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另一项可供选择的更诱人的技术是，利用簇射所产生的向前直进的契伦科夫光直接测量簇射最大值在观测者上方的高度。这既可以通过在地面上测量光的扩展来完成（簇射从高处展开比从低处展开其契伦科夫光的第一级近似值更大），也可以通过测量光脉冲的时间延续来完成（晚发生的空气簇射会出观长时间延续，这需要进一步说明）。这项技术从理论上看也很完善，但作进一步详细说明就会引起很大问题。
采用所有的空气簇射测量技术所遭遇的基本困难是，具有相等能量的两个相同粒子所引发的两个簇射，会以完全同样的方式显现很不一样的发展演变式样。平均说来，我们期望它们有相同的发展式样，但是簇射的发展演变是通过一些统计性的决定过程发生的，而且在发展过程中还会出现巨大的涨落。只要考虑一下首次相互作用就清楚了。假定平均说来质子相互作用后能通过1/10的大气厚度，而重核相互作用后能通过1/30的大气厚度，二者差别是很大的。但是另一方面，一个质子在特定时机会轻易地与大气顶部的空气核发生相互作用，甚至比重核发生相互作用的平均时间还要早。有时重核也能坚持行进到相互作用平均路程的三倍才有适当的机会发生相互作用，这种情况又很像质子。意思是说，在测量中必须清醒地意识到存在着涨落效应。这说明实际情况是很难对付的。
似乎从技术上看很琐碎，但首先遇到的是要解决仅仅与检测簇射有联系的根本问题。一个空气簇射检测阵列对抵达地面的粒子才能响应。因为损耗的减少，到大气深处展开的簇射在地面高度上会比预期的平均情况下包含着更多的粒子。而较早展开的簇射，相应包含的粒子较少。设想有一典型粒子混合物到达大气顶部，在地面的高度上由响应粒子数的检测系统进行检测。平均来看，轻核在所经大气的1/10深度上发生相互作用，但是能一直拖延直到这段路程的3倍之远，抵达全部大气的约1/3深度处。在这种情况下（重核不可能出现这种情况），对于簇射最大值粒子数目相同的簇射（即能量相同），轻核簇射在海平面高度上将有多出5倍到10倍的粒子，于是将能检测到更多的粒子。
更坏的情况是，能量相同的两个质子有的能检测到，有的检测不到，这要取决于一个簇射在大气中的展开是否随机碰上涨落到比另一个更低的机会，反之亦然。这样导致的效应称做触发偏离，空气簇射阵列在其中作出簇射选择，形成复杂和有偏离的簇射混合物记录。在初级宇宙射线中的相同质子和铁核混合物的情况下，阵列检测到的大多数低能簇射，实际上是因为质子具有比其真正平均值更接近地面的簇射最大值平均深度而取得的。这就说明为什么，虽然在中等能量上已经作过许多测量尝试，而能谱的膝附近的组成仍然是争论的主题。
为什么组成就像我们发现的那样
低能量实验提出，能谱在膝的位置上重核占主要地位，尽管如此，至今仍不能确定无疑地认可。如果这种推测是正确的，那个结果合理吗？从表面上看，尽管仍有些令人困惑的细节引起注意，但答案是正确的。基本想法是要通过单一的概念或模型对能谱变陡和组成的改变作出解释。
我们银河系中弥漫着磁场，带电的宇宙射线粒子受磁场的束缚和限制只能在星系内慢慢从发射源运动到边缘处，然后消失到星系际空间。宇宙射线粒子的运动过程主要是在星系旋臂的磁场中进行的，在磁场中粒子沿着螺旋状路径行进。星系中的磁场也和旋臂同样具有环绕星系中心的总体结构。星系磁场正好与旋臂一致。然而，由于这种磁场经过超新星和星系转动的数千年的扭曲，已经形成了许许多多迂回曲折的被严重扭曲的磁场结构。所产生的结果是，虽然磁力线本身仍然是连续的，一般并不从星系出去也不进来，但是宇宙射线却能慢慢地从一条磁力线运动到另一条磁力线，特别是在磁场迂回曲折的地方更是如此。于是，宇宙射线不可避免地逐步行进到星系的边缘地带，最后消失在宇宙空间。
这一过程发生的速率取决于宇宙射线在磁场中会碰上多少剧烈曲折。那么，我们所说的剧烈曲折是什么意思呢？粗略地说，可以设想成所指的是，磁力线迂回弯曲的距离小于宇宙射线沿螺旋路径完成一圈走过的距离（称为拉莫半径）。在这种情况下，宇宙射线的路径会失去所依附的特定磁力线，而在磁力线间迂回。拉莫半径随着宇宙射线粒子能量的增加而增大，所以具有大拉莫半径路径的高能粒子将遭遇更多的磁力线剧烈曲折。于是，高能粒子比低能量粒子倾向于更快地脱离星系，所以在任何时间星系中的高能宇宙射线总数目都比低能量宇宙射线要少。用这个模型就能说明，在能谱膝的位置以上高能宇宙射线的数目为什么比假如低能谱无限延伸所显示的数目少。
宇宙射线的带电性或组成是什么样的呢？带电荷少的粒子（轻核）在通过星系磁场的运动中具有大的拉莫半径。半径大小与电荷多少成反比，铁核的拉莫半径只有相同能量质子拉莫半径的1/26。按前述推论，质子宇宙射线从星系消失时携带的能量要比铁核携带的能量低些。所产生的结果可能是，从远低于膝的地方开始，宇宙射线轻核数逐渐不断地减少，直到膝的位置轻核已全部消失。就这样，随着宇宙射线能量的增大，在观测到的组分中比膝低处出现逐步改变，到了膝的位置变成几乎全部是重核——恰好就像JACEE实验所提示的那样。
请注意，宇宙射线的组成，在不论什么源处都不需要改变。宇宙射线正是在星系中经历一段相当长的时期达到一定数目的，而对高荷电重核来说，这段时间倾向于更长些。
这个模型的问题出在对详尽观测数据的拟合上，因为铁核路径的曲率半径要比同样能量质子路径的曲率半径小26倍，并且对于给定的核来说其半径本身正比于能量，于是我们预料在比〃质子膝〃能量高出26倍的地方会出现一个〃铁膝〃。在两者之间，还会出现电荷在1到26之间所有粒子的各种〃膝〃。如果所有粒子的发射源都相同，我们就能充满信心地预告出能谱详尽形状和组分的逐步改变。但这个模型似乎还不能在这样的细致水平上正确地工作。观测到的膝具有不正确的结构，它似乎太陡峭，在能量上没有延伸到26倍的地方。
就这样，正当我们起劲地工作时，遇到了挫折。对于膝的起源仍然得不到令人信服的答案。我们觉得我们的道理是正确的，所遵循的物理概念既直接了当又必须依从，但大自然比我们的愿望和目标要错综复杂得多。当然，我们还没有找出能量远高于膝的宇宙射线是从哪里发出的问题。流行的看法是，它们起源于星系以外的宇宙，但是目前还没办法充满信心地确认出这个场所。
宇宙射线到达的方向
我们知道，宇宙射线带有电荷，不能在充满磁场的银河系中直线行进。射电天文学家也在星系际空间检测到了磁场。这些磁场使宇宙射线的行进方向发生偏斜，于是逐渐失掉了起源时的发出方向，或许最高能量宇宙射线除外（偏离的方向最小）。它们仍然可能保留一些原来方向，但由于磁场的作用而扩展到天空广阔的区域。我们发现，宇宙射线的方向效应很少引起惊奇，整个天空的宇宙射线亮度是相当均匀的，偏离几乎总是小于1％并时常小于01％。这一点点偏离也不可预料，所以对它的研究非常重要，又很困难。如果大自然为我们提供的宇宙射线源在我们银河系以内，它们的飞行方向为何能扩散得如此严重，以至在抵达我们地球时比光线从一张高质量白纸上反射出来还要均匀？
有一种解释说，宇宙射线充满我们银河系，或许充满整个宇宙。作为初步猜测，我们想像宇宙射线的平均特性（每立方米包含的粒子数等）是经过长时期充分混合的结果。例如，我们不能期望星系中周期性地把宇宙射线充满然后移空。另一方面，星系很可能类似充满空气的密闭房间。房间里的气体分子全部以很高的速度向任意方向运动，平均起来没有特定运动或方向。充满空气的密闭房间对空气分子来说辨认不出任何特定的到达方向。分子均匀地从所有方向到来，也就是各向同性地飞来。宇宙射线物理学家往往从各向同性中寻找偏离；他们寻找所谓的非各向同性。
在这个房间里，我们不会从任何特定方向感受到过剩的压力。我们在空气中挥动手掌，假定手上有压强传感器，就会测出从挥动的前方到后方，空气压力的整个变化。如果使传感器绕手掌转一周，就会测到压力从高到低再到高的一周变化。这样我们就确实能检测出空气分子到达我们的运动手掌的特定方向，这里的最高压力方向不过是一个非常普通的方向，是由围绕手掌一周的压力变化规定的。为什么在这个方向上压力最大？这是由于压力所测量的是给定时间内分子撞击我们手掌的次数，当手掌在空气中运动时前方撞击次数增加的缘故。手掌后方表面在运动时总是由空气分子离去，分子在跟随的过程中往往有的跟不上。因此这里的压力较小。用宇宙射线的术语来说，就是在最高压力方向上