Antik Yunan’da ışığın doğası üzerine tartışmalar, özellikle Empedokles ve Aristoteles’in karşıt görüşleri etrafında şekillendi. Empedokles (MÖ 5. yüzyıl), ışığın hareket eden bir şey olduğunu ve bu nedenle bir yerden başka bir yere ulaşmasının zaman aldığını öne sürdü. Bu, ışığın sonlu bir hızla yayıldığına dair bilinen en eski kayıtlı düşüncelerden biridir. Ancak Aristoteles (MÖ 4. yüzyıl), ışığın bir “var oluş hali” olduğunu, hareket etmediğini ve dolayısıyla sonsuz hızda olduğunu savundu. Aristoteles’in otoritesi nedeniyle bu görüş, sonraki yüzyıllarda bilimsel düşünceye egemen oldu ve ışığın doğası üzerine tartışmalar uzun süre bu çerçevede kaldı.

Orta Çağ’da ise bazı düşünürler bu görüşe karşı çıkmaya çalıştı. 11. yüzyılda İbn Heysem (Alhazen), optik üzerine yaptığı kapsamlı çalışmalarda ışığın çok hızlı olsa da sonlu bir hıza sahip olması gerektiğini dile getirdi. 13. yüzyılda Roger Bacon da benzer şekilde ışığın hızının sınırsız olamayacağını, fakat ölçülemeyecek kadar yüksek olduğunu ileri sürdü. Bu yorumlar, dönemin deneysel olanaklarının sınırlılığı nedeniyle yalnızca varsayım düzeyinde kaldı. Yine de bu düşünceler, ışığın hızının ölçülebilir bir büyüklük olduğu düşüncesinin erken ipuçlarını verdi ve 17. yüzyılda Ole Rømer’in astronomik gözlemleriyle deneysel olarak kanıtlanacak sürecin öncülleri oldu.

Jüpiter ve Io

Işık hızının sonlu olduğuna dair ilk büyük keşif, beklenmedik bir yerden, gökbilimcilerden geldi. 17. yüzyılda, denizcilikte boylam sorununu çözmek büyük önem taşıyordu. Galileo Galilei, Jüpiter’in uydularının tutulma zamanlarının bir saat gibi kullanılabileceğini önermişti. Bu düşünceyi hayata geçirmek için Paris Gözlemevi'nin direktörü İtalyan gökbilimci Giovanni Domenico Cassini, Jüpiter yörüngesindeki uyduların hareketlerini incelemeye başladı. 1671’de, yardımcısı olarak genç Danimarkalı gökbilimci Ole Christensen Rømer de çalışmaya katıldı.

Rømer, Jüpiter'in en içteki uydusu Io’nun tutulmalarını dikkatle gözlemliyordu. Io, Jüpiter çevresini 42.5 saatte dolanıyor ve her turda bir süreliğine dev gezegenin gölgesinde kalıyordu. Rømer, Dünya’nın Güneş yörüngesindeki konumuna bağlı olarak, Io tutulmaları arasındaki sürelerin düzenli bir şekilde değiştiğini fark etti. Dünya Jüpiter'den uzaklaşırken tutulmalar beklenenden daha geç, yaklaşırken ise daha erken gerçekleşiyordu.

Bu durumu, ışığın sonlu bir hızla yol almasıyla açıklayan Rømer, 1676 yılında Paris Bilimler Akademisi'ne, Dünya'nın Jüpiter'den uzaklaştığı bir dönemde, 16 Kasım'da gerçekleşecek bir Io tutulmasının, hesaplanan süreden yaklaşık 10 dakika daha geç gözlemleneceğini bildirdi. Yapılan gözlemler Rømer'i haklı çıkardı. Rømer bu gecikmenin, o anda Jüpiter ve Dünya arasında tahmin edilen uzaklıkla bağlantısını kurarak ışığın saniyede yaklaşık 225.000 kilometre hızla hareket ettiğini hesapladı ki bu, günümüzde kabul edilen değerden yaklaşık %24 daha düşüktür. Rømer'in bu keşfi, ışığın sonsuz hızda olmadığını gösteren ilk deneysel kanıttı. Her ne kadar Cassini başlangıçta bu görüşe şüpheyle yaklaşsa da, Rømer'in bulgusu Christiaan Huygens ve Isaac Newton gibi dönemin önde gelen bilim insanları tarafından kabul gördü.

Fizeau’nun ışık çarkı

Rømer'in astronomik yönteminden sonraki büyük adım, ışık hızının Dünya üzerinde yapılan deneylerle ölçülmesiydi. 1849'da Fransız fizikçi Armand Fizeau, bu alanda çığır açan bir düzenek kurdu. Fizeau, bir tepeye yerleştirdiği güçlü bir ışık kaynağı ve hızla dönen dişli bir çark kullanıyordu. Işık, çarkın dişleri arasından geçerek 8 kilometre ötedeki başka bir tepeye yerleştirilmiş bir aynaya gidiyor ve aynadan yansıyıp geri dönüyordu. Dönen çarkın hızı, geri dönen ışığın bir dişe takılıp takılmamasına göre ayarlanıyordu. Bu yöntemle Fizeau, ışık hızını yaklaşık 313.000 km/s olarak hesapladı .

Yalnızca birkaç yıl sonra, 1862'de Fizeau'nun meslektaşı Jean Foucault, ölçüm yöntemini önemli ölçüde geliştirdi. Foucault, dişli çarkın yerine çok hızlı dönen bir ayna kullandı. Bu düzenekle ışığın gidip gelme süresini çok daha hassas ölçmeyi başaran Foucault, ışık hızını saniyede 298.000 kilometre olarak buldu. Bu değer, ışığın gerçek hızından yalnızca %0.6 düşüktür.

En hassas ölçümler aynı düzeneğin iyileştirilmesiyle elde edildi. Amerikalı fizikçi Albert Michelson, Foucault'nun yöntemini daha da geliştirerek, 1926'da Kaliforniya'daki Wilson ile Lookout dağları arasında yaptığı ölçümle ışık hızını 299.796 ± 4 km/s olarak buldu ki bu değer, ışığın günümüzde kabul edilen 299.792.458 km/s hızına son derece yakındır.

Michelson, 1887 yılında, kimyager Edward Morley ile birlikte, bilim tarihinin en önemli deneylerinden birine imza attı. O dönemde fizikçiler, boşluğun, "esir" ya da “ether” adı verilen görünmez bir maddeyle dolu olduğunu düşünüyordu. Dünya Güneş etrafında dönerken bu esir içinde hareket ediyor olmalıydı ve bu hareketin, ışığın farklı yönlerdeki hızında ölçülebilir bir fark yaratması bekleniyordu. Michelson ve Morley, kendi buluşları olan hassas bir girişim ölçer (interferometre) kullanarak bu farkı saptamaya çalıştılar .

Ancak deney, beklenenin tersine, ışığın hızının her yönde aynı olduğunu gösterince, bu sonuç, esir kavramını temelden sarstı. Gizem, 1905’te Albert Einstein tarafından çözüldü. Einstein, özel görelilik kuramında, ışık hızının tüm eylemsiz referans sistemlerinde sabit olduğunu ve hiçbir şeyin bu hızdan daha hızlı gidemeyeceğini varsayarak fizikte devrim yarattı. Artık ışık hızı (c), sadece bir ölçüm değil, evrenin temel bir yapı taşı, uzay ve zamanın birleştiği dört boyutlu uzay-zamanın dokusunu tanımlayan evrensel bir sabit haline gelmişti.

Işığın neden sabit bir hızının olması gerektiğini bilmiyoruz, ya da neden bu sabit hızın saniyede 299.792.458 kilometre olduğunu. Ama biliyoruz ki evrendeki en temel kabullerden biri olan “nedensellik” (causality), yani sonucun nedeni izlemesi olgusu, ışığın sabit bir hızı olmasını gerektirir. Hiçbir bilgi veya etki ışık hızından daha hızlı gidemez, aksi halde sonuç nedeninden önce gerçekleşebilir ve bu temel ilke bozulur.