【輻射3】從菲林到宇宙射線，認識甚麼是輻射

有些東西我們眼睛看不到，但它們會留下痕跡——像舊式相機的菲林被意外曬黑一樣，科學家就是從這些怪異的痕跡開始，慢慢發現了放射性與宇宙射線的世界。以下用日常比喻把那些抽象的概念說清楚，讓你在港島的街頭也能想像出微小粒子如何影響我們的生活與科學研究。

從菲林黑化看見放射性

十九世紀末，居禮夫人等人發現某些礦石能在沒有光的情況下，讓攝影菲林自動曝光。想像把一塊礦石放在暗房裡，菲林竟然變黑——這告訴我們這些礦石在發射某種看不見但帶能量的射線，這些射線把菲林上的化學分子「打亂」了，產生可見的變化。這就是放射性最直觀的發現方式：不是光，而是粒子或高能光子把原子電子或分子電離（也就是打掉一個或多個電子），導致化學反應發生。

雲室：把無形畫成痕跡

要分辨不同種類的輻射，我們需要「看」到它們的路徑。雲室（cloud chamber）就是一個很漂亮又直觀的裝置：把飽和的酒精蒸氣冷卻到快結霜的狀態，就像空氣非常濕冷，當帶電粒子穿過時，它會在軌跡上把氣體電離，電離的部分成為凝結中心，蒸氣就沿著粒子走過的路徑凝結成小水滴，留下可見的白色痕跡。這些痕跡讓我們看到粒子的旅行路徑。

如果在雲室周圍加一個磁場，情況會更有戲劇性：帶電粒子在磁場下會被彎曲，彎曲的方向告訴我們帶電的正負（左轉還是右轉），彎曲的程度則跟粒子的速度和質量有關。打個比喻：想像風把不同大小的風箏吹彎，較輕的風箏轉得更厲害，較重的風箏轉得少；不帶電的粒子就像沒有風箏線的風箏，直直穿過不受影響。由此，我們能把觀察到的路徑分成三類：α（阿爾法）射線——重而帶正電，像氦原子核；β（貝塔）射線——帶負電的電子，較輕；γ（伽馬）射線——不帶電，是高能光子，基本上在磁場中直線前進。

實驗室以外的發現：把探測器送上高空

如果把輻射探測器放在熱氣球上升到高空，科學家在一百多年前就做過這類實驗。結果顯示：高度越高，探測到的射線越多。這意味著很多射線是從外太空來的，地面之所以感覺較少，是因為大氣層像一把保護傘，把高能粒子擋住或削弱了。想像站在大雨下，城市的屋頂和街道擋走了很多雨滴；大氣就是我們頭頂的「遮擋」。

宇宙射線是什麼？太陽風與更遠的來源

宇宙射線並不是單一東西。太陽會發射帶電粒子，形成所謂的太陽風，當這些粒子撞向地球磁場時，就會引發極光現象。除此之外，宇宙其他角落也產生能量更高的粒子——有些粒子能量遠高於我們在地球上能造出來的最強粒子加速器。舉例來說，歐洲的某些加速器能把質子加速到十三兆電子伏特（13×10^12 eV）級別，但人類觀測到的宇宙射線中，有些粒子的能量甚至高過這個數字好幾個數量級。這令人好奇：宇宙裡到底有什麼機制，能把粒子加速到這麼誇張的能量？

費米加速：粒子在宇宙間被彈來彈去

物理學家費米曾提出一個直觀的想像：如果兩個帶強磁場的天體（例如星雲或中子星）彼此靠近，帶電粒子可能在它們之間來回被牽引、反彈，每次反彈都像被拍打一次，速度就被加快一些。用日常比喻，就是把一粒乒乓球夾在兩塊互相靠近的板之間不停彈擊，板越靠得近，球彈得越快、越激烈。經過長時間和多次「彈擊」後，粒子能量就可能變得非常高，最後被拋出來，飛向遙遠的宇宙，甚至砸到地球的上空。

大氣中的信號放大：空中簇射（air shower）

當一粒高能宇宙射線（例如高能質子）撞進大氣時，它會擊中大氣中的原子核（氮或氧），產生一連串次級粒子，這些次級粒子再撞出更多粒子，形成像花灑那樣向四周散開的“粒子雨”。這個過程叫做空氣簇射。結果是，原本只有一粒外來粒子，落在高空的一點，最終會在地面一大片範圍內同時被多個探測器感應到——在香港也可能同時有多處屋頂的探測器收到訊號。這種特性讓我們不需把探測器送到太空，也能研究到某些高能宇宙事件。

宇宙射線帶來的科學成果：μ子與時間膨脹

宇宙射線不只是造成麻煩，它們還是物理學上的寶庫。早期在大氣中的反應會產生π介子（派介子），這些介子衰變出μ子（muon，讀作「邁子」或「μ子」）。μ子是電子的“重兄弟”，質量比電子大得多，但帶電與行為類似。雖然μ子的壽命非常短，但由於它們以接近光速飛來，狹義相對論的時間膨脹效果讓它們能活得久一些，因此能穿過大氣到達地面，被地面上的探測器發現。這一發現既證實了新粒子，也成了相對論在實驗中的一個生動例子。

極難捕捉的來客：中微子

中微子是更難捉摸的角色：它們不帶電，體積極小，跟其他物質互動的機率極低，穿透力非常強。想像中微子像極小、無形的子彈，打過地球時幾乎不會被阻擋。要偵測中微子，需要極大體積且非常敏感的儀器，例如日本神岡（Kamioka）的大型水切倫科夫偵測器：用大量極淨的水和成百上千個光感器，等待那極少數的中微子與水中的原子發生微弱的「弱作用」，從而產生微弱的光閃被偵測到。由於中微子的反應稀少，人類是晚近才把它們發現並開始系統研究的。

宇宙射線與日常生活的交集

我們周遭其實無時無刻都被各種輻射包圍，但大氣層幫我們擋掉了許多高能量的宇宙射線。這也解釋為何飛行員和經常搭飛機的人會吸收較多宇宙輻射：飛機在高空，離保護性較弱的大氣更近，受到的宇宙粒子轟擊自然多一些。因此在懷孕初期特別常飛行的人，醫生有時會建議注意孕期的飛行次數，因為任何額外的風險都可能累積影響胎兒發育。

宇宙射線的實用貢獻：碳十四與考古學

宇宙射線進入大氣後的連鎖反應，不只產生μ子和其他短壽命粒子，還會製造中子，這些中子與大氣中的氮碰撞，產生碳-14（14C）。碳-14是一種放射性同位素，其半衰期約為5700年，正好落在人類文明研究的時間尺度上。活著的有機物會與大氣中的碳達成平衡，死後便停止補充新的碳-14，原有的碳-14就開始衰變。考古學家利用這一點，可以估算古物的年代，這就是碳十四定年法。換句話說，宇宙射線也成了了解人類歷史的工具。

結語

從居禮夫人的暗房實驗到雲室裡的曲線、從熱氣球上的探測器到深山裡的巨型中微子望遠鏡，科學家一步步把不可見的粒子變成可測量的現象。宇宙射線既提醒我們地球生活在一個活躍的宇宙環境，也提供了探索基本粒子、理解天文機制和應用於考古學的機會。下次當你抬頭望向天空，除了星星和月亮之外，也可以想像那些看不見的高速旅客正穿梭其間，為科學家敲開了一扇又一扇新知的大門。