1901年，英国的几位物理学家发现，在附近没有放置放射性物质的情况下，放在实验室里的几台带电的验电器，时间稍长自己也能够偷偷地把电荷放掉。最初，他们以为这是仪器的绝缘出了问题，没有在意。后来发觉，无论怎样改善仪器的绝缘性能，也消除不了这种漏电现象。这使他们感到惊诧。为了查清验电器漏电的原因，他们把验电器装在密封的铅盒子里屏蔽起来，以减少外界对它的影响和干扰。但仍未能得到根本的消除。这时，他们敏锐地认识到，验电器的漏电，一定是有某种穿透性很强的射线，穿过室内引起空气电离造成的。此后多方面的观测发现，不仅仅是在实验室内，而且靠近地面的整个大气层都处于微弱的电离状态之中，这表明，引起空气电离的射线是无所不在的。当时，对这种射线的来源有一种解释，认为它是由散布在地壳中的微量的天然放射性元素发射出来的。这种说法对不对呢？
这个问题引起了瑞士物理学家高凯耳的深思。他想，如果这种说法正确的话，那么，这种来自地壳内的射线的强度，就应当随着离开地面高度的增加而减弱，而在射线达不到的高度上，空气就应当不再是电离的——可以设想，带到这样高度以上的高空中的验电器，将会完全停止放电。为了证实这一点，1909年，他带着验电器亲自去高空做了一次实验，气球在一千米的高度内升高时，高凯耳看到验电器放电的速度逐渐减慢下来了，不过还不是预料中的完全停止了放电的那种情况。气球继续在上升，两千米、三千米……气球越升越高，可是验电器呢？不仅一直没有停下放电的“步伐”，放电速度反而越来越快了！
高凯耳这次实验的结果是如此令人不解和出乎意料，致使有关这次实验的报导，受到同行们的怀疑。为了弄清事实的真相，许多科学家决心重复高凯耳的实验。从1911～1919年近十年的时间内，奥地利物理学家赫斯和德国物理学家科尔霍斯特等人，先后用气球升到更高的空中进行了探测实验。结果发现，气球升得越高，空气电离越厉害，比如，在5000米的高空，空气的电离量比地面大两倍，而在9200米的高空，空气的电离量竟比地面大十倍！
这几位科学家在高空中进行的实地观测表明，引起空气电离的射线决不会来自地下，而只能来源于“天外”。进一步的观测还表明，这种天外飞来的射线，与太阳、月亮、行星或天河的位置无关，而是发源于整个宇宙空间。因此，科学家就称它为宇宙射线。