地球沐浴在宇宙射線之中。質子、電子和原子核以接近光速的速度運動，它們會擊中地球大氣層產(chǎn)生有史以來觀測到的最強粒子碰撞。當粒子的速度接近光速，它的能量則會呈指數(shù)增加，所以似乎宇宙射線所擁有的能量沒有上限。但事實證明是有限度的，至少理論上是如此。

　　這個極限是由宇宙微波背景限制的。宇宙微波背景是宇宙大爆炸的熱殘余，是遍布宇宙的微波光子，這就是為什么我們從太空的四面八方能觀測到宇宙微波背景。但由于相對論，以接近光速運動的宇宙射線將觀測到這種輻射極大地藍移。這些宇宙射線將會把宇宙微波背景光子觀測成為高能伽馬射線，而不是一片微弱的微波。

　　這些宇宙射線偶爾會與一個光子撞擊，產(chǎn)生如π介子等粒子以及帶走一些宇宙射線的能量。這將持續(xù)到宇宙射線并不足以產(chǎn)生π介子碰撞為止。因此，在星際空間經(jīng)歷過大幅度的膨脹之后，任何高能宇宙射線都會低于這個截止能量。

　　這個截止稱為GZK極限，以三位提出者Kenneth Greisen、Vadim Kuzmin和Georgiy Zatsepin的名字命名，他們計算出這個極限是8焦耳的能量（質子以光速的99.999998%運動），并且任何運動了大于1.6億光年的宇宙射線將會低于這個極限。雖然這是一個巨大的能量，但是人們觀測到了有著更高能量的宇宙射線。最高能量的宇宙射線其能量大約有50焦耳，這怎么可能呢？

　　簡短的回答是，我們不確定。高能宇宙射線比任何我們所擁有的粒子加速器都更強大，所以這些類型的粒子不可能在實驗室中重現(xiàn)。一種可能性是，我們對高能宇宙射線的測量不知何故出錯了。我們不是直接觀測宇宙射線，而是觀測它們擊中大氣層時產(chǎn)生的粒子流。從中，我們可推斷出它的能量和組成。雖然這是一種可能性，但我們的觀測似乎還是很靠譜的。

　　另一種解決方法是，這些宇宙射線是就地生產(chǎn)（在宇宙意義上）。大多數(shù)宇宙射線經(jīng)歷數(shù)十億光年的旅行到達我們這里，但如果宇宙射線的距離少于1.6億光年，那能量就會高于GZK極限。這種觀點的問題在于，在1.6億光年之內沒有已知的高能宇宙射線來源，所以這個答案簡單地把GZK悖論替換成了宇宙射線的起源之謎。

　　另一種可能性是能量最高的宇宙射線可能是較重的原子核。大約90%的宇宙射線是質子，另有9%是阿爾法粒子（氦原子核），剩下的主要是電子。可能一小部分的宇宙射線是更重元素的原子核，如碳、氮、甚至鐵。這樣的重核可以維持它們的能量跨越更大的宇宙空間，從而克服GZK極限。

　　但還有一種可能性也許是最引人關注的。由于這些宇宙射線所擁有的能量要比我們在實驗室中所能創(chuàng)造的任何東西，所以它們是非常適于對高能粒子物理學進行測試。GZK極限有可能是無效的。這是基于我們當前對標準模型的理解，而如果標準模型是錯誤的，那么GZK極限也可能會如此。GZK悖論的答案是否是新的物理學，我們目前尚不清楚。

　　最強大的宇宙射線的能量可能是太大而不會消散。

　　下次我們將要討論的另一大天文悖論是：黑洞的事件視界標志著一趟被湮沒的單程旅途，它似乎也違反了物理學的一些最基本的想法。下篇文章我們再來看看這個物理學中最受關注的悖論。

　　文章首發(fā)：怪羅網(wǎng)（www.guailuo.com） 歡迎關注微信公眾號：微信搜索“怪羅”（id：guailuo123）

　　更多閱讀：宇宙大爆炸之前發(fā)生了什么？