GZK极限：质子的速度极限

众所周知，光速是一道牢不可破的障碍，我们只能无限接近于它。狭义相对论并没有限制接近光速的程度，只要能获得足够的能量，就可以离光速更近一步。但是，还有另一个速度限制，那就是0.9999999999999999999998c，这个特定的数值专门适用于质子，被称为GZK极限。为什么质子不能比这个特定速度更快？要了解其中原理，我们先要从验电器讲起。

验电器是一种非常简单的设备，它由一个金属盘（球）和一个金属杆组成，在杆的末端有一对非常薄的金属箔，然后一个玻璃罩把一部分杆和金属箔罩住以提供绝缘体保护。该设备能够测量其金属盘或金属球捕获的总电荷：电荷会通过金属杆传到金属箔上，带电的金属箔会相互排斥而张开，张开的角度越大，带的电荷就越多。

如果我们先给验电器充电，那么我们就可以通过验电器来测量空气电离。如果空气中没有自由电荷，那么验电器将保留其电荷。如果空气中存在大量自由电荷，那么验电器会吸引缺失的电荷来中和自身，使金属箔张角变小。这种空气电离在19世纪就已经被测量到，但当时这种电离的原因尚不清楚，直到1896 年亨利·贝克尔发现辐射。

贝克尔发现某些元素（如铀），会衰变并发射可以产生空气电离的颗粒。但是，所有这些元素都在地面，预计空气的电离在靠近地面的地方会更大。因此，如果把验电器放在靠近地面的地方，它应该放电得更快。而在高一点的地方，放电的速度应该会较慢，因为空气电离应该随着高度而降低。

对于每一个理论，都需要一个实验证明，并且这个证明这非常容易。1909年，特奥多尔·沃尔夫(Theodor Wulf)试图测量埃菲尔铁塔顶部的电离。测量的结果是，这里的电离度比地面还低。然而，令他惊讶的是，这里的电离度比他预期的还要高。这种随着高度的增加电离度非常缓慢减少的情况，不能用来自地面的辐射进一步解释。

下一场关键的实验发生在1912年，维克多·赫斯(Victor Hess)在气球上放了两个验电器，并让其到达超过地面5公里的高度。随着高度的缓慢上升，电离度最初确实下降了。但令维克多惊讶的是，当气球的高度升至一定程度后，电离度竟然开始上升了，这证明有辐射来自天空。