來自宇宙的最高能的粒子 它攜帶的能量 差不多啊 是大型強子對撞機制造的 最高速粒子能量的兩百多萬倍 這個太快了 是創紀錄的太空粒子 物理學家戲稱它爲 Oh my god practical 也就是我的天啊粒子 你想啊 死氣沉沉的物理學家 竟然像青少年一樣大驚小怪 他們受的刺激肯定是不小 令人意外的是 帶有這種瘋狂能量的粒子還特別常見 每年大約有五億個這樣的粒子到達地球 也就是說 每天都要來上百萬個 或者每秒有三百個 此時此刻 就有一千個這樣的粒子 擊中了地球 他們攜帶的能量 差不多是二十億輛大卡車 但是啊 關於能量如此之高的粒子 這裏有一個令人震驚的事實 我們居然不知道宇宙中有什麼東西 可以發射出這麼高能的粒子 是的 我們每天被數以百萬計的超高能粒子連續轟炸 卻不知道它們是怎麼來的 如果你讓天體物理學家估計 太空中的粒子最快能到達什麼速度 他們呀 大概會做出以下三個反應 首先呢 謝謝你提出這麼棒的問題 第二呢 是舉出一些極端的粒子 比如說爆發了超新星 噴射出來的粒子 或者是被黑洞的引力彈弓 拋射出去的粒子 第三呢 就是對我們每天每時每刻 都要接受到這些極端情況下才能產生的粒子 表示大獲不及 基於目前我們對宇宙裏事物的瞭解 太空中粒子所能達到的最高能量 也比每天擊中地球的那些超高能粒子 弱上上千倍 想象一下 如果你買了一輛跑車 這個跑車的經銷商呢 告訴你 他賣給你的車最高時速是200邁 結果你把它開到了20萬邁的時速 而且啊 這個地球上所有的跑車都是20萬邁的時速 你就會得出結論 世界級的跑車專家也所知有限 宇宙射線的情況就是這樣的 我們沒辦法 與宇宙中我們所知的任何道理 解釋擊中地球的宇宙射線的能量基 這就意味着 宇宙中一定存在着某種 我們還不知道的新天體 你看啊 最讓人迷惑的事情 其實就發生在我們身邊 我們自以爲對宇宙已經有所瞭解了 對星空也觀察了幾個世紀了 還製造了高精度的工具 但是宇宙中仍然存在我們從來沒見過的東西 這些帶有瘋狂能量的宇宙射線來自哪裏 對我們來說仍然是一個未解之謎 有趣的是 這些粒子藏着它源頭的線索 於是我們可以潛心研究這個謎題 下面咱們就來說說這個研究的過程 如果說有一個物體 正在向你發射超高能量的某種東西 它發射什麼都可以 比如說是一個雪球 或者乾脆朝你扔一雙鞋都可以 你首先要做的 就是四處看看東西是從哪裏扔過來的 這些瘋狂的高能粒子 是否來自某種恆星呢 那它們是不是來自於某一個超大質量的黑洞呢 它們又是不是來自某一個外星世界呢 或者它們乾脆就是從四面八方來的呢 幸運的是 這些粒子的能量越高 我們就越能順着它們的方向找到它們的來源 因爲能量充沛的粒子 不容易被路上的磁場或者引力場影響 並且彎折方向 但是要想弄清楚它們究竟從何而來 你還需要一些實力 這就像尋找屋頂上的狙擊手 它們射擊的次數越多 我們就越容易找到它們 那確定這些宇宙射線來源的難點在哪呢 在於地球是一個相當大的目標 即使每天都有數百萬宇宙射線擊中地球 那安裝好探測器 並且在正確的時間捕捉到它們也是很困難的 咱們之前說過 每秒鐘都有幾百個這樣的粒子擊中地球 咱們說的是實話 但是地球是一個非常大的地方 平均攤下來 我們就很難預估這個粒子到底它會擊中哪 咱們前面說的 和大型強子對撞機能量級差不多的粒子 差不多每平方公里 每秒鐘有一千個打到地球表面 而更高能量級的粒子就比較稀少了 每年每平方公里會掉落一個 這個就讓弄清它們從何而來變得非常困難了 因爲就算你建造了非常大的一個探測器 它捕捉到高能粒子的機會也是非常渺茫的 迄今爲止 所有宇宙射線望遠鏡探測到的超高速粒子 加在一起也不算特別多 所以直到現在 我們還沒辦法準確的被這些瘋狂的宇宙粒子定位源頭 當然也有好消息 我們確實掌握了一條重要的線索 它們不可能來自很遠的地方 可見光可以傳播數十億公里而不會散射或者減速 所以我們能看到遙遠的星系 其實我們能在夜空中看到遙遠的星星 是一件非常不可思議的事兒 太空在我們看來清澈而空曠 但是對於高能帶電的粒子來說 在太空中穿行就像是在擁擠的火車站裏行走 組成了宇宙幼年圖景的光 也就是宇宙的微波背景 使整個宇宙充滿了一種光子物 這個物就是霧氣的霧 宇宙射線和這種霧會發生作用 很快就會被減慢速度 一個10的21次方電子伏特能量級的粒子 只要經過幾百萬光年的自然減速 能量就會降低到10的19次方電子伏 差不多就是降低了100倍 那這個意味着什麼呢 就意味着我們能看見的超高能粒子 一定來自比較近的區域 否則光子物就會讓它們減速 那當然如果它們來自非常遙遠的地方 那麼唯一的可能就是它們出發時 攜帶了更高的高的離譜的能量 那如果我們排除這種極端的情況 那就只能得出結論 無論是什麼東西發出了這些高能的粒子 它們一定在我們星系臨近的區域 這個就是一條有用的線索 因爲它把太空中某個巨大的部分 移出了討論範圍 但是儘管這麼說 從科學的角度而言 客觀討論的空間範圍還是大的嚇死人 總而言之 這些線索意味着某個臨近的天體 正在向我們瘋狂的發射高能粒子 而我們不知道它是什麼東西 顯然宇宙中還有很多新鮮的事物 等着我們去發現 那我們如何去觀察它們呢 當一個超高能的粒子 撞擊大氣層的頂部的時候 它一定會與很多氣體分子碰撞之後 才能到達地球表面 當一個10的20次方電子伏特的粒子 撞擊一個大氣裏的分子的時候 它會一分爲二 它的能量也會平分給兩個粒子 這時候兩個粒子 隨後又會撞擊其他的分子 產生擁有四分之一能量的四個粒子 因此類推 最後大概會有幾萬億個 帶有10的9次方電子伏特能量的粒子 在一瞬間衝到地球的表面 這種粒子羽 範圍一般有2000米 主要是由高能的光子 電子 正電子 還有μ子組成 我們之所以能知道 有超高能的粒子撞擊地球 就是因爲我們在這麼大的範圍內 觀測到這麼強的粒子羽 不過呢 觀察大範圍的超高能粒子羽 需要非常大的望遠鏡 幸運的是 我們不需要建造超級寬的粒子探測器 當然也沒有人能做到這一點 我們讓很多較小的粒子探測器 以點陣的形式分佈在一大片空地上 比如南非就有一個叫皮埃爾的 宇宙射線觀測站 就是這麼做的 你可以在一片3000平方公里的土地上 裝上大概1600臺粒子探測器 這種方法非常適合觀察 超高能宇宙射線所產生的粒子羽 它聽起來規模很大 事實確實是這樣 但是要記住 在一平方公里的範圍內 超高能粒子每千年纔會出現一次 所以即使覆蓋了3000平方千米的範圍 這樣的現象 你每年也只能探測到幾次 數十年的觀察 都不一定能解開這個謎題 所以其實很多搞宇宙學的科學家 真的是要憑一點運氣 才能獲得比較高的成就 當然這裏還有一個非常有趣的想法 我們可以試着尋找已經爲其他用途 建造起來的什麼現成的東西 然後把它改造成宇宙射線的望遠鏡 這種望遠鏡需要滿足以下幾個條件 第一個是視野要覆蓋全球 第二個是它的價格很低 第三個是已經建造並已經佈置完畢了 你可以花點時間思考一下 這個問題是不是可能 其實答案現在就在離你不遠的地方 它就是我們的智能手機 事實上 智能手機的數碼相機 就可以用來探測粒子 爲日料大餐還有萌娃拍出美照的科技 讓它們對由高能粒子裝機大氣層 而產生的粒子雨非常的敏感 它們可以編程 可以聯網 可以定位 到了晚上則會閒置不用 那如果這些智能手機通過運行APP 開啓一個攝像頭 並且探測粒子 那它們就可以成爲分佈非常廣泛 覆蓋全球的宇宙射線探測網絡 有些科學家就提議 如果有足夠多的人 大概有幾千萬人吧 在夜間手機閒置的時候運行這個APP 那麼由此形成的網絡 就可以觀察到更多 我們原本有可能錯過的高能宇宙射線 運行這個APP的人越多 這個網絡就越大 收集的宇宙射線就越多 說不定 你也能爲這項研究貢獻力量 也許呢 你一直想成爲天體物理學家 那如果這個瘋狂的想法有效 你就能參與破解宇宙的謎題了 那這樣的手機軟件有沒有呢 現在還真的有啊 其實在2014年的時候 在美國就被開發出來了 它的名字叫Crayface 它的拼寫是Crayface 感興趣的話 你可以去搜索一下 我們還是把話題回到這些高能粒子上 天體物理學家沒法解釋 這些粒子攜帶的高能量 當我們這樣說的時候 我們是指 他們沒法用已知的物體 去解釋這麼高的能量 如果你讓他們大開腦洞 想象有可能發生這種高速粒子的新型物體 那他們會提出很多有趣的想法 咱們可以來說一說啊 其實天體物理學家是一群很有創意的人 但是人類探索太空的歷史告訴我們 宇宙比這幫人更有創意 以下是有可能解釋這個問題的幾個觀點 記住啊 更有可能發生的情況是 這些解釋沒有一個是正確的 真實的答案 沒準比瘋狂的科學家更瘋狂 第一個可能呢 就是超大質量的黑洞 一個流行多年的解釋啊 是這些高能粒子 來自星系中心無比強大的黑洞 這些黑洞的質量 比我們的太陽還要重幾千倍 甚至是幾百萬倍 除了已經被這種黑洞吞噬的物質之外 還有質量巨大的氣體和塵埃圍繞着它旋轉 排隊等候被吞噬 這些物質受到巨大作用力的影響 會產生驚人的輻射 然而 人們在數十年的觀測中看到的少量超高能宇宙射線 似乎和這個星系核的位置不相符 這就意味着 這個猜測從一開始就很可能是錯的了 那人們可以繼續往下開腦洞了 第二個大的腦洞呢 就是來自於外星的科學家 有些地球上的科學家就懷疑啊 我們人類不是唯一想要分解 並且研究物質的智慧物種 假如說有外星人 製造出了足夠大的粒子加速器 能更好的對物質進行分解 那會發生什麼事呢 我們看到的超高能宇宙射線 可能啊只是邊角料 是外星人在實驗過程中排出的污染物質 那更大的腦洞是 如果這些粒子被發現來自同一個地點 比如說一個臨近恆星的宜居星球 那意味着什麼呀 意味着我們就發現外星人了呀 當然這個腦洞開的有點大 但你不能說它的可能性是零 可能你會覺得哪有這麼巧的事啊 我們天天看到的宇宙射線 就是來自於外星人的 你可別忘了 我們前面講宇宙大爆炸的時候就說過 宇宙微波背景輻射 它可是跟科學家相伴了上百年 人們幾乎每天都能看到它 但是直到最近人們才恍然大悟 它不就是宇宙大爆炸的鐵證嗎 當然了 這個只是一個腦洞大開的猜想啊 咱們接着往下猜 還有更瘋狂的想法 有些科學家就猜測啊 我們的宇宙很可能是某個宇宙計算機模擬出來的 那更大的宇宙中的生物 很可能正在利用我們的宇宙做某種實驗 那我們怎麼會知道這個呢 在模擬的過程中 運行我們這個宇宙的計算機 可能出現bug 如果這種模擬把宇宙分成了一個個巨大的方塊 然後在每個方塊中運行物理模型 那麼對於很多在方塊之間高速穿行的物體 模擬就會給出奇怪的結果 那這種猜想呢 就比外星人的猜想更離譜了 咱們不多說 再有一種猜想呢 就是一種新的作用力 我們試圖通過已知的物質和力來解釋這些粒子 這個謎題之所以是個謎題呢 說不定啊 因爲它必須用我們暫時不知道的物質還有力去解釋 這個可能性讓人激動 也讓人着迷 或許啊 這些粒子來自於某種還沒有被發現的新作用力 如果這樣的作用力存在 並且和這些宇宙射線相關 那就一定有某種原因能夠解釋 但是啊 最近關於暗能量在全部能量中佔68%的發現告訴我們 我們的確應該思考未知的宇宙力量 這不算瞎琢磨啊 也許這些粒子正是新作用力的線索 當然了 也可能以上幾種猜測都是完全離譜的 很可能啊 答案是平淡無奇的 並不包含對宇宙性質的顛覆性的見解 沒準啊 這些粒子 它就是來自恆星 或者是來自一個我們看不見的黑洞 這個似乎並不能改變我們的宇宙觀 不過我們還是可以懷揣夢想的 對吧 很可能啊 你聽了咱們這期節目才知道 自己時時刻刻都被超能的太空子彈所掃射着 如果你沒聽過這期節目 你可能會繼續過幸福的小日子 完全不會想到有某種怪異而未知的東西 正在時時刻刻向你開火 不過啊 現在就算你知道也已經晚了 但是知道了它們的存在 你也許會多花一點時間仰望星空 並且時常想起宇宙裏那些讓人震驚的未解之謎 與其把這些宇宙射線想象成要傷害你的子彈 不如把它們當成某種信使 你可以想象一下 它們在太空中飛行了幾十億公里 帶來了某種我們之前從未見過 也從沒有想象過的全新事物的信息 它們帶來的是某種巨大能量發生的過程 存在的證據 這背後可能是新的作用力 可能是某種未知的宇宙機制 甚至可能是某一種外星的生命形式 它們帶來的很可能是顛覆我們世界觀的新發現 好了 那這一小節的節目就到這 我們下期再接着聊