赫斯的研究成果：宇宙射线与大气导电现象

【作者】蒋学华

赫斯（V.F.Hess），1883年生于奥地利格拉茨附近的瓦尔德斯坦。其父是一位林业工人。他的整个学生时代都是在格拉茨度过的。1906年赫斯在格拉茨大学获得学士学位后，先去维也纳物理研究所工作了较短一段时间，又到了维也纳科学院镭研究所工作，长达10多年。在那里学习了有关天然放射性知识，对镭的基本性质尤为熟悉。在这期间，赫斯于1910年获得格拉茨大学博士学位。同时，他对一个100多年来未解决的大气漏电难题产生了兴趣，并着手投入大量的时间和精力进行实验研究。

早在1785年，法国物理学家库仑（C.A.Coulomb）就已经发现，放在空气中的带电体会逐渐地失去电荷。当时人们仅知道大气应处于不导电状态，至于电荷为什么会丢失，尚没有一种令人信服的解释。因此，空气导电问题在此后一个多世纪里始终是物理学中的一个谜。到20世纪初，随着天然性放射物质的发现以及实验探测技术的提高，使一些物理学家受到了启发，开始对大气导电性问题进行定量的实验研究。

1900年，威尔逊（C.T.R.Wilson）用密闭的分别带正、负电荷的验电器，进行各种条件下的大气漏电率测量，发现在黑暗中和日光下漏电率相等，并且正负电荷逃逸率也相等。

同年，法国人盖特尔（H.Geitel）和埃尔斯特（J.Elster）在不同的湿度条件下做了同样的实验，发现带电体在晴天的漏电率比雾天大，这与原来的推测恰恰相反。

1903年，英国原子核物理学家卢瑟福（E.Rutherford）分别用铅、铁和水作屏蔽物，试图切断外界对验电器的影响。但实验结果出乎意外，如果屏蔽层很薄，对漏电性没有什么影响；加大厚度，漏电率减小，但也只能减小30%左右。若移走屏蔽物，漏电率又恢复到原来的值。由于卢瑟福对放射性物质有了很深入的研究，首先是他意识到大气中的导电性可能是某种辐射造成的，且这种辐射有很强的穿透能力。起初，卢瑟福认为这种辐射是地面上天然放射性物质产生的，他提出把实验放到高空去作，以避开地面放射物的影响。

1910年，伍尔夫（Thwulf）制作了一台极灵敏的静电计，在距地面300多米的巴黎著名铁塔——埃菲尔塔上做实验，结果还是存在漏电现象。以后人们虽设法消除各种能使空气产生电离的因素，漏电现象仍然无法消除。

赫斯在此基础上，结合自己掌握的放射性知识，进一步对大气导电现象进行了研究。首先，选用镭作辐射源测量空气的导电情况，发现随着镭源与屏蔽的验电器之间的距离不断增加，漏电率逐渐降低。由此赫斯断定，大气漏电是由辐射引起的。其次，通过定量推算得知，如果要把地球的放射性因素去掉，必须离地面500m以上。而埃菲尔铁塔仅高300m，不足以去掉地面放射性的影响。必须升入500m以上的高空测量大气是否还有导电性，才能判断是否有来自地球之外的辐射。赫斯吸取前人高空实验的经验，将实验放在密闭的电离室中进行，以避免外部空气密度和湿度的变化带来的影响。当时的高空实验，因缺乏遥测技术，必须由实验者携带实验仪器，乘气球一同升人高空，所以有一定的危险性。1911年，赫斯带着改进后的仪器，进行了首次高空飞行，当气球升到1070m时，赫斯测量漏电率，发现与地面上相差不大。据此赫斯初步断定，既然高空中已基本消除了地面放射性的影响，那么引起漏电的原因可能有来自外空间的辐射贯穿大气层，使空气电离。为了进一步证实自己的推断，1912年，赫斯又进行了7次高空探测，尤其是最后一次，为了让气球飞的更高，给气球充以氢气，使实际飞行高度达到5350m。几次实验得出了大致相同的结果，1000m以下漏电率与地面相差不大，可是随着高度继续增加，空气漏电率反而升高，即说明辐射强度增大。这一发现意义非同寻常，因为它表明地球之外确实存在着某种辐射。也正是这种具有高贯穿本领的辐射，能穿过大气层，使空气电离，这就是地面密闭的验电器漏电的真正原因。(www.xing528.com)

在赫斯实验之后，柯尔霍斯特（W.Kolhorster）为了证实赫斯的结论于1913-1914年又进行了多次高空探测飞行，不但飞行高度较以往更高（达到9300m），而且对探测仪器也进行了改进，使之测量也更为精确，实验结果确实证实了高空中存在一种极强的辐射。再次给赫斯的结论以强有力的实验支持。这种未知的辐射最初曾被称为“赫斯辐射”，后来密立根（R.A.Millikan）命名它为“宇宙射线”。

1923年，赫斯回到了母校格拉茨大学任教，继续从事宇宙射线的研究工作，1925年任实验物理教授。1931年，又被聘为因斯布鲁克大学教授，并在因斯布鲁克附近的山上建立了宇宙射线观测台，进一步研究宇宙射线的辐射强度。宇宙射线的发现和证实，使赫斯获得了1936年度的诺贝尔物理学奖，在颁奖的演讲中，他对这一工作总结时说到：“1912年，我曾用一些气球表明了密闭容器中的电离是随离地面高度的增大而减小（即地球中的放射性物质的影响减小了），但是在高于1000m时，电离又有了明显的增加，当高度达到5000m时，电离达到地面观测值的数倍。当时我得出结论说，这种电离可能是由于迄今还不知道的穿透能力很强的辐射从外部空间进入地球大气引起的。这种辐射能明显地使地球表面的空气电离。”

1938年，赫斯移居美国，任纽约福德姆大学教授，1964年病逝。

宇宙射线的发现，只是人们对宇宙射线认识的开始，通过对宇宙射线的研究，揭开了粒子物理学的面纱，开辟了新的研究领域。在第一台高能加速器建造之前，第一批基本粒子就是在探测宇宙射线的过程中发现的。

20世纪20年代末，云室的广泛使用，增强了对宇宙射线的探测手段，发现了许多重要现象，如宇宙射线的“纬度效应”、“东西不对称”效应、“簇射现象”等。对这些现象的研究，使人们获得了大量有关基本粒子的信息。1932年，美国实验物理学家安德森（C.D.Anderson）利用在强磁场中的云室研究宇宙射线时，在拍摄的1300多幅照片中，发现有15幅异常的粒子径迹，这引起了安德森的注意，根据它行进的方向和路径弯曲程度，安德森断定这种粒子具有和电子一样的质量和电量。但却是正电荷。这正是狄拉克（P.A.M.Dirac）所预言的反粒子——正电子，也是人们通过宇宙射线获得的第一个基本粒子。1937年又是安德森等人用云室对宇宙射线观测，再次捕捉到一种新粒子——μ介子。1947年两位英国学者罗彻斯特（Rochester）和巴特勒（Butler）又在云室中拍下了两张成“V”字形的未知粒子的衰变照片，经过分析后，不能用任何已知粒子加以解释，于是人们想到这是一种陌生粒子，即是我们今天所知的K介子。英国物理学家鲍威尔（C.P.Powell）应用核乳胶技术探测宇宙射线的实验中，发现了一种与原子核具有很强相互作用的粒子——π介子，而π介子是日本理论物理学家汤川秀树预言的粒子，无疑这又是宇宙射线给予帮助的结果。阅读现代物理学史可知，早期探测基本粒子离不开宇宙射线，因为它是唯一的高能粒子源。今天研究基本粒子的物理实验，尽管已能在具有高精度和高能量的大型加速器上进行，但也仍然留下要借助于宇宙射线来研究的手段。

我们对宇宙射线的认识虽然已有近100年的历史，但还远未终结。著名物理学家海森堡（W.Heisenberg）曾说过：“宇宙射线的研究已经推进了我们对物理学基本问题的理解。……因为宇宙射线包含了最小尺度（基本粒子）和最大尺度（宇宙）中物质行为的信息。”相信随着对宇宙射线的深入研究，会进一步推动高能物理、地球物理、空间物理和天体物理等学科的发展。