宇宙射线所拥有的能量有上限，但却观测到超过能量上限的宇宙射线

地球沐浴在宇宙射线之中。质子、电子和原子核以接近光速的速度运动，它们会击中地球大气层产生有史以来观测到的最强粒子碰撞。当粒子的速度接近光速，它的能量则会呈指数增加，所以似乎宇宙射线所拥有的能量没有上限。但事实证明是有限度的，至少理论上是如此。

这个极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热残余，是遍布宇宙的微波光子，这就是为什么我们从太空的四面八方能观测到宇宙微波背景。但由于相对论，以接近光速运动的宇宙射线将观测到这种辐射极大地蓝移。这些宇宙射线将会把宇宙微波背景光子观测成为高能伽马射线，而不是一片微弱的微波。

这些宇宙射线偶尔会与一个光子撞击，产生如π介子等粒子以及带走一些宇宙射线的能量。这将持续到宇宙射线并不足以产生π介子碰撞为止。因此，在星际空间经历过大幅度的膨胀之后，任何高能宇宙射线都会低于这个截止能量。

这个截止称为GZK极限，以三位提出者Kenneth Greisen、Vadim Kuzmin和Georgiy Zatsepin的名字命名，他们计算出这个极限是8焦耳的能量（质子以光速的99.999998%运动），并且任何运动了大于1.6亿光年的宇宙射线将会低于这个极限。虽然这是一个巨大的能量，但是人们观测到了有着更高能量的宇宙射线。最高能量的宇宙射线其能量大约有50焦耳，这怎么可能呢？

简短的回答是，我们不确定。高能宇宙射线比任何我们所拥有的粒子加速器都更强大，所以这些类型的粒子不可能在实验室中重现。一种可能性是，我们对高能宇宙射线的测量不知何故出错了。我们不是直接观测宇宙射线，而是观测它们击中大气层时产生的粒子流。从中，我们可推断出它的能量和组成。虽然这是一种可能性，但我们的观测似乎还是很靠谱的。

另一种解决方法是，这些宇宙射线是就地生产（在宇宙意义上）。大多数宇宙射线经历数十亿光年的旅行到达我们这里，但如果宇宙射线的距离少于1.6亿光年，那能量就会高于GZK极限。这种观点的问题在于，在1.6亿光年之内没有已知的高能宇宙射线来源，所以这个答案简单地把GZK悖论替换成了宇宙射线的起源之谜。

另一种可能性是能量最高的宇宙射线可能是较重的原子核。大约90%的宇宙射线是质子，另有9%是阿尔法粒子（氦原子核），剩下的主要是电子。可能一小部分的宇宙射线是更重元素的原子核，如碳、氮、甚至铁。这样的重核可以维持它们的能量跨越更大的宇宙空间，从而克服GZK极限。

但还有一种可能性也许是最引人关注的。由于这些宇宙射线所拥有的能量要比我们在实验室中所能创造的任何东西，所以它们是非常适于对高能粒子物理学进行测试。GZK极限有可能是无效的。这是基于我们当前对标准模型的理解，而如果标准模型是错误的，那么GZK极限也可能会如此。GZK悖论的答案是否是新的物理学，我们目前尚不清楚。

最强大的宇宙射线的能量可能是太大而不会消散。

下次我们将要讨论的另一大天文悖论是：黑洞的事件视界标志着一趟被湮没的单程旅途，它似乎也违反了物理学的一些最基本的想法。下篇文章我们再来看看这个物理学中最受关注的悖论。