為什麼我們所觀測到的宇宙射線會超過其能量上限？
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餘，是遍布宇宙的微波光子，這就是為什麼我們從太空的四面八方能觀測到宇宙微波背景。但由於相對論，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。這將持續到宇宙射線並不足以產生π介子碰撞為止。因此，在星際空間經歷過大幅度的膨脹之後，任何高能宇宙射線都會低於這個截止能量。
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），並且任何運動了大於1.6億光年的宇宙射線將會低於這個極限。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，這怎麼可能呢？
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。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（在宇宙意義上）。大多數宇宙射線經曆數十億光年的旅行到達我們這裡，但如果宇宙射線的距離少於1.6億光年，那能量就會高於GZK極限。這種觀點的問題在於，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。由於這些宇宙射線所擁有的能量要比我們在實驗室中所能創造的任何東西，所以它們是非常適於對高能粒子物理學進行測試。GZK極限有可能是無效的。這是基於我們當前對標準模型的理解，而如果標準模型是錯誤的，那麼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：黑洞的事件視界標誌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。
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