1992年，有一個人類曉得的飛行最快的物體打到猶他州上空25千米的月球大氣層上。它擊中月球大氣層時的運動速率是光速的百分之99.999,999,999,999,999,999,999，對于平時物體而言，這是有可能達(dá)到的最快速率。這個所提到的物體就是宇宙射線，更準(zhǔn)確地說是一顆宇宙粒子。它的本性和起源仍是個謎，但它卻是從宇宙空間連綿不斷降落到月球上的無數(shù)粒子之一。
20世紀(jì)的物理學(xué)構(gòu)建在兩個晦澀而強(qiáng)悍的理論基礎(chǔ)之上：相對論和量子力學(xué)。前者是關(guān)于空間和時間的理論，當(dāng)物體速率接近光速時，各種奇特的效應(yīng)就完全顯示下來。后者是關(guān)于物質(zhì)的理論，所顯示的效應(yīng)甚至比相對論更怪異，不過主要表現(xiàn)在原子和亞原子的尺度上。由于宇宙射線是以極其接近光速運動的亞原子粒子，所以它把現(xiàn)代物理學(xué)的這兩個基本理論的全部特色結(jié)合進(jìn)一個單一實體。因此，在這人類認(rèn)識到的數(shù)學(xué)實在的兩個最基本方面的交叉點上，我們期盼著能看到全新的以至完全不同尋常的各類現(xiàn)象的活動。
天文學(xué)似乎是最大眾化的科學(xué)。如今，大家經(jīng)常看到談?wù)摵诙础㈩愋求w和脈沖星。人們都看到過宇宙起始于一次大爆炸，而且報紙上定期展示給我們從哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)回的圖片。可是，科學(xué)界以外的公眾對宇宙射線卻幾乎哪些也不知道，盡管實際上宇宙射線的產(chǎn)物每時每刻都在穿過我們的身體，對宇航員和甚至空中航線上的游客可能是一種嚴(yán)重的致畸危險。
基本粒子物理學(xué)成為另一個富有魅力的科學(xué)分支有其自身的合理性。例如Lep(設(shè)置在日內(nèi)瓦附近的CERN實驗室)的巨型加速器使亞原子碎片在邊長許多千米的環(huán)型管路中運轉(zhuǎn)。這些技術(shù)上的巨人創(chuàng)造著宇宙大爆炸剛發(fā)生后一般會有的數(shù)學(xué)條件。它們的建造和運行須花費數(shù)十億美元，對它們進(jìn)行操作須要科學(xué)家和工程師們組成的真正意義上的大軍。
常常看到這樣的說法，一項人類創(chuàng)造的技術(shù)無論多么靈巧，大自然已經(jīng)首先創(chuàng)造下來。粒子加速器就是此類情況。不曉得哪些緣故，在宇宙空間的深處，大自然早已創(chuàng)建了把亞原子粒子加速到CERN夢想不到的速率和能量的必要的化學(xué)條件。這些粒子從天上自由地徑直來到我們這兒。其中有許多已橫跨星體旅行了數(shù)千光年的路程實體天體物理，為我們帶來有關(guān)中子星和黑洞等天體系統(tǒng)的外來關(guān)鍵信息。
宇宙射線跨越著處在數(shù)學(xué)科學(xué)關(guān)鍵位置上的兩個學(xué)科，天文學(xué)和粒子物理學(xué)。一個學(xué)科研究宇觀世界，另一個學(xué)科研究微觀世界。在科技史上，宇宙射線的觀測研究在亞原子粒子物理學(xué)中做出了一些特別重大的發(fā)覺。第一例反物質(zhì)粒子(正電子)就是1932年在宇宙射線碰撞出的碎片中找到的。沒過幾年，又從宇宙射線碰撞產(chǎn)物中發(fā)覺了μ介子和π介子。
在50年代、60年代、70年代這一段時期，著重點從宇宙射線研究轉(zhuǎn)移到借助人造粒子加速器對物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究闡明。不過，最近幾年著重點又開始向回轉(zhuǎn)移。粒子加速器斥資巨大并不是促使向回轉(zhuǎn)移的唯一誘因。當(dāng)今的物理學(xué)家和天文學(xué)家覺得，大自然能形成我們的加速器遠(yuǎn)達(dá)不到的異乎尋常的亞原子粒子類型。特別是，對這種粒子進(jìn)行研究才能闡明，宇宙空間形成這些粒子的天體的極重要的細(xì)節(jié)情況。宇宙射線粒子帶來的信息是用望遠(yuǎn)鏡不可能收集到的。
使宇宙射線研究復(fù)興的另一個誘因是技術(shù)的進(jìn)步。這門科學(xué)的先驅(qū)者們借助在拍照乳膠或云室中檢驗徑跡這樣的初期技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，而明天的科學(xué)家們能操縱一系列復(fù)雜的儀器設(shè)備，例如高空汽球、超級快速電子設(shè)備和高效檢測器。
本書的作者羅杰·柯萊(Roger Clay)和布魯斯·道森(Bruce )是宇宙射線研究領(lǐng)域中的權(quán)威專家。近些年來，柯萊的大部分工作是指導(dǎo)南澳澳洲()附近的地面站系統(tǒng)，和在伍麥拉()附近的沙漠中與帕特森(John )以及若干個臺灣研究組進(jìn)行合作研究。位于伍麥拉的觀測系統(tǒng)設(shè)計成采用一種新奇的形式搜救高能宇宙射線。實驗者們把反射鏡轉(zhuǎn)向黑暗的沙漠夜空，尋找宇宙射線簇射落入大氣時形成的微弱閃光。這種光具有奇特的特點，類似于航船的頂頭波，只要帶電粒子穿過介質(zhì)(此處為空氣)時的速率快于該介質(zhì)中的光速，就會發(fā)出這些光。
雖然這些測量宇宙射線的技術(shù)雖然不可思議，但已證明十分成功。一臺因其奇特外觀而稱做蠅眼的巨大檢測器陣列，在猶他州運轉(zhuǎn)著并仍然是道森的工作中心。這套系統(tǒng)還采用更靈敏的測量方式考量著天空中的宇宙射線簇射形成的光。所獲觀測結(jié)果令人興奮并使人興趣倍增，在粒子物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域激起了個別根本的信念。特殊奧秘映照著新近發(fā)覺的最高能量粒子的本性——公正地說，我們這兒形成不出這類粒子。
作為國際合作研究組成部份的蠅眼，其使用者柯萊和道森當(dāng)前正涉足于研究那些極高能粒子。他們處在推進(jìn)建造兩套宏偉無比的宇宙射線觀測設(shè)施的最前線，該設(shè)施采用16000平方米檢測器，覆蓋3000平方千米的地面，以便徹底貫徹她們的初步觀測意圖。他們堅信，無論這極高能粒子是哪些，不管它是由哪些獨特的天體系統(tǒng)創(chuàng)造的，通過進(jìn)一步對它們的研究就會使我們對物理學(xué)和天文學(xué)的理解往前推動一大步。正像柯萊和道森所指明的，此時此刻的宇宙射線物理學(xué)，正處在"高地"上。宇宙射線研究在前幾十年的進(jìn)展給人們深刻的印象，但我們能觀察到后面等待著的一直是常年跋涉。下一代檢測器的采用會使此次新的跋涉取得成功。
我們登上絕頂將會看見哪些?科學(xué)探求的全部目的是深入未知。在高處起先一瞥尚且迷人，但是真正的快樂在于對意想不到的前景的發(fā)覺。古埃及哲學(xué)家早已曉得大自然有個基本特點，他們稱之為"完美原理"。大概意思是，如果某件事物有可能出現(xiàn)，大自然勢必將它弄成現(xiàn)實。在宇宙所配備的全部資源上，大自然形成了我們在加速器中也能形成的全部系列亞原子核實體和更多的存在物。無論多么古怪的粒子有待找尋，我們確信它們遲早會從哪些地方出現(xiàn)。
我們看見宇宙有許許多多奇特誘人的景色。夜空中的繁星常常令我們向往，人們對它們已然觀察研究了數(shù)千年。但它們告訴人們的天文真情只是甚少的一部分。
近來，人們早已感悟到，我們還須要有諸如射電天文學(xué)和X射線天文學(xué)這樣的其他學(xué)科來豐富我們對宇宙的視野。當(dāng)今人們愈加明白甚至這還不夠。實際的情況是，在圍繞我們的天空還參雜著極高能量的亞原子粒子的狂暴轟擊。對宇宙中最狂暴事物的研究屬于高能天體物理學(xué)的領(lǐng)域，所談?wù)摰母吣芰Ｗ泳褪怯钪嫔渚€。
這些粒子在許多方面都是神秘莫測的。盡管已然認(rèn)真探求了歷時一個世紀(jì)，仍然不能確定它們是從那里來的，或者說它們是怎么形成的。不過，人們知之很少的關(guān)于宇宙射線發(fā)覺的故事，以及此后對它們的研究，卻有許多引人入勝和令人驚奇的坎坷情節(jié)。
多虧有了宇宙射線探求，物理學(xué)家才首次發(fā)覺了預(yù)言中的反物質(zhì)粒子。宇宙射線的研究引起了把原子核結(jié)合到一起的"膠水"——π介子的發(fā)覺。宇宙射線研究還闡明出μ子的存在實體天體物理，μ子的意外發(fā)覺對現(xiàn)代物質(zhì)理論的產(chǎn)生大有幫助。簡而言之，宇宙射線為科學(xué)家們研究最高能量范圍的粒子物理學(xué)提供了自然界實驗室。
不僅這么，這些粒子還深入地闡明著宇宙的天體化學(xué)本性。黑洞、中子星、超新星和類星體，很可能都以某種形式卷入了來自宇宙空間的這種神秘放射性物質(zhì)所闡明的非凡故事情節(jié)之中。本書就是我們企圖闡明那些故事情節(jié)的譯著。
科學(xué)的進(jìn)步在于提出問題和解答問題。科學(xué)進(jìn)步還取決于觀察與理論概念之間的相互作用。有時候，觀察或理論只能做到在常規(guī)中進(jìn)步，必須等待另一方有所突破能夠突飛猛進(jìn)。另一方面，有時實驗和理論會深陷這樣一種料想不到的局面，開創(chuàng)者們必須花費大量時間學(xué)著對付種種不熟悉的新觀念。對來自宇宙的高能粒子的研究，必然面臨著更多出人意料的觀測結(jié)果及其造成的曲解。
在宇宙射線研究領(lǐng)域，攀登發(fā)覺高峰的不屈不撓的鏖戰(zhàn)中，我們當(dāng)前雖然正登上一處高地。我們倍感，人們已學(xué)會理解大量的30年前不可想象的事物，但我們堅信在上面等待我們的一直是常年的攀越。我們當(dāng)前正在為了向人類已知最高能量粒子研究的新一輪沖刺作著打算。我們早已清楚地看見，現(xiàn)今的宇宙概念還不能勝任對已知事物給出正確解釋的任務(wù)。為了充分掌握哪些是須要真正解釋清楚的事物和哪些是人為的觀測局限性，我們必須把握更多詳情細(xì)節(jié)。這里，我們將集中研究探討宇宙中的最高能量物質(zhì)。對它們的理解就是我們的神圣目標(biāo)。經(jīng)驗告訴我們，在到達(dá)現(xiàn)代天體物理學(xué)中這塊意外的奇特王國之前，仍然須要長途堅苦跋涉。