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title: "Hess 在云层上方找到了更强的辐射"
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last_modified: "2026-10-24"
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[恒星与看天空的新窗口](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/#stellar)

天文 · 宇宙学 · 引力

# Hess 在云层上方找到了更强的辐射

Sandbox Physics · 2026-10-24

一次气球飞行怎样证明，有些辐射从太空来到地球？

1. 给密封探测器充电
2. 比较不同高度的漏电速度
3. 用多台仪器检查高空增强
4. 推断辐射从上方进入

关键的高空气球飞行发生在 1912 年 8 月；Hess 在 1936 年获得诺贝尔奖。

## 离地面越远，信号反而越强

1912 年 8 月 7 日，Victor Hess 乘氢气球升到中欧上空五千多米。他身旁的仪器正在加快漏电。倘若辐射全来自土壤里的放射性物质，离地面越远，信号理应越弱；实际却在高空明显增强。Hess 据此判断，一种穿透力很强的辐射正从上方进入大气。

当时，人们早已发现：仪器明明绝缘得很好，充上的电还是会慢慢漏掉。辐射能从空气分子里打出电子，留下带电的碎片，空气便有了搬运电荷的能力。这叫电离。Hess 用仪器内部的空气感受辐射，再从漏电速度读出它有多强。

来源：[1] [3]

## 带上高空的仪器得先经得住高空

他用的是 Wulf 静电计。两根带电细丝互相排斥，电荷流失后，细丝间距就会改变。Hess 从目镜里读出变化，再比较一段时间内移动了多少格。气球不断升高，同一套读数便能回答不同高度的辐射是否一样强。

细丝不会告诉人们天空里有什么颜色，也不会留下粒子经过的轨迹。仪器只记录电荷流失有多快。要把这个缓慢变化变成辐射强弱，就得让每段观测持续足够久，再用相同方法比较前后读数。

三台仪器各有分工。两台容器壁厚，而且密封，外界气压降低时，里面空气的密度仍大致保持起飞时的数值。第三台壁薄、不密封，能接收较易被挡住的辐射，也需要考虑气压变化。否则，高空读数变了，可能只是仪器里的空气变少了。

Hess 会在起飞前做对照，检查绝缘本身漏掉多少电，也留意吊篮和压舱沙是否可能带来附近的放射性干扰。制造商还改进了目镜调焦机构，避免看清细丝时顺便改变放大倍数。高空那一次明显的增强，靠这些细节才读得可靠。

来源：[1]

## 只升一小段，可能看不到转折

刚离开地面时，电离确实可能减弱：地壳发出的部分辐射被空气吸收了。这一段看上去支持地面来源。再往上，读数却重新升高。若气球飞得不够高，关键转折就会藏在尚未到达的空中。此前几次飞行，天气和气体浮力都限制了升空高度。

八月这次终于升到约 5.3 千米。在最高的一段观测里，一台密封仪器每秒、每立方厘米测得的电离量达到 40.7 个离子，平时地面测量约为 16 个。一个立方厘米差不多是一小块方糖的体积；数字说的是这点空气每秒能被辐射电离多少次。另一台密封仪器也明显升高，两台仪器共同看到了增强。

这里还有一个容易忽略的细节：最高高度和一段观测的平均高度不是一回事。最高那一小时，气球在约 4.4 到 5.35 千米之间，表中平均高度约为 4.8 千米。40.7 这个读数对应整段观测，不能当作在最高点停住后拍下的瞬间。Hess 把高度、时间与仪器读数放在同一张表里，读者才能沿着上升和下降的过程，看到增强怎样出现。

来源：[1] [2]

## 来自上方，自然先想到太阳

太阳是很自然的猜想。Hess 在 1912 年春天的日食期间也飞过，月球遮住部分太阳时，穿透性辐射没有明显减弱。夜间飞行又没有显示出强烈的昼夜差别。把全部信号都归给沿直线传播的太阳辐射，便说不通了。

这时，Hess 确定了应当朝哪个方向寻找原因，入射辐射究竟是什么仍待研究。静电计只读到容器内部的电离。单靠这个数，分不出最初进入大气的是质子、原子核还是其他粒子。他在 1936 年的诺奖演讲里，仍谈到宇宙线来源的许多悬而未决之处。

来源：[1] [2]

## 大气也成了探测过程的一部分

后来人们才逐渐知道，原初宇宙线大多是高速原子核。它们撞上高层大气中的原子核，会产生更多粒子；其中一些继续向下，抵达地面。地面仪器看到的信号，已经包含了辐射穿过大气时发生的一连串变化。

改变高度，就改变了仪器上方有多少大气。空气既会吸收粒子，也会让碰撞生出新粒子，一串垂直方向的测量因此比地面上的单次读数丰富得多。1912 年的高空飞行打开了这条路；1936 年的诺奖表彰了 Hess 对宇宙辐射的发现。两根缓慢靠拢的带电细丝，把人们的目光引向了天空。

来源：[3] [4]

## 来源与阅读说明

1. [Hess (1912), Measurements of the Penetrating Radiation during Seven Balloon Flights; translated primary report](https://arxiv.org/html/1808.02927v2)

   读仪器说明、第七次飞行数据表与结论；表格分别记录绝对高度和离地相对高度。

2. [Hess (1936), Unsolved problems in physics: tasks for the immediate future in cosmic ray studies](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/hess-lecture.pdf)

   开头回顾辐射随高度增强，随后讨论当时对宇宙线来源仍有哪些未知。

3. [CERN, Cosmic rays: particles from outer space](https://home.cern/science/physics/cosmic-rays-particles-outer-space/)

   分清原初粒子与大气中产生的次级粒子，再把 Hess 的电离测量接到现代粒子图景。

4. [Nobel Prize in Physics 1936, official summary](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1936/summary/)

   Hess 的宇宙辐射发现与 Anderson 的正电子发现，分别获得当届奖项的一半。

[我们怎样读懂宇宙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/) [白矮星为什么有质量上限](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/chandrasekhar-stellar-support/) [一枚火箭发现了异常明亮的 X 射线天空](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/giacconi-x-ray-sky/)