費米加速
/ FAIR-mee /
大自然是怎樣把一個普通粒子加速到驚人能量的——沒有工程師，也沒有電源線？恩里科·費米在 1949 年給出的答案優美而簡單：讓它反彈。如果一個粒子不斷撞上移動的「牆」，而這些牆迎面而來的次數多於離它而去的次數，那麼它每一輪都會獲得一點能量——就像你不斷用向前揮動的球拍去拍網球，球會越來越快一樣。把這些溫和的踢踹重複足夠多次，一個普通粒子就變成了一個宇宙射線。
在太空裡，「牆」不是實心的，而是移動的磁擾動，尤其是激波——快速運動的氣體撞上較慢氣體所形成的陡峭波前，比如超新星膨脹的爆波。一個帶電粒子可以來回穿越這樣的激波，由於兩側氣體的流動方式，它每次穿越時都看到一堵迎面而來的牆，於是每一個往返都獲得能量。這就是現代、高效的版本，叫作擴散激波加速（有時稱「一階費米」）。值得注意的是，這套簡單的物理預言出一條冪律譜——低能粒子多、高能粒子少，按一種平滑的比例分佈——而這與我們在宇宙射線中實際測到的非常吻合。
費米加速是我們解釋宇宙射線從何而來、以及非熱粒子如何在宇宙各處被製造出來的首選機制：在超新星遺跡裡、在相對論噴流的激波裡、在太陽耀斑裡，甚至在太陽系的邊緣。它不需要任何奇異的新物理——只需要反彈、激波，和耐心。尚未解決的問題在於它的極限：它是如何啟動的、它能把最高能的粒子推到多高，以及單憑激波能否達到那些最罕見宇宙射線那令人咋舌的能量。
當超新星的爆波以每秒數千公里向外橫掃，被困在激波附近的質子一次又一次地穿越它，每個往返獲得百分之幾的能量。在數千年裡，一個不起眼的質子就能被抬升到銀河系宇宙射線的能量——不需要任何機器，只要一道激波和時間。
粒子來回穿越激波波前，每穿越一次就獲得能量——最終成為宇宙射線。
費米加速是統計性的，而不是一記大踢：大多數粒子幾乎沒有獲益，少數幸運兒多次穿越激波而達到極端能量，這自然地構築出一條冪律譜。1949 年最初的想法（「二階」）很慢；激波則帶來快得多的「一階」版本，在實際中佔主導。