光速是如何探测出来的（深层解读光速限制）

光仅仅在真空中才是速度之王，换一个赛跑的地方，就有许多别的粒子能超越光子，也就是超越光速呢。早在1888年~1904年的时候，物理学家奥利弗希·维赛德和阿诺德·索末菲都提出过超光速理论研究论文。

图示：切伦科夫辐射

但随着爱因斯坦狭义相对论的发表并被广泛接受后，所有关于超光速方面的研究就被彻底抛弃，物理学家们默认光速不可超越。于是曾经看到过超光速现象的居里夫人，就这样放过了一个 诺贝尔物理学奖，让人叹息。

图示：放射性元素锕盐在溶液中发光，也是因为它释放出了超光速粒子。

许多人都看到过放射性物质在水溶液中发光，但他们都没有追问一句这种光是怎么产生的。只有俄国物理学家切伦科夫（cherenkov ），专心致志的探究这个现象，虽然他本人并未将此现象产生的机制彻底搞明白，但这项研究最终让他获得诺贝尔奖，因为他的研究提供了大量实验数据，在切伦科夫研究的基础上，两位理论物理学家Tamm和Frank最终将放射性物质溶液发光现象进行了解释：

“只要我们假设，当粒子的移动速度超过同样介质中的光子的移动速度时，它就会发光的话，那我们就即能定性又能定量地解释（切伦科夫辐射）这种物理学现象“。

直到这个时候，物理学们才集体意识到，他们对狭义相对论的理解存在重大失误，不能超越的光速仅仅是真空光速，如果换一个比赛场地，那么超光速是可以发生的，只有真空光速神圣不可侵犯，其它介质环境中的光速也就是那么回事儿。

图示：狭义相对论说，超越真空光速，会得到负时间，这似乎意味着你能回到过去，但这会产生一系列的悖论。因此超光速被认为是不可能存在的物理现象。

而在广义相对论中，它否定了在太空中用很长的时间来缓慢加速一个物体进行超光速的思想实验，因为能量和质量是一回事儿，随着物体速度加快，它的质量会越来越大，当它趋近于光速时，其质量会趋近于无限大，而无限能量和无限质量是不可能出现在真实物理世界中的，如果出现整个宇宙就会被无限大的引力给拉到一起，发生大塌缩！注意，光子本身静止质量为零，所以它不需要无限能量就能达到真空光速C.

我们现在大多都光速很快，伽利略是最先想到测量光速究竟有多快的物理学家，但很不幸他设计的实验台太粗糙，或者说他太小看光速了，因此遭到了可耻的失败，后来许多人想了许多办法来测量光速，但他们统统都失败了，于是有一段时间，多数物理学家开始怀疑光速是否无限快，当然要是光速真的无限快，我们就不必讨论超光速这个话题了。

图示：光的确很快，它来回一趟地球和月亮之间，平均时间为大约2.5秒钟，因为月球围绕地球旋转并不是一个正圆而是一个椭圆。

先看看伽利略是怎么失败的。

1. 他选择了一个月黑风高的夜晚
2. 他自己和助手分别爬上两个山头
3. 他打开灯并同时计时，助手看到他的灯，打开自己的灯，伽利略看到助手的灯，然后停止计时

图示：1638年8月11号，农历7月初二，一个无月之夜，伽利略和助手尝试了首次人类光速测试实验，实验惨遭失败，这是科学的象征，成功总是建立在大量的失败的基础上。虽然原理没问题，奈何光速太快，人的反应速度太慢，这些误差加在一起，让测量出来的光速变得毫无意义

两百多年后，1849年3月18日，农历二月24，后辈物理学家，名为阿尔芒·斐索（Armand Fizeau）的法国人，决定重复伽利略的方法。在经过十八世纪六十年代工业革命的百年积累之后，斐索要再次挑战光速测量，使用完全一样的原理，但这次他有机器的帮助，不需要用人的神经反射速度。

1、同样选择一个月黑风高的夜晚

2、同样选择两个山头

3、但使用一面镜子代替山头上的助手，镜子直接反光

4、使用一个高速旋转的齿轮来代替计时器，只要知道齿轮的旋转速度就能知道流逝的时间

图示：人类第一个最准确的光速测量实验，它完全仿照伽利略想到的实验方法，但用机器代替人，从而取得了成功。

通过调整齿轮的转速，巧妙地让齿轮恰好旋转一个齿的距离，这样反射回来的光将通过第二面镜子准确地反射到观察者眼中。由于光源使用的是蜡烛，所以还需要一个透镜系统来聚光，免得光线太微弱啥都看不到，今天要是我们重复这个实验，只需要随便在淘宝买一只激光笔就行，可以将透镜系统简化。斐索测量到的光速为：315,431.424 公里/秒，这比现在的约30万公里/秒的速度稍微快了一些。

• 旋转镜法测光速，是超光速的关键

法国物理学家让·伯纳德·里昂·福柯帮助斐索设计了这套测量系统，在斐索取得成功后，福柯想能不能再次简化这个实验，不用出门就在实验室里就完成光速的测定呢？福柯想出了旋转镜法，通过快速旋转的镜子，不需要出门同样能完成光速的测定，而且可以测得更加精确。

图示：旋转镜法测光速

1、光发射到一面高速旋转的镜子上

2、这面镜子将光恰好反射到第二块不动的镜子上，光于是被反射回来

3、第一面高速旋转的镜子恰好将反射光反射到观察者眼中

4、通过测量旋转镜的转速，以及光走过的距离，就能知道光速是多少了。

福柯得到的光速就相当准确了为298000公里/秒，这和现代测量值光在空气中的速度大约为299700km/s，已经非常接近了。而更重要的是，在实验室中，福柯可以让光穿过其它介质，比如玻璃，比如水，比如油等，用同样的方法测量光速，福柯有了一个重大发现：

那就是光速是可以发生变化的！

在不同的介质中，光速不同，甚至差异非常大，以至于不需要考虑实验误差，即光速的差异绝不是实验本身的误差导致的。

• 光在水中的速度只有空气中的3/4
• 光在玻璃中的速度只有空气中的2/3
• 光在钻石中的速度最慢只有空气中的1/3左右

当粒子运动得比光更快的时候，事情就会变得非常特殊，这时候运动中的粒子会发光！是的，如果你跑得比光还快，你就会变成发光体，这真的是一个非常有趣的发现，这种现象被我称为光爆，这是模仿超音速飞机的音爆现象。

图示：浸泡在水中的核反应堆发着幽幽的蓝光，这蓝光就是粒子超光速的证据。

切伦科夫因此拿到了1958年的诺贝尔物理学奖，这种特殊发光现象也就此被称为切伦科夫辐射，它不仅仅发生在水中，在任何介质中，只要粒子的运动速度超过该介质中光子的运动速度，就会发光！当然划过夜空的流星，不是因为它们超光速，而是因为它们和大气剧烈摩擦发热之后才发光的。