Tốc độ ánh sáng

Giá trị số, ký hiệu, và đơn vị

Tốc độ ánh sáng trong chân không ký hiệu là c. Ký hiệu c bắt nguồn từ chữ "constant" (hằng số) trong hệ thống đơn vị đo vật lý, và c cũng bắt nguồn từ chữ Latin "celeritas", có nghĩa là "nhanh nhẹn" hay "tốc độ". (Chữ C hoa trong đơn vị SI ký hiệu cho đơn vị coulomb của điện tích.) Ban đầu, ký hiệu V được dùng cho tốc độ ánh sáng, do James Clerk Maxwell sử dụng năm 1865. Năm 1856, Wilhelm Eduard Weber và Rudolf Kohlrausch đã sử dụng c cho một hằng số khác mà sau này được chỉ ra nó bằng √2 lần tốc độ ánh sáng trong chân không. Năm 1894, Paul Drude định nghĩa lại c theo cách sử dụng hiện đại. Einstein ban đầu cũng sử dụng V trong bài báo về thuyết tương đối hẹp năm 1905, nhưng vào năm 1907 ông chuyển sang sử dụng c, và bắt đầu từ đó nó trở thành một ký hiệu tiêu chuẩn cho tốc độ ánh sáng.
Đôi khi c được sử dụng cho tốc độ sóng trong môi trường vật liệu bất kỳ, và c₀ là ký hiệu cho tốc độ ánh sáng trong chân không. Ký hiệu với chỉ số dưới, như được sử dụng trong các văn bản chính của hệ SI, có cùng dạng như đối với các hằng số liên hệ với nó: bao gồm μ₀ cho hằng số từ môi hoặc hằng số từ, ε₀ cho hằng số điện môi hoặc hằng số điện, và Z₀ cho trở kháng chân không. Bài viết này sử dụng c cho cả tốc độ ánh sáng trong chân không.
Trong hệ SI, mét được định nghĩa là khoảng cách ánh sáng lan truyền trong chân không với thời gian bằng 1/299792458 của một giây. Định nghĩa này cố định giá trị của tốc độ ánh sáng trong chân không chính xác bằng 299792458 m/s.
Là một hằng số vật lý có thứ nguyên, giá trị số của c có thể khác nhau trong một vài hệ đơn vị.
Trong những ngành của vật lý mà c xuất hiện, như trong thuyết tương đối, các nhà vật lý thường sử dụng hệ đo đơn vị tự nhiên hoặc hệ đơn vị hình học mà c = 1. Và khi sử dụng những hệ đo này, c không còn xuất hiện trong các phương trình vật lý nữa do giá trị của nó bằng 1 không ảnh hưởng đến kết quả các đại lượng khác.

Giới hạn trên của tốc độ

Theo thuyết tương đối hẹp, năng lượng của một vật với có khối lượng nghỉ m và vận tốc v tính theo công thức E = γmc², với γ là hệ số Lorentz xác định ở trên. Khi v bằng 0, γ bằng 1, và xuất hiện công thức nổi tiếng E = mc² cho sự tương đương khối lượng - năng lượng. Thừa số γ tiếp cận giá trị vô hạn khi v gần bằng c, và do đó cần một năng lượng vô hạn để gia tốc một vật có khối lượng đến vận tốc của ánh sáng. Tốc độ ánh sáng là giới hạn trên cho tốc độ của mọi vật có khối lượng nghỉ dương. Điều này đã được xác nhận bằng thực nghiệm trong nhiều thí nghiệm về năng lượng và động lượng tương đối tính.
Tổng quát hơn, thông tin hay năng lượng không thể truyền nhanh hơn ánh sáng. Một ví dụ cho hệ quả phản trực giác này trong thuyết tương đối hẹp đó là tính tương đối của sự đồng thời. Nếu khoảng không gian giữa hai sự kiện A và B lớn hơn khoảng bằng thời gian giữa chúng nhân với tốc độ ánh sáng c thì có những hệ quy chiếu trong đó A xảy ra trước B, trong hệ khác thì B xảy ra trước A, và có những hệ thì chúng xảy ra đồng thời. Hệ quả là, nếu có thứ chuyển động nhanh hơn c trong một hệ quy chiếu quán tính, nó có thể chuyển động quay ngược thời gian đối với một hệ quy chiếu quán tính khác, và tính nhân quả sẽ bị vi phạm. Trong hệ quy chiếu này, một "hiệu ứng" có thể được quan sát trước cả "nguyên nhân" của nó. Sự vi phạm nguyên lý nhân quả chưa bao giờ được quan sát, và có thể dẫn đến những nghịch lý như phản điện thoại tachyon (tachyonic antitelephone).

Sự lan truyền của ánh sáng

Vật lý cổ điển miêu tả ánh sáng là một loại bức xạ điện từ. Những tính chất cổ điển của trường điện từ được miêu tả bởi phương trình Maxwell, tiên đoán tốc độ truyền sóng điện từ c (như ánh sáng) trong chân không có liên hệ với hằng số điện môi ε₀ và hằng số từ môi μ₀ bằng phương trình c = 1/√ε₀μ₀. Trong cơ học lượng tử, trường điện từ được miêu tả bằng lý thuyết điện động lực học lượng tử (QED). Theo lý thuyết này, ánh sáng được miêu tả là trạng thái kích thích cơ bản (hay lượng tử) của trường điện từ, gọi là photon. Photon là những hạt phi khối lượng và do vậy theo thuyết tương đối hẹp, chúng chuyển động với vận tốc ánh sáng trong chân không.
Một số lý thuyết mở rộng QED trong đó photon có khối lượng cũng đã được xem xét. Trong lý thuyết này, vận tốc của nó phụ thuộc vào tần số của nó, và bất biến tốc độ c của thuyết tương đối hẹp có thể là giới hạn trên của tốc độ ánh sáng trong chân không. Chưa một hiệu ứng biến đổi của tốc độ ánh sáng phụ thuộc tần số được xác nhận trong những thí nghiệm phức tạp, đặt ra giới hạn chặt chẽ cho khối lượng của photon. Giới hạn này phụ thuộc vào từng mô hình lý thuyết: nếu một photon có khối lượng như miêu tả trong thuyết của Proca, giới hạn trên về thực nghiệm cho khối lượng của photon là 10⁻⁵⁷ gram; còn nếu khối lượng của photon có được từ cơ chế Higgs, giới hạn khối lượng của nó nhỏ hơn, m ≤ 10⁻¹⁴ eV/c²  (gần bằng 2 × 10⁻⁴⁷ g).
Một lý do khác cho tốc độ ánh sáng thay đổi theo tần số có thể là sự mất hiệu lực của thuyết tương đối hẹp khi áp dụng cho những hệ vật lý vi mô, như được tiên đoán bởi một số lý thuyết về hấp dẫn lượng tử. Năm 2009, khi quan sát phổ từ chớp tia gamma GRB 090510, các nhà thiên văn đã không tìm thấy một sự khác biệt nào giữa tốc độ của các photon có năng lượng khác nhau, và xác nhận bất biến Lorentz đúng ít nhất đến cấp độ dài Planck (lP = √ħ'G/c³ ≈ 1.6163×10⁻³⁵ m) chia cho 1,2.

Ảnh hưởng của tốc độ hữu hạn trong thực hành

Tốc độ ánh sáng có liên quan đến khả năng truyền tin: Thời gian trễ trọn vòng và hành trình trên một tuyến (one-way) lớn hơn 0. Độ trễ này áp dụng cho những khoảng cách nhỏ đến thang khoảng cách thiên văn. Mặt khác, một số kĩ thuật phụ thuộc vào tốc độ hữu hạn của ánh sáng, ví dụ trong đo lường khoảng cách.

Khoảng cách nhỏ

Trong những siêu máy tính, tốc độ ánh sáng đặt ra giới hạn dữ liệu có thể gửi nhanh bao nhiêu giữa các bộ vi xử lý. Nếu một vi xử lý hoạt động tại mức 1 gigahertz, thì tín hiệu điện chỉ có thể truyền với khoảng cách cực đại 30 xentimét (1 ft) trong một chu kỳ. Do đó các vi xử lý phải được đặt ở gần nhau nhằm cực tiểu hóa độ trễ truyền tín hiệu; nhưng khi đặt gần quá lại làm cho vấn đề tản nhiệt ở các bộ vi xử lý trở lên khó khăn. Nếu tần số các đồng hồ tiếp tục tăng, tốc độ ánh sáng sẽ trở thành yếu tố giới hạn trong vấn đề thiết kế kiến trúc mạch từng con chip.

Khoảng cách lớn trên Trái Đất

Chu vi Trái Đất vào khoảng 40.075 km và c vào khoảng 300.000 km/s, do vậy khoảng thời gian ngắn nhất cho một mẩu tin truyền qua một nửa địa cầu vào khoảng 67 milli giây. Khi ánh sáng truyền qua sợi quang học, thì thời gian thực sẽ lớn hơn một phần vì ánh sáng truyền chậm hơn khoảng 35% tốc độ ánh sáng trong sợi quang, và phụ thuộc vào chiết suất vật liệu n. Hơn nữa, ít khi có những tuyến cáp viễn thông thẳng tắp, và do đó độ trễ còn xuất hiện khi tín hiệu truyền qua các bộ chuyển cổng điện tử hay các bộ bù suy giảm tín hiệu.

Chuyến bay không gian và thiên văn học

Quá trình truyền thông tin liên lạc giữa Trái Đất và các tàu không gian không phải là tức thời. Có một độ trễ từ nguồn phát đến bộ thu. Độ trễ này ảnh hưởng quan trọng đến liên lạc giữa Trung tâm điều khiển phi vụ và Apollo 8 khi nó là con tàu đầu tiên bay quanh Mặt Trăng: đối với mỗi câu hỏi, người chỉ huy ở mặt đất phải đợi ít nhất 3 giây để nhận lại được câu trả lời từ phi hành gia. Độ trễ thông tin giữa Trái Đất và Sao Hỏa có thể thay đổi từ 5 đến 20 phút phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa hai hành tinh. Hệ quả là nếu có một robot hoạt động trên bề mặt Sao Hỏa gặp phải một chướng ngại vật, người chỉ huy sẽ không biết điều này ít nhất 5 phút sau, hoặc thậm chí 20 phút sau hoặc lâu hơn; và sẽ cần thêm ít nhất 5 tới 20 phút để truyền lại mệnh lệnh từ Trái Đất đến Sao Hỏa. Do đó các kĩ sư đã lập trình cho robot tự hành và tự phát hiện ra chướng ngại vật trên đường đi...
Cơ quan NASA phải đợi ít nhất vài giờ để nhận được thông tin từ các tàu thăm dò Sao Mộc và Sao Thổ, và nếu họ cần hiệu chỉnh quỹ đạo con tàu, tín hiệu nó nhận được cũng phải mất một khoảng thời gian tương ứng, và vấn đề này tạo ra rủi ro cho điều khiển các con tàu trong không gian sâu thẳm.
Ánh sáng và sóng điện từ nhận được từ các nguồn thiên thể ở xa phải mất một khoảng thời gian lớn mới đến được Trái Đất. Ví dụ, ánh sáng mất 12 tỷ (12×10⁹) năm để từ những thiên hà xa nhất đến Trái Đất trong bức ảnh chụp Vùng Sâu Hubble. Những bức ảnh này, chụp bởi kính thiên văn không gian Hubble ghi lại hình ảnh các thiên hà từ 12 tỷ năm trước, khi Vũ trụ mới hơn 1 tỷ năm tuổi. Nhờ vào sự thực các vật thể càng ở xa thì hiện lên càng trẻ, do sự hữu hạn của tốc độ ánh sáng, cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu tiến hóa sao, thiên hà, và chính vũ trụ.
Khoảng cách thiên văn học thường được biểu diễn bằng năm ánh sáng, như trong các ấn bản đại chúng hay phương tiện truyền thông. Một năm ánh sáng là quãng đường ánh sáng đi được trong một năm, bằng khoảng 9461 tỷ kilômét, hay 0,3066 parsec. Khi làm tròn, một năm ánh sáng bằng 10 nghìn tỷ kilômét. Proxima Centauri, sao lùn đỏ nằm gần Trái Đất nhất sau Mặt Trời, cách xa khoảng 4,2 năm ánh sáng.

Đo khoảng cách

Sử dụng hệ thống radar người ta có thể đo khoảng cách đến vật mục tiêu bằng tính thời gian xung vô tuyến trở lại ăng ten radar sau khi phản xạ từ vật cần đo: khoảng cách đến mục tiêu bằng một nửa thời gian đo được nhân với tốc độ ánh sáng. Máy thu của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đo khoảng cách từ nó đến các vệ tinh GPS dựa trên thời gian tín hiệu vô tuyến từ nó đến được từng vệ tinh, và từ những khoảng cách này bộ thu sẽ tự động tính ra tọa độ địa lý nó đang đặt tại đây. Bởi vì tốc độ ánh sáng bằng khoảng 300.000 kilômét một giây, đo lường về thời gian và độ trễ giữa vệ tinh và máy thu cần phải rất chính xác. Thí nghiệm định tầm laser Mặt Trăng, thiên văn vô tuyến và Mạng lưới không gian sâu thẳm (Deep Space Network) có thể dùng để xác định khoảng cách tương ứng đến Mặt Trăng, hành tinh và các tàu không gian, bằng cách đo thời gian truyền tín hiệu trọn vòng.

Đo tốc độ ánh sáng

Có một số cách xác định giá trị của c. Một là đo tốc độ thực của ánh sáng lan truyền, dựa trên nhiều thiên thể thiên văn học cũng như trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, cũng có thể xác định gián tiếp giá trị của c từ những định luật vật lý mà hằng số này xuất hiện, ví dụ, bằng cách đo hằng số điện môi ε₀ và hằng số từ môi μ₀ và sử dụng liên hệ giữa chúng nhằm xác định c. Về mặt lịch sử, những kết quả chính xác nhất nhận được từ phép đo riêng rẽ tần số và bước sóng của chùm sáng đơn sắc, và tích của chúng cho giá trị c.
Năm 1983 đơn vị mét được định nghĩa lại là "độ dài ánh sáng truyền qua chân không trong khoảng thời gian 1⁄299.792.458 của một giây", và định nghĩa tốc độ ánh sáng được giữ giá trị cố định chính xác 299792458 m/s, như miêu tả ở dưới. Hệ quả là những phép đo chính xác về tốc độ ánh sáng thực chất mang lại kết quả đo chính hơn cho mét hơn là giá trị c.

Kỹ thuật thời gian bay

Một phương pháp đo tốc độ ánh sáng khác là đo thời gian cần thiết cho ánh sáng đi tới gương ở một khoảng cách đã biết và phản xạ trở lại. Nguyên lý đo này được Hippolyte Fizeau và Léon Foucault phát triển với thiết bị gọi là dụng cụ Fizeau–Foucault.
Fizeau bố trí thí nghiệm bằng cách cho chùm sáng chiếu đến một gương phản xạ cách xa 8 kilômét (5 mi). Trên quãng đường từ nguồn đến gương, chùm sáng vượt qua một bánh xe có răng. Với một tốc độ quay xác định, chùm sáng vượt qua khe răng cưa trên đường tới gương và phản xạ lại vượt qua một khe răng cưa khác, nhưng nếu bánh xe hơi quay nhanh hơn hoặc chậm hơn tốc độ quay này thì chùm sáng sẽ bị cản bởi răng và không vượt qua được bánh xe. Khoảng cách đến bánh xe và gương là cho xác định trước; số răng trên bánh xe, tốc độ quay bánh xe và tốc độ ánh sáng có thể tính ra được.
Phương pháp của Foucault đó là thay thế bánh xe răng cưa bằng một gương quay. Bởi vì gương quay liên tục khi có ánh sáng truyền từ nguồn đến gương phản xạ ở xa và quay ngược trở lại, ánh sáng bị phản xạ tại gương quay với góc của tia tới khác góc của tia phản xạ. Từ hiệu độ lớn góc này, vận tốc quay đã biết và khoảng cách đến gương phản xạ ở xa ông tính ra được tốc độ ánh sáng.

Ngày nay bằng sử dụng dao động ký với độ phân giải nhỏ hơn một nanô giây, tốc độ ánh sáng có thể đo được trực bằng đo độ trễ thời gian của chùm sáng hay laser từ một laser hoặc đèn LED phản xạ từ gương. Phương pháp này ít chính xác hơn (với sai số cỡ 1%) các phương pháp hiện đại khác, nhưng thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm cho sinh viên đại học.

Hằng số điện từ

Một cách gián tiếp để tính giá trị của c mà không liên quan đến phép đo lan truyền của sóng điện từ đó là sử dụng phương trình liên hệ c với hằng số điện môi ε₀ và hằng số từ môi μ₀ trong lý thuyết Maxwell: c² = 1/(ε₀μ₀). Hằng số điện môi đo theo điện dung của một tụ điện với kích thước hình học đã biết, trong khi hằng số từ môi có giá trị cố định chính xác bằng 4π×10⁻⁷ H×m-1 thông qua định nghĩa của đơn vị cường độ dòng điện Ampe. Rosa và Dorsey sử dụng phương pháp này vào năm 1907 và thu được giá trị 299710+22− km/s.

Sự cộng hưởng trong hốc

Một cách khác để tính tốc độ ánh sáng đó là đo độc lập riêng rẽ tần số f và bước sóng λ của một sóng điện từ trong chân không. Từ đó giá trị của c dễ dàng tìm được theo công thức c = fλ. Một lựa chọn đó là đo tần số cộng hưởng sử dụng một bộ cộng hưởng hốc (cavity resonator). Một khi biết được kích thước của hốc cộng hưởng, chúng ta có thể sử dụng nó để đo bước sóng. Năm 1946, Louis Essen và A.C. Gordon-Smith đo được tần số cho nhiều mode chính tắc (normal mode) của sóng vi ba trong một hốc vi ba đã biết chính xác kích thước. Kích thước của nó được đo chính xác cỡ ±0,8 μm sử dụng chuẩn độ của giao thoa kế. Khi bước sóng của những mode đã biết từ kích thước hình học của hốc và từ lý thuyết điện từ, kết hợp với giá trị đo tần số hai ông đã tính ra được tốc độ ánh sáng.
Kết quả của Essen–Gordon-Smith là 299792+9− km/s, chính xác hơn kỹ thuật của họ khi sử dụng kĩ thuật quang học. Cho đến 1950, những thí nghiệm lặp lại bởi Essen cho giá trị 299792.5+3.0− km/s.
Kỹ thuật này có thể được thực hiện trong gia đình bằng sử dụng một lò vi sóng với đồ ăn như kẹo dẻo hoặc bơ thực vật: nếu đĩa xoay được nhấc ra khiến cho đồ ăn không thể di chuyển được, nó sẽ bị nung nóng nhanh nhất tại bụng sóng (điểm tại đó sóng có biên độ lớn nhất), và đồ ăn bắt đầu bị tan chảy. Khoảng cách giữa hai điểm như vậy bằng một nửa bước sóng của sóng vi ba; bằng cách đo khoảng cách này và nhân bước sóng với tần số sử dụng trong lò (thường được ghi tại nhãn mặt sau của lò, giá trị điển hình là 2450 MHz), thì giá trị của c sẽ tính được "thường với sai số nhỏ hơn 5%".

Giao thoa kế

Giao thoa kế là một dụng cụ cho phép đo được bước sóng của bức xạ điện từ và xác định được tốc độ ánh sáng. Một chùm sáng kết hợp (như laser), mà đã biết tần số (f), bị tách thành hai tia sau đó được kết hợp với nhau. Bằng điều chỉnh quãng đường truyền tia sáng trong khi quan sát ảnh giao thoa và cẩn thận đo quãng đường điều chỉnh, chúng ta có thể xác định được bước sóng (λ). Tốc độ ánh sáng khi đó bằng c = λf.
Trước khi có công nghệ laser, những nguồn vô tuyến kết hợp đã được sử dụng trong các phép đo giao thoa về tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên phương pháp xác định bước sóng bằng giao thoa kế đối với sóng vô tuyến trở lên ít chính xác và bị giới hạn với bước sóng dài (~0,4 cm). Độ chính xác có thể tăng lên bằng sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn, nhưng lúc đó lại khó khăn khi đo trực tiếp tần số ánh sáng. Một cách để vượt qua khó khăn này là bắt đầu bằng sử dụng tín hiệu có tần số thấp mà tần số này đã xác định được, sau đó sử dụng các tín hiệu với tần số tăng dần mà những tần số này có liên hệ hoặc bằng bội số lần tần số đầu tiên. Tia laser có thể dùng với tần số cố định và bước sóng của nó có thể đo được. Kĩ thuật này đã được một nhóm ở Viện tiêu chuẩn quốc gia (NBS) (Hoa Kỳ) (sau đổi tên thành Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia "National Institute of Standards and Technology" - NIST) thực hiện năm 1972 nhằm đo tốc độ ánh sáng trong chân không với sai số bằng 3.5×10⁻⁹.

Lịch sử sơ khai

Nhà triết học Empedocles là người đầu tiên bàn đến vấn đề tốc độ ánh sáng là hữu hạn. Ông cho rằng ánh sáng là một thứ gì đó có chuyển động do vậy nó cần thời gian để đi một quãng đường. Aristotle lập luận ngược lại, rằng "ánh sáng là một thứ gì đó nhưng nó không di chuyển". Euclid và Ptolemy nêu ra lý thuyết về sự nhìn của mắt người, trong đó ánh sáng phát ra từ mắt và cho phép con người cảm nhận được hình ảnh. Dựa trên lý thuyết này, Heron ở Alexandria lập luận rằng tốc độ ánh sáng phải là vô hạn bởi vì những vật ở xa như các ngôi sao hiện lên dường như ngay tức thì khi mắt mở ra.
Các nhà triết học Hồi giáo cổ đại ban đầu ủng hộ quan điểm của Aristote về ánh sáng không có tốc độ chuyển động. Năm 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) viết một cuốn sách về quang học, và ông đưa một loạt các lập luận về sự nhìn cũng như kết luận rằng ánh sáng phải phát ra từ vật truyền đến mắt người. Do đó Alhazen cho rằng ánh sáng phải di chuyển với vận tốc hữu hạn, và tốc độ ánh sáng cũng biến đổi, giảm đi trong những vật liệu đặc hơn. Ông cũng nghĩ rằng ánh sáng là một loại chất, lan truyền trên quãng đường đòi hỏi thời gian, ngay cả khi chúng ta không cảm nhận được. Cũng ở thế kỷ XI, Abū Rayhān al-Bīrūnī đồng ý với thuyết tốc độ ánh sáng là hữu hạn, và ông nhận ra ánh sáng phải có vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh.
Trong thế kỷ XIII, Roger Bacon cho rằng ánh sáng trong không khí không có tốc độ vô hạn, khi ông sử dụng những lập luận triết học của Alhazen và Aristotle. Trong thập niên 1270, Witelo xem xét khả năng ánh sáng truyền với tốc độ lớn vô hạn trong chân không, nhưng có tốc độ chậm dần trong những môi trường khác.
Đầu thế kỷ XVII, nhà thiên văn học Johannes Kepler tin rằng tốc độ ánh sáng là vô hạn do ông nghĩ trong chân không không có thứ gì cản trở nó. René Descartes lập luận nếu tốc độ ánh sáng là hữu hạn, thì Mặt Trời, Trái Đất, và Mặt Trăng có thể nhận ra không còn sắp hàng trong quá trình nhật thực. Do những sự lệch hàng này không quan sát được, Descartes kết luận tốc độ ánh sáng là vô hạn. Descartes từng nói nếu tốc độ ánh sáng được xác nhận là hữu hạn, toàn bộ tư tưởng triết học của ông sẽ sụp đổ.

Những nỗ lực đo đầu tiên

Năm 1629, Isaac Beeckman nêu ra một thí nghiệm trong đó một người quan sát tia sáng phát ra từ nòng pháo phản xạ lại từ một cái gương cách xa một dặm (1,6 km) nhưng không nhận ra sự chậm trễ nào. Năm 1638, Galileo Galilei đề xuất một thí nghiệm mà có lẽ đã được yêu cầu thực hiện từ những năm trước đó, để đo tốc độ của ánh sáng bằng quan sát độ trễ khi mở và đóng khe chắn sáng từ một khoảng cách xa. Ông đã không phân biệt được ánh sáng truyền đi tức thì hay không, nhưng kết luận rằng, tốc độ ánh sáng nếu hữu hạn thì nó phải cực nhanh. Thí nghiệm của Galileo thực hiện ở Accademia del Cimento tại Florence, Italia năm 1667 với đèn dầu nằm cách xa một dặm và ông không nhận ra độ trễ nào. Độ trễ thực của thí nghiệm vào khoảng 11 micro giây và không thể nhận ra bằng mắt thường.
Ước lượng giá trị tốc độ ánh sáng lần đầu tiên do Rømer tính ra vào năm 1676. Bằng quan sát chu kỳ của vệ tinh vòng trong Io của Sao Mộc ông thấy chu kỳ của nó nhỏ hơn khi Trái Đất ở gần Sao Mộc so với khi Trái Đất lùi ra Sao Mộc, và ông kết luận rằng ánh sáng có tốc độ hữu hạn, và tính ra ánh sáng phải mất 22 phút để vượt qua đường kính quỹ đạo của Trái Đất. Nhà thiên văn Christiaan Huygens kết hợp phương pháp này và phương pháp tính quỹ đạo Trái Đất để tìm ra tốc độ ánh sáng bằng 220000 km/s, thấp hơn 26% so với giá trị thực.
Trong cuốn sách in năm 1704, Opticks, nhà bác học Isaac Newton có viết về các tính toán của Rømer cho tốc độ hữu hạn của ánh sáng và tự ông tìm ra được thời gian cho ánh sáng đi từ Mặt Trời đến Trái Đất mất khoảng "7 hoặc 8 phút" (giá trị hiện đại là 8 phút 19 giây). Newton cũng đặt thêm nghi vấn là liệu quan sát hiện tượng che khuất của Rømer có liên quan đến màu sắc; và khi biết rằng tính toán của ông ta không liên quan đến màu sắc, Newton kết luận là tốc độ ánh sáng với màu khác nhau có cùng một giá trị. Năm 1729, James Bradley khám phá ra hiện tượng quang sai. Từ hiệu ứng này ông xác định được ánh sáng phải đi nhanh hơn 10.210 lần so với vận tốc của Trái Đất trên quỹ đạo (giá trị hiện đại bằng 10.066) hay tương đương, ánh sáng mất 8 phút 12 giây để truyền từ Mặt Trời đến Trái Đất.

"Ête siêu sáng"

Trong thế kỷ XIX các nhà khoa học đã từng nghĩ rằng chân không bị choán đầy bởi một môi trường nền gọi là ête siêu sáng mà ánh sáng truyền qua. Một số nhà vật lý nghĩ rằng ête này có vai trò như một hệ quy chiếu ưu tiên cho ánh sáng truyền qua và vì vậy có thể đo được chuyển động của Trái Đất so với môi trường nền này, bằng cách đo tính đẳng hướng của tốc độ ánh sáng. Khởi đầu những năm 1880 một vài người đã cố gắng thiết kế các thí nghiệm nhằm xác định được chuyển động của Trái Đất so với ête, và thí nghiệm nổi tiếng nhất đó là thí nghiệm thực hiện bởi Albert Michelson và Edward Morley vào năm 1887. Chuyển động được xác định luôn luôn nhỏ hơn sai số thực nghiệm. Một số thí nghiệm hiện đại hàm ý giới hạn trên của chuyển động này - trong phương pháp hai đường truyền ánh sáng (two-way) về tính đẳng hướng của tốc độ ánh sáng (tốc độ có giá trị như nhau trong mọi hướng) - phải nhỏ hơn 6 nanô mét trên giây.Hendrik Lorentz dựa trên kết quả thí nghiệm của Michelson đề xuất ra cách giải thích đó là chuyển động của dụng cụ thí nghiệm trong môi trường ête làm cho dụng cụ bị co độ dài dọc theo hướng chuyển động, và ông còn giả sử xa hơn, đó là tốc độ thời gian trôi ("thời gian cục bộ") biến đổi đối với những hệ chuyển động tuân theo công thức mà ông tìm ra, gọi là phép biến đổi Lorentz. Dựa trên lý thuyết ête của Lorentz, Henri Poincaré (1900) chứng minh rằng thời gian cục bộ (đối với số hạng bậc nhất v/c) ám chỉ đo bởi đồng hồ chuyển động trong ête, và chúng được đồng bộ bởi tính hằng số của tốc độ ánh sáng. Năm 1904, ông đoán rằng tốc độ ánh sáng có thể giới hạn vận tốc của những hệ động lực, và mang lại những giả thuyết trong lý thuyết Lorentz được xác nhận. Năm 1905, Poincaré đưa lý thuyết ête của Lorentz thành lý thuyết phù hợp hoàn toàn với nguyên lý tương đối.

Thuyết tương đối hẹp

Năm 1905 Einstein giả thuyết ngay từ đầu rằng tốc độ ánh sáng trong chân không, đo bởi quan sát viên chuyền động không gia tốc, là độc lập với chuyển động của nguồn sáng hay quan sát viên. Sử dụng tiên đề này và nguyên lý tương đối như một cơ sở ông đã thiết lập lên thuyết tương đối hẹp, trong đó tốc độ ánh sáng trong chân không c được coi là một hằng số cơ bản, và cũng xuất hiện trong những phương trình không có sự tham gia của ánh sáng. Lý thuyết này làm cho khái niệm về môi trường ête tĩnh tại (trong lý thuyết Lorentz và phát triển bởi Poincaré) không còn giá trị và làm cách mạng hóa sự hiểu biết của các nhà khoa học về không gian và thời gian.

Tăng độ chính xác của c và định nghĩa lại mét

Trong nửa cuối thế kỷ XX sự tiến triển của vật lý học và công nghệ đã giúp cho giá trị tốc độ ánh sáng ngày càng trở lên chính xác hơn, đầu tiên là kỹ thuật đo bằng hốc cộng hưởng và sau đó bằng kỹ thuật giao thoa kế laser. Năm 1972, dựa trên phương pháp sau và việc định nghĩa lại đơn vị đo độ dài mét từ năm 1960 theo vạch phổ của nguyên tử krypton-86, một nhóm các nhà vật lý ở Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia NIST ở Boulder, Colorado xác định được tốc độ ánh sáng trong chân không c = 299792456.2+1.1− m/s. Giá trị này có sai số nhỏ hơn 100 lần sai số của những giá trị trước đó. Sai số trong phép đo của họ chủ yếu xuất hiện trong độ bất định của định nghĩa đơn vị đo độ dài mét. Từ những thí nghiệm tương tự tìm được giá trị chính xác cao cho c, hội nghị Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) lần thứ 15 năm 1975 đề nghị sử dụng giá trị 299792458 m/s cho tốc độ ánh sáng.
Năm 1983 hội nghị CGPM lần thứ 17 định nghĩa lại đơn vị đo mét, "Mét là độ dài của quãng đường ánh sáng truyền trong chân không với thời gian bằng 1/299 792 458 của một giây." Theo định nghĩa này, giá trị của tốc độ ánh sáng trong chân không chính xác bằng 299792458 m/s và trở thành hằng số được định nghĩa trong hệ đơn vị SI. Những thí nghiệm nâng cao độ chính xác không ảnh hưởng đến giá trị của tốc độ ánh sáng trong hệ SI, thay vì thế nó cho phép đo chính xác hơn đơn vị mét.