9.光的速度
定 义：在现实中，不论光源和观测者如何运动，光都以同样的速度运动。
发现历史：1887年，迈克尔逊‒莫雷实验确认了光速是不变的。
关键突破：阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论探讨了光速对质量和能量等现象的影响。
重要意义：光速不变的事实是我们理解宇宙的基石。
不论光源和观测者如何运动，真空中的光速都是不变的，这一发现突破了所有的常识。要想适应这一显著的事实，要从基本原则开始，更新我们对宇宙的理解。
第一个尝试科学地测量光速的人是意大利物理学家伽利略·伽利莱。伽利略在1638年进行的实验是受限且不精确的，但这让他确定了光的传播速度比声音要快得多。他的另一个发现，即木星的伽利略卫星，则证实了光速是有限的。
早期测量
在17世纪60年代，木星的伽利略卫星的轨道周期已经广为人知了。望远镜也发展到了一定的程度，可以揭示卫星及其阴影掠过木星表面以及卫星消失在木星后面的掩星（eclipse）现象。那时候，意大利天文学家吉安·卡西尼（Gian Domenico Cassini）在巴黎天文台（the Paris Observatory）研究这些掩星事件，而奥勒·罗默（Ole Rømer）则在丹麦的乌兰尼堡天文台（Uraniborg Observatory）进行了类似的测量。卡西尼很快注意到预测的事件发生时间存在意外的偏差，并意识到这是由于光线到达地球的时间随着木星距离的变化而变化所造成的。罗默后来对这种变化进行了定量的计算，他估算的光速约为现代值的75％。
尽管如此，一些科学家仍然对光速有限持怀疑态度。直到18世纪20年代，当时的英国天文学家詹姆斯·布拉德利用它来解释星光的畸变——从地球轨道一侧到另一侧的恒星观测位置的微小变化。这使他能够得到更准确的光速值，他测得的光速与现代值299 792千米/秒（186 282英里/秒）的差别小于1%。
然而，随着19世纪测量技术的不断改进，科学家们发现了一件奇怪的事情：无论光源或观测者如何运动，光速总是相同的。当光源向我们移动时，光不会更早到达我们；而当我们远离光源时，光也不会更晚到达，这与日常经验截然不同。1865年，作为电磁波模型的一部分，詹姆斯·麦克斯韦指出，所有电磁辐射都以同样的速度在真空中传播。
这个速度是相对于哪个参考系呢？当时大多数科学家认为波只能在介质中传播，就像声波穿过空气或者水波穿过池塘一样。假设充满真空的、神秘的光的介质被称为光以太，人们认为它为宇宙提供了绝对静止的标准。1887年，美国科学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）设计了一个巧妙的实验来测量地球相对以太运动所引起的不同方向的光速变化。当迈克尔逊‒莫雷实验没有发现这种光速变化的证据时，物理学家们开始推测以太理论可能是错误的。
虽然真空中的光速是自然界的终极速度上限，即没有物质粒子可以达到光速，但是光在非真空介质中传播时速度会减慢，所以在介质中某些高速粒子偶尔会比光跑得更快，结果就产生了一种被称为切伦科夫辐射（Cerenkov radiation）的怪异光芒现象。本图拍摄于美国爱达荷国家实验室先进试验反应堆（Advanced Test Reactor）。
相对论宇宙
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了一系列具有里程碑意义的论文，引发了一场物理学革命。从本质上讲，他围绕两个假设重新构建了物理学：相对性原理和光速不变原理。相对性原理指出物理定律在可比较的参考系中（即没有经历着加速的那些参考系）应该具有完全相同的表现，而光速不变原理表明光在真空中总是以相同的速度传播。光速也必须是宇宙的最终速度限制，否则我们将能够在事件发生之前看到并做出反应，这样就会破坏因果律。
由此产生的狭义相对论展示了以相对论性速度（接近光速）运动的物体如何经历奇怪的现象，比如时间膨胀（时间变慢了）和菲茨杰拉德‒洛伦兹（Fitzgerald-Lorentz）收缩（长度发生了改变）。更为奇怪的是，当物体速度接近光速c这一极限时，进一步加速会增加其质量而不是速度。换句话说，质量和能量是可以互换的——这就是著名方程E=mc2的起源。要解释光以不变的速度在真空中传播的能力，同时还需要爱因斯坦的另一个突破——光的量子化理论。
这些预测尽管看起来很奇怪，但它们已经在无数次实验中得到了证实，而今天的空间探测器和卫星网络的构建已经将相对论效应考虑在内了。狭义相对论也为20世纪物理学和宇宙学的许多突破奠定了坚实的基础，其中包括爱因斯坦于1915年发表的广义相对论。
最近的进展表明，爱因斯坦的理论可能没有讲完整个故事。自20世纪80年代以来，一些宇宙学家对光速c可能正在变慢的想法产生了兴趣。早期宇宙中的光速更快，这为几个关于现在宇宙形态的问题提供了解决方案。1998年，来自澳大利亚新南威尔士大学的天文学家团队根据对遥远类星体的研究，宣布了精细结构常数远古变化的初步证据，该常数与光速密切相关。2004年的另一项研究表明，这一常数可能在最近20亿年发生了变化。光速改变的想法近年来仍然存在很大的争议，就像2011年来自意大利格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）的头条新闻所显示的，中微子似乎跑得比光速还要快（译注：已被证明是仪器故障）。
“随着19世纪测量技术的不断改进，科学家们发现了一件奇怪的事情：无论光源或观测者如何运动，光速总是同样的值。”
一系列延时图像捕捉到了日全食的壮丽景象——在这种罕见的情况下，人们可以观察到天空中靠近太阳的恒星，当光线通过被我们恒星的引力所扭曲的空间区域时，它们的视位置会因此发生变化。