1992年，有一个人类晓得的飞行最快的物体打到犹他州上空25千米的月球大气层上。它击中月球大气层时的运动速率是光速的百分之99.999,999,999,999,999,999,999，对于平时物体而言，这是有可能达到的最快速率。这个所提到的物体就是宇宙射线，更准确地说是一颗宇宙粒子。它的本性和起源仍是个谜，但它却是从宇宙空间连绵不断降落到月球上的无数粒子之一。
20世纪的物理学构建在两个晦涩而强悍的理论基础之上：相对论和量子力学。前者是关于空间和时间的理论，当物体速率接近光速时，各种奇特的效应就完全显示下来。后者是关于物质的理论，所显示的效应甚至比相对论更怪异，不过主要表现在原子和亚原子的尺度上。由于宇宙射线是以极其接近光速运动的亚原子粒子，所以它把现代物理学的这两个基本理论的全部特色结合进一个单一实体。因此，在这人类认识到的数学实在的两个最基本方面的交叉点上，我们期盼着能看到全新的以至完全不同寻常的各类现象的活动。
天文学似乎是最大众化的科学。如今，大家经常看到谈论黑洞、类星体和脉冲星。人们都看到过宇宙起始于一次大爆炸，而且报纸上定期展示给我们从哈勃空间望远镜发回的图片。可是，科学界以外的公众对宇宙射线却几乎哪些也不知道，尽管实际上宇宙射线的产物每时每刻都在穿过我们的身体，对宇航员和甚至空中航线上的游客可能是一种严重的致畸危险。
基本粒子物理学成为另一个富有魅力的科学分支有其自身的合理性。例如Lep(设置在日内瓦附近的CERN实验室)的巨型加速器使亚原子碎片在边长许多千米的环型管路中运转。这些技术上的巨人创造着宇宙大爆炸刚发生后一般会有的数学条件。它们的建造和运行须花费数十亿美元，对它们进行操作须要科学家和工程师们组成的真正意义上的大军。
常常看到这样的说法，一项人类创造的技术无论多么灵巧，大自然已经首先创造下来。粒子加速器就是此类情况。不晓得哪些缘故，在宇宙空间的深处，大自然早已创建了把亚原子粒子加速到CERN梦想不到的速率和能量的必要的化学条件。这些粒子从天上自由地径直来到我们这儿。其中有许多已横跨星体旅行了数千光年的路程实体天体物理，为我们带来有关中子星和黑洞等天体系统的外来关键信息。
宇宙射线跨越着处在数学科学关键位置上的两个学科，天文学和粒子物理学。一个学科研究宇观世界，另一个学科研究微观世界。在科技史上，宇宙射线的观测研究在亚原子粒子物理学中做出了一些特别重大的发觉。第一例反物质粒子(正电子)就是1932年在宇宙射线碰撞出的碎片中找到的。没过几年，又从宇宙射线碰撞产物中发觉了μ介子和π介子。
在50年代、60年代、70年代这一段时期，着重点从宇宙射线研究转移到借助人造粒子加速器对物质的基本结构进行研究阐明。不过，最近几年着重点又开始向回转移。粒子加速器斥资巨大并不是促使向回转移的唯一诱因。当今的物理学家和天文学家觉得，大自然能形成我们的加速器远达不到的异乎寻常的亚原子粒子类型。特别是，对这种粒子进行研究才能阐明，宇宙空间形成这些粒子的天体的极重要的细节情况。宇宙射线粒子带来的信息是用望远镜不可能收集到的。
使宇宙射线研究复兴的另一个诱因是技术的进步。这门科学的先驱者们借助在拍照乳胶或云室中检验径迹这样的初期技术获取数据，而明天的科学家们能操纵一系列复杂的仪器设备，例如高空汽球、超级快速电子设备和高效检测器。
本书的作者罗杰·柯莱(Roger Clay)和布鲁斯·道森(Bruce )是宇宙射线研究领域中的权威专家。近些年来，柯莱的大部分工作是指导南澳澳洲()附近的地面站系统，和在伍麦拉()附近的沙漠中与帕特森(John )以及若干个台湾研究组进行合作研究。位于伍麦拉的观测系统设计成采用一种新奇的形式搜救高能宇宙射线。实验者们把反射镜转向黑暗的沙漠夜空，寻找宇宙射线簇射落入大气时形成的微弱闪光。这种光具有奇特的特点，类似于航船的顶头波，只要带电粒子穿过介质(此处为空气)时的速率快于该介质中的光速，就会发出这些光。
虽然这些测量宇宙射线的技术虽然不可思议，但已证明十分成功。一台因其奇特外观而称做蝇眼的巨大检测器阵列，在犹他州运转着并仍然是道森的工作中心。这套系统还采用更灵敏的测量方式考量着天空中的宇宙射线簇射形成的光。所获观测结果令人兴奋并使人兴趣倍增，在粒子物理学和天文学领域激起了个别根本的信念。特殊奥秘映照着新近发觉的最高能量粒子的本性——公正地说，我们这儿形成不出这类粒子。
作为国际合作研究组成部份的蝇眼，其使用者柯莱和道森当前正涉足于研究那些极高能粒子。他们处在推进建造两套宏伟无比的宇宙射线观测设施的最前线，该设施采用16000平方米检测器，覆盖3000平方千米的地面，以便彻底贯彻她们的初步观测意图。他们坚信，无论这极高能粒子是哪些，不管它是由哪些独特的天体系统创造的，通过进一步对它们的研究就会使我们对物理学和天文学的理解往前推动一大步。正像柯莱和道森所指明的，此时此刻的宇宙射线物理学，正处在"高地"上。宇宙射线研究在前几十年的进展给人们深刻的印象，但我们能观察到后面等待着的一直是常年跋涉。下一代检测器的采用会使此次新的跋涉取得成功。
我们登上绝顶将会看见哪些?科学探求的全部目的是深入未知。在高处起先一瞥尚且迷人，但是真正的快乐在于对意想不到的前景的发觉。古埃及哲学家早已晓得大自然有个基本特点，他们称之为"完美原理"。大概意思是，如果某件事物有可能出现，大自然势必将它弄成现实。在宇宙所配备的全部资源上，大自然形成了我们在加速器中也能形成的全部系列亚原子核实体和更多的存在物。无论多么古怪的粒子有待找寻，我们确信它们迟早会从哪些地方出现。
我们看见宇宙有许许多多奇特诱人的景色。夜空中的繁星常常令我们向往，人们对它们已然观察研究了数千年。但它们告诉人们的天文真情只是甚少的一部分。
近来，人们早已感悟到，我们还须要有诸如射电天文学和X射线天文学这样的其他学科来丰富我们对宇宙的视野。当今人们愈加明白甚至这还不够。实际的情况是，在围绕我们的天空还参杂着极高能量的亚原子粒子的狂暴轰击。对宇宙中最狂暴事物的研究属于高能天体物理学的领域，所谈论的高能粒子就是宇宙射线。
这些粒子在许多方面都是神秘莫测的。尽管已然认真探求了历时一个世纪，仍然不能确定它们是从那里来的，或者说它们是怎么形成的。不过，人们知之很少的关于宇宙射线发觉的故事，以及此后对它们的研究，却有许多引人入胜和令人惊奇的坎坷情节。
多亏有了宇宙射线探求，物理学家才首次发觉了预言中的反物质粒子。宇宙射线的研究引起了把原子核结合到一起的"胶水"——π介子的发觉。宇宙射线研究还阐明出μ子的存在实体天体物理，μ子的意外发觉对现代物质理论的产生大有帮助。简而言之，宇宙射线为科学家们研究最高能量范围的粒子物理学提供了自然界实验室。
不仅这么，这些粒子还深入地阐明着宇宙的天体化学本性。黑洞、中子星、超新星和类星体，很可能都以某种形式卷入了来自宇宙空间的这种神秘放射性物质所阐明的非凡故事情节之中。本书就是我们企图阐明那些故事情节的译著。
科学的进步在于提出问题和解答问题。科学进步还取决于观察与理论概念之间的相互作用。有时候，观察或理论只能做到在常规中进步，必须等待另一方有所突破能够突飞猛进。另一方面，有时实验和理论会深陷这样一种料想不到的局面，开创者们必须花费大量时间学着对付种种不熟悉的新观念。对来自宇宙的高能粒子的研究，必然面临着更多出人意料的观测结果及其造成的曲解。
在宇宙射线研究领域，攀登发觉高峰的不屈不挠的鏖战中，我们当前虽然正登上一处高地。我们倍感，人们已学会理解大量的30年前不可想象的事物，但我们坚信在上面等待我们的一直是常年的攀越。我们当前正在为了向人类已知最高能量粒子研究的新一轮冲刺作着打算。我们早已清楚地看见，现今的宇宙概念还不能胜任对已知事物给出正确解释的任务。为了充分掌握哪些是须要真正解释清楚的事物和哪些是人为的观测局限性，我们必须把握更多详情细节。这里，我们将集中研究探讨宇宙中的最高能量物质。对它们的理解就是我们的神圣目标。经验告诉我们，在到达现代天体物理学中这块意外的奇特王国之前，仍然须要长途坚苦跋涉。