为什么光速是宇宙中最快的速度？教你在家也能测光速

光速是宇宙中最快的速度，想必大家都耳熟能详，但是为什么宇宙中不会有比光更快的速度呢？以前我就有疑问，会不会是因为我们观察这个世界用的是电磁波（光也是电磁波的一种），所以比光更快的现象我们观察不到呢？

其实，虽然人们常常叫它“光速”，但更科学的描述应该是“物理相互作用的传播速度”。因为在真空中，物体之间的任何一种力（无论是电磁力还是引力）都以同样的速度传播。所以，光速代表着宇宙中的速度上限，任何物体在空间中的运动速度都不可能超过光速。另一种验证方法是，莫过于爱因斯坦的相对论里描述的质量和能量的等价，方程E=mc2来表达（E是能量，m是质量，c是光速）。由于能量和质量的等价，物体因为速度所具有的能量应该加到它的质量上去，例如，以10%光速运动的物体的质量只比原先增加了0.5%，而以90%光速运动的物体，其质量变得比正常质量的2倍还多。当一个物体接近光速时，它的质量上升得越来越快，这样它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速，因为那时质量会变成无限大，而根据质量能量等价原理，这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因，相对论限制了物体运动的速度：任何正常的物体永远以低于光速的速度运动，只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。

那么光速那么快如何测出来的呢?现在有各种精密的仪器设备来测量光速，上个世纪的人是怎么测光速的呢，其实原理很简单，自己在家也能粗略的测量光速，就用法国物理学家斐索（Fizeau）发明的短距离测量光速装置。

光速测量装置示意图

这套装置的核心是安装在同一根轴上的两个钝齿轮，如果站在平行于轴的方向上观察，你会看到第一个齿轮的齿遮住了第二个齿轮的齿缝，所以无论你怎么摆弄这根轴，沿轴向传播的一小束光也无法穿透两层齿轮的阻隔。假设这套两个齿轮组成的系统正在飞速旋转，从第一个齿轮的齿缝中漏过来的光需要一定的时间才能到达第二个齿轮，如果在这段时间内，整套系统转动的距离等于齿距的一半，那么这束光就能透过第二个齿轮的齿缝传出去。这就像汽车在一条装有同步红绿灯系统的大道上行驶，只要速度合适，它一路遇到的都是绿灯。如果齿轮的转速增加一倍，那么当光线到达第二个齿轮时，轮齿会正好将它挡住。不过只要齿轮的转速继续增加，光线又会再次透过第二个齿轮，因为刚才挡光的轮齿已经离开了光传播的路径，这束光落到了下一个齿缝中。因此，我们只需要观察光线从出现到消失（或者反之）所对应的转速，就能估算光在两个齿轮间传播的速度。为了减少实验难度、降低齿轮转速，我们可以在两个齿轮之间增加几面镜子（如上图所示），让光多传播一段距离。通过这个实验，斐索发现，当齿轮转速达到每秒1000转时，他首次观察到了透过齿缝的光。这意味着在光从第一个齿轮传到第二个齿轮的这段时间里，每个轮齿移动的距离等于齿距的1/2。每个齿轮各有50个完全相同的轮齿，因此这段距离等于齿轮周长的1/100，齿轮移动这段距离所需的时间等于其自转周期的1/100。有了这个数据，再加上光在两个齿轮之间传播的总距离，斐索最终计算得出，光的传播速度是每秒300,000千米。

目前真空光速（通常用字母“c”来指代）最准确的估算值是：c=299792.458千米/秒 。