我们怎样测量宇宙线粒⼦的运动速度？
宇宙中所有物体的运动速度是否有极限？爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论中给出了答案，如果我们承认现实的因果性，也就是事件的原因必定在结果之前发⽣，就必须接受⼀个基本的物理法则：宇宙中任何有质量的物体的运动速度都必须⼩于299,792,458 m/s，即真空中的光速。这⼀不可思议的理论在当时引起了很⼤轰动，实验物理学家们设计了很多实验来验证爱因斯坦提出的理论，结果都证明相对论是正确的。
当宇宙加速器加速宇宙线时，宇宙线运动得越来越快，运动速度会趋近于光速，但不会超过光速。那么，宇宙线的运动速度到底有多快呢？通过“重⾛宇宙线发现之旅”系列课程“空⽓电离之谜”，我们已经知道，在海平⾯测量到的是宇宙线与地球⼤⽓中氮、氧等的原⼦核碰撞产⽣的次级粒⼦，到达地⾯时，以穿透⼒强的μ⼦为主。这些μ⼦平均能量约为4 GeV，按照狭义相对论计算，这些粒⼦的速度为光速的99.96%，⾮常接近光速。
宇宙线就像光速炮弹⼀样从外太空⻜到地球上，如果它的速度真的这么快，我们怎样精确测定出来？这要先从物质运动的最快速度——光速测量的历史谈起。
回顾这段历史不难发现，⽆论是⽊星卫星测量法还是旋转棱镜法，原理都是通过光的传播距离和传播时间之⽐得到光速。这⼀类实验的测量精度都可以通过公式(1)确定，只有将距离测量的相对误差和时间测量的相对误差都控制在合理的范围，测量结果才是有效的。因为光速实在太快了，实验设计者都不约⽽同的把设备的距离尺度拉⼤，让光传播得远⼀些，传播时间⻓⼀些，降低时间测量的误差。
⾼能宇宙线粒⼦的速度⾮常接近光速，按照光速估计，粒⼦穿过1 m距离的⻜⾏时间仅为3.3 ns。要使速度的测量误差⼩于5%，时间间隔的测量误差必须控制在0.16 ns以下，时间测量需要相当精确。通过“重⾛宇宙线发现之旅”课程，我们对闪烁体探测器已经有所了解，项⽬组制作的闪烁体探测器时间分辨率在1 ns左右。
这使我们很⾃然地想到利⽤μ⼦望远镜完成这个实验，测量粒⼦在相距为d的两台探测器之间的⻜⾏时间来确定粒⼦速度。
探测器经过“对时”后时间测量就准确了，剩下的问题是粒⼦的⻜⾏距离怎么测量。如果探测器的横向尺⼨想象得⽆穷⼩，粒⼦的穿⾏距离约等于d，但这样计算的误差较⼤。
如图4所示，μ⼦望远镜的探测器D1，D2间隔d = 2 m，探测器的⻓和宽为s = 0.4 m，μ⼦最⼤倾斜⻆μ⼦⻜⾏距离应为l = d / cos θ。考虑μ⼦的⽅向不固定，⻜⾏距离需要⽤⼤量μ⼦事例⻜⾏距离的统计平均值代替，即(上画线表示统计平均值)。
本节课程的主要⽬标是引导⼤家利⽤先进的粒⼦探测设备，设计并完成宇宙线速度测量实验，体验科学实验的探索过程。实验⽅法是五花⼋⻔的，但是⼤家的⽬标和⽅向是⼀致的，那就是⼩⼼检查和仔细消除实验中遇到的各种各样的误差，尤其是对结果影响⼤的误差项。⼤家可以⾃⾏设计各种实验解决科学问题，希望这⼀课程能够为进⼀步的科学探索打开通道。