虽然既感觉不到也看不见，就在你阅读本书的每秒钟里，一直有宇宙射线轰击你的身体。尽管对它们瞬间飞逝从不在意，我们还是继续暴露在冰雹似的宇宙飞弹的弹雨之中。这种神秘的物质粒子看来起源于宇宙深空的极远地区。
公正地说，并非所有打到我们身上的高能粒子都来自空间。约有半数是从周围的地球环境中发出的，食盐中含有放射性钾，建筑房屋的砖石材料中含有铀，我们呼吸的空气中还含有氡气。它们都在发射粒子。有些地点，这种种放射源是很危险的。例如在氡气含量水准过高的地区，氡气被认为对人们的"重大贡献"是导致发生癌变的终身危险。
宇宙飞弹也能引起麻烦。宇航员、飞机乘务员和旅客都显然暴露在宇宙辐射较高的环境中，与地上的人们相比有较高剂量的粒子落到身上。以至起码有条航线——Lufthansa，禁止怀孕女飞机乘务员在航班上服务。
除了安全问题外，宇宙飞弹长期以来还是人们有强烈科学兴趣的课题。它们是什么?它们是从哪里来的?这些问题困扰了科学家们一个多世纪。人们对宇宙射线更感兴趣的还是它的极高能量。它的存在使人类加速亚原子粒子的努力显得黯然失色。事实上，粒子加速器达不到的高能量处，才刚是最低能量宇宙射线的起始处。最高能量宇宙射线比人类产生的最大能量粒子的能量要高过1亿倍。从而企求答案的重大问题就是：这些超高能粒子是怎样产生的?
问题的初步提示
有关电的某些知识几千年前人们就已知道，不过只是到了近代才学会对电作深入理解。电有个特性，两个世纪前人们就注意到了，它很可能就是宇宙辐射作用的结果。这起因于对静电的研究。
我们大都熟悉这样的事，在干燥的天气，如果用梳子梳过头发，梳子便有了吸引碎纸屑的能力。在干燥天气，如果离开汽车接触门把手时或在地毯上行走后接触金属物体时，就可能遭遇轻轻的电击。这种效应是由于梳子或人体本身通过摩擦获得一定数量的电荷的结果。梳子摩擦头发，汽车摩擦道路或鞋摩擦地毯，就是摩擦起电的过程。我们知道，梳子、汽车和地毯等物质都是原子构成的，原子中包含着带正电荷的原子核和带负电的电子，两种电荷数量相等达到平衡，构成电中性的原子。但是，摩擦过程从原子中移去一些电子。这种自由电子以及剩下的带正电原子能够不断积累，所以最后能产生惊人的电击效应。
早期最值得注意的静电研究是在18世纪由法国物理学家库仑(C.A.deCoulomb)实现的。他于1785年在巴黎作过有关报告。库仑的名字最常出现在一个有关电荷的基本定律中，该定律描述电荷相互吸引或排斥的力量有多强。他从一长串细心的实验中取得大量关于电荷的知识，有的部分深入到静电力的研究。他的研究工作的必要部分包括，研究从绝缘带电体逐渐放电的过程，例如他在试验中仅用细绝缘线悬挂着小球验证放电现象。在这个实验中库仑发现，任何物体带电后，电荷都不能永久保持，总会以某种神秘的方式逐渐跑掉。他推测一些电荷或许是经由悬线跑掉的，但是即便果然如此，也不足以圆满解释全部损失。
他发现电荷漏掉的快慢在很大程度上与空气潮湿度有关。当今我们不会再怀疑这一看法，因为在天气干燥时，梳理头发出现的起电作用最明显。这是因为在天气相对潮湿时，电荷既可以由空气中的水分传走，又可以由潮气凝聚形成的传导路径传走。带走静电可能还有什么其他机制的问题一直没有弄清楚。这样又过了一个世纪。19世纪时人们认识到，如果空气中包含着自由运动的电荷，物体逐渐放电的现象就能得以解释。科学家们想到，自由运动电荷能在尘粒上找到，当它与某种东西甚或与空气原子摩擦时就会带电。
现在我们知道，当电子从原子移开时就产生静电。这时原子包含着少于正常定额的电子，所以带有净正电荷。在有些情况下，这些带正电的原子(离子)能够运动，很可能被吸引到带负电的区域，正负电荷随即相互抵消。现在已经弄明白，困扰库仑的电荷漏掉问题，是空气中的电离原子造成的。问题是那些离子是从哪里来的?
宇宙射线的发现
接近19世纪末，英国物理学家查尔斯·威尔逊(Charles Wilson)做了一个重要实验，但是在那个时代也把迷惑注入了静电学。他估算了金箔验电器中电荷泄露得有多快。这件仪器是用一根细黄铜杆和一片窄窄的薄金叶片构成的。金叶十分灵活，一端附着在铜杆上，因此叶片可以自由地贴近铜杆或离开铜杆。当验电器充电后，电荷就分布到整个金叶和支撑它的铜杆上，这是由于电荷相互排斥而尽量布满导体的缘故。这时又轻又薄布满电荷的金叶受到荷电铜杆的排斥，其下端就离开铜杆停在一定张角的位置。张角的大小就向威尔逊指出了验电器带电的多少。通过对验电器金叶缓缓落向铜杆的观察就能测算出电荷泄露的速率。
当黄铜支撑杆和金箔带电时，电荷传遍其各处。金箔上的电荷与铜杆上的电荷相互排斥，于是柔韧的金箔离开铜杆。金箔与铜杆间的张角大小表明所带电荷的多少。
为了尽量找出是什么原因造成了电荷泄露，威尔逊把他的仪器放进一个不大的密封容器，并充进滤去尘埃的空气。他发现这时电荷泄露的速率仍然依旧，泄露与空气来源无关。他还试过，充进从乡下取来的洁净空气和从他的实验室(混入城市污染和实验室带有放射性的污染)取来的空气。他判定泄露不可能归因于尘埃。未曾预料到的结果使他深感困惑。接着，威尔逊比较了黑暗中与日光下的泄露情况，还是没有区别。而且不论仪器充的是正电荷还是负电荷，放电速率都不变。
威尔逊不得不得出这样的结论：实际上离子是以某种方式在密封容器里的空气中直接形成的。生成速率能根据等量产生的正电荷和负电荷总量测量出来。到底什么导致离子的形成，根源似乎不在他的仪器也不在实验室。由于尚无更准确命名，暂且叫做"自发"电离。
威尔逊在剑桥大学学习时，汤姆逊(J.J.Thomson)讲授过，X射线(当时称做伦琴射线)的电离效应和阴极射线(后来确认为电子)的电离效应。他还熟悉从放射性物质发出来的辐射的作用。"自发"电离的特征很像辐射引起的。1901年，威尔逊急于想知道，这种电离是否能由来自地球大气以外的放射线引起。检验的办法就是，到更高的高度看是否效应增大和到地下看是否效应减小。他作了地下观察，但没有认识到地下放射性对放电所起的作用也和穿透大气的粒子或射线所起的作用一样。遗憾的是，他的仪器还不够灵敏，区分不出是哪种作用。他夜间在苏格兰铁路隧道中所进行的测量表明，那里的电离效应并没有测得出的减弱，这似乎消除了认为是宇宙来源的可能性。他得出的结论是，电离源必定是空气自身中的某种事物。
此种看法又过了十年还没被澄清。这期间威尔逊所使用的简单验电器有了改进型。新型的"电离室"比验电器更完善更精密，并成了辐射实验室的标准设备。居里(Curies)在他对放射性的开创性研究中就用过一台这样的仪器。用上电离室才最后帮助解决了电荷泄露问题。
决定性的实验是1912年8月7日完成的。其结果获得了诺贝尔奖。真令人惋惜，获奖者不是威尔逊。这次实验与威尔逊深入地下测量相反，而是包括升入大气去测量。进行这项实验的科学家是V·F·黑斯(Viktor F.Hess)，他把电离室装进氢气球的吊舱里，携带着电离室升上高空，进行了一系列英勇的冒险飞行。宇宙射线实验从来都是在荒凉地区进行的，但很少有像黑斯那样的勇敢探险。实验中，他乘坐在庞大体积的高度易燃的氢气球下的小小吊蓝里，飞升到5000米以上的高空。每次电离室测量实验都要耗费1个小时，气球上升和下降的整个期间黑斯都作着紧张的测量。因为黑斯升上高空并不像现代登山者那样，能携带上救急用的氧气，所以每次飞行都是很危险的。在那样高的地方，他的判断能力也会由于空气非常稀薄而大受影响。
新仪器设备的采用往往会取得科学研究的重大突破。在气球观测中，使用的是一台大为改进的电离室。它是耶稣会教士沃尔夫(Th.Wulf)神父特别为气球实验而设计的。为了探求高出地面电离总量有什么改变，1909年，沃尔夫自己在艾菲尔铁塔顶上也进行了测量实验，但是测量实验并不成功。这种沃尔夫检测器既紧凑又结实，是专为对付气球急速升空时大气压的巨大变化而设计的。黑斯在他的气球测量实验中携带着三台这种辐射检测器。
黑斯受到奖赏是由于他的下述发现。气球开始上升时电离(辐射所导致的电离)减小不多。然而，高过约2000米的高度后，辐射水准先是缓慢增加，随后当接近5350米的最高高度时辐射就会显著急速增大。他的解释是，来自地球放射性的辐射一直影响到约2000米的高度，但在更高的高度上是另外的事物导致电离增大。黑斯猜测到，这另外的事物是"从上方进入我们大气的高穿透力辐射"。有一次他趁着正在日食，进行了气球飞升观测。发现电离效应在日食时既不减小，在夜晚也不减小，所以导致电离的辐射源不像是太阳。
到那时，对自然放射性已进行了广泛的研究，然而对于产生这种现象的核过程还不完全理解。正在蒙特利尔(Montreal)工作的卢瑟福勋爵(LordRutherford)建立起辐射分三大类的观念。一类是α粒子，现在知道它们是高速氦核；一类是β粒子，它们是电子或人为产生的阴极射线；另一类是γ射线，它们是与光线或X射线基本性质相同的高能"光子"，但是能量更大。这些辐射形式各有各的特性。α粒子飞驰的距离很短，β粒子贯穿能力强些，而γ射线是到目前穿透力最强的射线。黑斯立刻意识到，致电离成分中有γ射线，因为如果辐射来自空间的话，必需穿透好几公里地球大气。当时知道只有γ射线能有这样大的本领。我们将要知道，这一观点实际上并不正确。然而在当时，黑斯和其他任何人还搞不清楚原因。
在黑斯的冒险气球飞行实验之后，物理学家W·考尔赫斯特(Werner Kolhorster)又进行了更大胆的气球飞行实验。为了研究放射性，他继续发展沃尔夫电离室。1913年和1914年正当他二十几岁精力旺盛时，进行了一连串的气球升空试验。考尔赫斯特到达了9300米的高度，类似珠穆朗玛峰的高度，或者说是喷气客机巡航的高度。在这个高度上，测到的辐射致电离效应比地面上高出50倍。1930年，考尔赫斯特在波茨坦(Potsdam)创建了专门研究宇宙射线的第一个研究所。
黑斯和考尔赫斯特所取得的观测结果(高度升高则辐射水准增大)清清楚楚地表明，辐射的源泉在地球环境以外。直到那时，天文学依然对回答这个问题束手无策。
这种辐射穿过大气的方式还不清楚。只是注意到随着高度升高辐射增强，但是找出辐射强度如何变化却非常困难。初期的观念是，因在大气层中穿过的厚度越来越深，而使得宇宙γ射线强度只会逐渐减小，但后来证明这个看法是错误的。我们现已认识到，在很高的高度上的绝大部分粒子根本不是γ射线，显然出现那样的错误观点就难以避免。这表明出路依赖于几方面的突破。其中之一是必需对辐射穿过地球时其强度如何随高度、压强和其他参数发生变化进行研究。我们即将看到，能让研究者观测到个别辐射粒子的一项新仪器的开发，导致另一个科研领域的巨大进步。
