浩瀚的宇宙有著太多的神秘,其中有不少的現象都很難對其進行合理的解釋,比如說有一種常見的宇宙現象,就困擾科學家幾十年,至今仍然是未解的謎團,什麼現象呢?答案就是宇宙射線。
所謂宇宙射線,是指來自外太空的高能粒子,它們通常都是極為微小的亞原子粒子。地球的大氣層每天都會遭到宇宙射線的轟擊,如果宇宙射線的能量很高,那麼它們就會與地球大氣層發生劇烈的相互作用,進而產生一系列的次級粒子,這種現象就被稱為「空氣簇射」,通過對其進行探測和分析,科學家就可以知道這些宇宙射線的能量和方向。
在過去的幾十年里,科學家對宇宙射線進行了大量的探測,令人困擾的是,在已知的宇宙射線中,有一部分的能量特別高,以至於無法對其進行合理的解釋。
例如在1991年10月15日探測到的一個粒子,其速度達到了光速的0.9999999999999999999999951倍,能量高達3.2 x 10^20eV(電子伏特),大概相當於一個棒球以每小時100公里的速度飛行時攜帶的動能。
如此高的能量,遠遠地超出了理論上的極限——「GZK極限」,也使得這個粒子成為了已知能量最高的宇宙射線,為了表示驚訝,科學家甚至將其稱為「Oh-My-God粒子」(Oh-My-God particle)。
什麼是「GZK極限」呢?這就要從「宇宙微波背景」講起了。簡而言之,「宇宙微波背景」是一種遍布整個宇宙的電磁輻射,它們被認為是宇宙中最古老的光子,由於光速是有限的,因此它們至今仍然在宇宙中傳播,而在經過了漫長的時間之後,它們現在已經因為宇宙的膨脹而變成了微波。
從整體上來看,「宇宙微波背景」的光子在宇宙空間中的分布是非常均勻的,其密度大約為每立方米4.11億個,而這也就意味著,任何在宇宙空間中運動的粒子,都會不斷地遇到「宇宙微波背景」的光子。
在能量不是很高的情況下,粒子和「宇宙微波背景」的光子是彼此相安無事的,但假如一個粒子的能量達到了或超過了一個被稱為「GZK極限」的臨界值,那它就會與「宇宙微波背景」的光子發生相互作用,此過程會不斷地產生π介子,從而持續地使粒子損失能量,並且粒子的能量越高,其損失能量的速度就越快。
也就是說,如果一個粒子的能量超過了「GZK極限」,那在其傳播過程中,它就會持續地損失能量,如此一來,在傳播到一定的距離之後,它的能量就低於「GZK極限」了,而這也就意味著,我們只能在一定的距離範圍內,觀測到能量超過「GZK極限」的宇宙射線。
根據科學家的計算,「GZK極限」的理論值為5 x 10^19eV,而如果一個粒子的發射源與地球的距離大於50百萬秒差距(約1.63億光年),那無論它的初始能量有多大,當它抵達地球時,其能量都不可能超過這個理論值。
可以看到,前面講到的「Oh-My-God粒子」,其能量已經遠遠地超過了「GZK極限」,而這也就意味著,從理論上來講,它的發射源與地球的距離應該遠遠小於50百萬秒差距,然而實際觀測卻表明,在這個距離範圍內,根本就沒有對應的發射源。
要知道像這種具有超高能量的粒子,只能由超新星爆發、活動星系核、伽瑪射線暴這類的高能宇宙事件產生,而這些事件會在宇宙中製造出非常大的動靜,以至於即使隔著幾億、幾十億光年,我們都可以探測得到。
也就是說,實際觀測數據表明,「Oh-My-God粒子」的發射源其實更加遙遠,遠遠地超過了50百萬秒差距,而從理論上來講,當它抵達地球上,其能量就應該低於「GZK極限」,但實際探測數據卻表明,它的能量卻遠遠地超過了「GZK極限」,於是矛盾就產生了。
更重要的是,「Oh-My-God粒子」並不是一個孤例,實際上,這是一種常見的宇宙現象,因為在過去的日子裡,科學家已經發現了不少與之類似的宇宙射線,儘管它們的能量比「Oh-My-God粒子」略低,但也超過了「GZK極限」很多。
理論上我們無法探測到的宇宙射線,但實際上我們卻真實地探測到了,這樣就形成了一個悖論,科學家將其稱為「宇宙射線悖論」或「GZK悖論」。就目前的情況來看,這個悖論已經困擾了科學家幾十年,至今仍然是一個未解的謎團,期待在未來的研究中,科學家能夠解開這個謎團。