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你的一部分原子來自宇宙射線

1991年10月15日,在猶他州鹽湖城西南的杜格威試驗場,一種本不該出現的不明物體撞進了蠅眼宇宙射線探測器。這個意外來客比原子還要小,蘊含的能量卻不同尋常,以致物理學家皮埃爾·索科爾斯基(Pierre Sokolsky)對此形容道:「就像一塊鉛磚砸到了你的腳趾。」相比於新墨西哥州一台探測器在將近30年前遭遇到的另一顆粒子,這一顆的能量還要強上好幾倍,衝擊力大得驚人,所以它究竟是以何種方式被拋出的,在當時並不是很清楚。在1991年這次破紀錄的宇宙「飛彈」襲來之後,大為吃驚的科學家們將其稱為「我的天哪粒子」(Oh My God Particle)。

蠅眼發現的這枚粒子至今仍然因其絕對的衝擊力而保持著紀錄,不過如今已有更多類似的宇宙粒子被檢測到,天體物理學家也開始理解它們是什麼,並推斷它們從何處而來。這些粒子多數以近乎光速的速度旅行,可能來自最靠近銀河系的那幾千個星系中的某一個。確定這一距離範圍的依據是,即便是最快速的粒子,在與星際塵埃以及其他星際間障礙物碰撞時都會損耗能量,因此像「我的天哪粒子」這麼高能的粒子,其旅行距離應當不會超過1億光年。科學家們猜測了不少源頭,包括垂死恆星的等離子體或超大質量黑洞的輻射物。

這些超高能粒子的存在,拓展了20世紀以來科學家們對空間粒子光譜的認識。早期的研究者注意到,空氣中存在著不明物質,經常會損壞電氣設備,並猜測罪魁禍首可能是地球上的礦物放射線。然而,在將驗電器經由氣球發射到高空或是直接放置在不同海拔高度的山區之後,物理學家們發現越是遠離地球中心的地方,這種襲擊越頻繁——射線源遠在地球以外,而非來自地球。

這類宇宙「射線」是高速飛行的小不點兒,具有質量與能量,從四面八方向我們襲來,大多數是質子,但也包括電子、離子化的碳核、鐵以及其他元素,而幾乎沒有質量的中微子可以穿透整個地球,從你的天靈蓋穿過之後繼續它們的長途旅行,不會在你的身上留下任何印記。通過對天空進行系統檢測,天體物理學家發現大多數粒子的軌跡都在銀河的銀盤內,也就是說它們來自我們銀河內部的鄰居。然而,很多最高能的粒子,等概率地從不同方向襲來,也證明其中至少有一些來自於宇宙更深處。不過所有這些粒子都可以證明一點,我們身邊的那些星球正在經歷著新生、存續或死亡,就像原子自身也會命運無常、終有一死一樣。

太陽風和地磁場會讓大多數高速飛行的粒子在抵達大氣層之前發生轉向,但並非所有粒子都如此。物理學家尼泊爾·拉梅什(Nepal Ramesh)和他的同事們估算,每一分鐘,高層大氣的每一平方米範圍都將遭遇一千次宇宙粒子的襲擊。這樣一顆粒子撞擊到地球——當然這是異常小概率的事件——會發生什麼?如果它和大部分粒子一樣,一頭撞向你頭頂上方10英里(16千米)處的某個空氣分子上,那麼它會製造一場介子和其他亞原子粒子形成的「天空淋浴」,光探測器的黑色底片上會因此留下灰白色的螢光斑點,在沒有月光的晴夜記錄下它們的蹤跡。這些粒子可以留下一條由凝結水滴構成的蛛網狀細長軌跡,有助於雲層的形成,或者它也可能會穿過你的皮膚,引起細胞損傷、癌變、基因變異,或者僅僅是繼續向下深深地鑽入地面。

你的家鄉海拔高度越高,空氣保護層就會越稀薄,由此帶來的輻射劑量也會更大。根據美國環境保護局的在線測算器,當你乘坐一架噴氣式飛機在紐約和洛杉磯之間往返一趟,會讓你暴露於5毫雷姆的宇宙輻射強度之下,相當於一次X射線胸透一半的劑量。上述數據來源還可以查到,居住於海拔1英里(1.6千米)高的丹佛人,每年遭受的輻射量(45~55毫雷姆)大約兩倍於居住在低海拔地區的舊金山人。拉梅什的研究發現,相比之下,海拔高度1英里的位置上,介子強度接近海平面上的100倍。他們測算顯示,在加州,海拔4200英尺(1280米)高的位置上,每分鐘每平方厘米會遭到100次介子攻擊,也就是說,當你翻山越嶺時,每秒鐘都會有超過100個介子打到臉上。不管你會撞到多少個,這都是我們所有人都要面臨的一大風險。天然背景輻射可以造成傷害,卻也可以通過基因變異「創造」〔此處加引號,避免理解成宗教意義中的創造〕新的物種,這也是物種演化過程中的關鍵因素。我們的原子不僅來自於早已死去的星球以及宇宙開端的那次「大爆炸」:遠方的超新星及黑洞如今依舊在對地球上的生物進行著元素改造。

如果你時常關注空間科學,你應當曾經聽說過宇宙射線。然而,在和它們有關的「天空淋浴」和細胞破壞結束之後,它們又去了哪裡?即便是經歷了最為夢幻的衝撞之後,物質與能量都不會憑空產生或消失,只不過是相互轉化而已,而無休止的空間宇宙射線風暴就如同是撞上擋風玻璃的昆蟲一樣,不斷襲擊著快速飛行的地球。這些粒子到底怎麼樣了?它們還和我們在一起嗎?

你一定會很驚詫,你體內一些相對年輕的碳原子其實就是這種撞擊的產物。當太空質子撞到外層大氣時,它或許會引發一系列的彈性碰撞,最終驅使一顆雜散中子撞入氮原子核,氮原子因此轉變成放射性的碳14,並很快與氧原子結合,成為二氧化碳混到下層。在每一平方碼(0.84平方米)區域的天空中,每秒鐘都有數千個碳原子通過這種方法形成,一旦落到地面後,便會被植物吸收並進入食物鏈,最終到達你的體內。

碳14原子中過重的原子核並不穩定,最終還將分裂出一些亞原子碎片,並轉變成原先的氮原子形式。對於任何單一的碳14原子而言,你永遠不可能知道它會在什麼時候發生這樣的衰變,但對於大量放射性碳原子而言,平均每5730年都會有一半發生衰變。這種變化隨時都會發生。如果構建你DNA鏈的其中一個碳14出現衰變,由此形成的氮原子以及粒子輻射的反衝作用,都可能會造成基因編碼的錯誤,如果不被修復便會出現變異。艾薩克·阿西莫夫曾經估測,成年人體內每秒鐘都有大約3000個放射性碳原子會像微型炸彈般炸裂。

作為原子武器遺產的繼承人,你體內的放射性碳也比你那些核時代前的祖先更多,並且在過去的這半個世紀中,這些殘餘污染或許已經導致了無以計數的生育缺陷及腫瘤。當你去談生意的時候,放射性碳也會在你的全身爆炸,就如同是宇宙射線淋浴和冷戰核爆的回音,將你和太空深處及核危機陰雲聯繫起來。

你體內的一些水分子也是宇宙「炸彈」。有時對氮原子的撞擊會產生氚,一種含有兩個中子和一個質子的放射性氫同位素。當你游泳時,或是在陰雨天任由水分子滑過你的髮絲時,含有氚的水並不會特別危險,但在你的體內,相比於丰度更高的放射性碳,輻射相對較弱的氚卻可能造成更嚴重的損傷。根據阿西莫夫的估計,人體內平均每秒鐘會發生三次氚原子衰變。與此同時,空氣中遭遇撞擊的氮原子會變成碳12,也就是普通形式的穩定碳同位素。由於它們與構建你身體的大部分碳原子相同,因此也就沒有辦法精確地知道,你身體中哪些碳原子更古老,哪些又是宇宙孕育的「新生兒」,不過可以肯定的是,你體內一定也帶著一些這樣的變形體。

空間粒子撞擊到裸露的岩石表面時,礦物質原子會被轉變為放射性較為溫和的氯同位素,或許會進一步溶解到地下水中並最終抵達你的沙拉。這種撞擊一直在持續,因此地質學家可以通過樣品中的同位素碎片測定冰川漂礫暴露在外的年限——反過來這也有助於校準冰川期的歷史。隨著岩石發生風化並將它們的原子送入海洋,這些因輻射而產生的氯原子也與地球土生土長的元素混在了一起,所以你的調料瓶與血液中也會含有這些宇宙來客的遺骸。可見,你不僅從生理上關聯著你的地球老家——你的原子鄰居也遍佈整個銀河系,甚至也包括宇宙的更深處。

太陽風中的電離態原子核,鉀40和岩石土壤中其他一些不穩定原子的衰變,還有彗星與隕石的碎片,構成了一座粒子樂園,而你將發現一個完全不同於我們想像中的奇異世界。你和你的周圍環境會時不時悄無聲息地遭遇這些宇宙來客,和放射性爆炸物一同嘶嘶作響,在遙遠星體的能量激發下發光。與此同時,大氣層會逐漸因為太陽風的撕扯而消散。大氣層之所以還能被穩定維持,是因為有地磁場的保護,也是因為火山與生物活動在對其進行補充。最邪惡的太陽風也未能威脅到你的空氣補給,但這只是暫時的——幾十億年後,垂死的太陽將會更為激烈地釋放剩餘能量,將地球大氣全部撕去,並隨後毀滅整個地球。

當如此多的劇變在這麼多層面上發生之時,沒有哪種物質可以做到永恆存續。當進入你身體中的物質流最終變慢或停滯了足夠久,你這個短暫存在的原子聚集體就如同一座村鎮,只會單向地向大城市遷徙。人類、文明、物種甚至行星與恆星,最終都將會滅亡,只剩下它們的原子走向更深邃的時空終點。不過我們還是說說從現在到永恆之間更短的時間跨度吧,具體一點就是:當你死去時,你的原子會如何?