1800年代後半になっても、多くの科学者は光が宇宙を伝搬する際にエーテルという伝搬媒質を利用していると信じていました。 1887年、マイケルソンは科学者モーリーと協力して、地球が太陽の周りを回るときの光の速度の相対変化を観察することによりエーテルを検出する実験方法を考案しました。 この目的で設計された干渉計は、光線を2つに分割して、それぞれを異なる光路に方向づけるものでした。各光路は長さ10メートル超で、複雑に配置された鏡が使用されました。 マイケルソンとモーリーは、地球がエーテルを媒質として移動しているなら、エーテルの流れに垂直に反射を繰り返す光線は、エーテルと平行に反射する光線より速く伝搬すると推論しました。 光線が干渉を通って再結合されると、一方の光線の遅延として検出できるというものでした。

マイケルソンとモーリーが作成した実験装置は大掛かりなものでした（図5）。 5フィート四方以上、厚さ14インチのゆっくり回転する石板に取り付けられた装置は、摩擦のない衝撃吸収装置として作用する水銀のプールに浮かべられ、地面からの振動から保護されました。 石板は、動き出すと最高速度は10回転/時に達し、再び停止するまで数時間かかりました。 ビームスプリッターを通ってミラーシステムで反射された光は、顕微鏡で干渉縞が調査されましたが、何も観察されませんでした。 しかし、マイケルソンは干渉計を使用して、光の速度を186,320マイル/秒（299,853 km/秒）と正確に算出しました。値はその後25年にわたり基準となりました。 マイケルソン・モーリーの実験で光の速度の変化を検出する試みが失敗したことから、エーテル論争の終焉が始まり、20世紀初頭のアルベルト・アインシュタインの理論によって最終的に葬り去られました。

アインシュタインによる特殊相対性理論と光の速度

アインシュタインは、1905年に「特殊相対性理論」、1915年に「一般相対性理論」を発表しました。 最初の理論は、互いに一定の速度で動く物体の動きに関するもので、2つ目の理論は加速および重力との関わりに注目したものです。 理論は、アイザック・ニュートンの運動の法則など数多くの長年にわたる仮説に挑むもので、物理学に革命的な影響をもたらしました。 相対性の考えは、物体の速度は観察者の位置に対してのみ測定できるという概念を具体化したものです。 例として、飛行機の中を歩いている人は、飛行機の基準系内では約1マイル/時で移動しています（飛行機自体は600マイル/時で移動しています）。 しかし、その人は601マイル/時で移動しているように地上の観察者には見えます。

アインシュタインは計算において、2つの基準系間を伝搬する光の速度は、どちらの位置にいる観察者にとっても同じであると仮定しました。 一方の基準系にいる観察者は、もう一方の基準系内にある物体の位置と速度を判断するため光を使用し、観察者が物体の位置と速度を関連付ける方法が変わります。 アインシュタインはこの概念を採用して、基準系内の物体が、基準系と比較して均一に動く別の基準系からどのように見えるかを説明する重要な公式を導き出しました。 結果から得た結論の一部は変わったものでした。ただし、その作用が顕著になるのは、物体の相対的速度が光の速度に近付く場合のみです。 つまり、アインシュタインの基本理論と頻繁に参照される相対性理論の方程式の意味合いは、次のとおりです。

これは次のように要約できます。

• 物体の速さが増すと、観察者に対して物体の長さは減少します。

• 基準系が移動している場合、時間間隔は短くなります。 つまり、光と同じか近い速度で移動している宇宙旅行者は、数か月経って地球に戻ってきたとき、地球を数年間離れていたことになります。

• 移動する物体の質量は速度とともに増し、速度が光の速度に近づくと、質量は無限に近づきます。 このことから、無限の質量を加速させるには無限のエネルギーが必要になるため、光より速く移動することは不可能だと広く信じられています。

アインシュタインの理論は物理学の世界全体に影響を与えましたが、とりわけ光の研究を行っている科学者には重要な意味を持ちました。 理論は、マイケルソン・モーリーの実験で期待した結果が得られなかった理由を説明するものであり、エーテルの伝搬媒質としての性質を本格的に研究する機運をそぐことになりました。 真空中で光より速く移動できるものはなく、この速度は一定で不変の値であることも示されました。 一方で、実験科学者らは高度化した装置を用いて、光の速度の正確な値に重点を置き、測定誤差を抑えることに専念し続けました。

光の速度の測定値

表1

年	研究者	方法	推定km/秒
1667	ガリレオ・ガリレイ	覆いをかけたランタン	333.5
1676	オーレ・レーマー	木星の衛星	220,000
1726	ジェームズ・ブラッドリー	恒星の光行差	301,000
1834	チャールズ・ホイートストン	回転鏡	402,336
1838	フランソワ・アラゴ	回転鏡
1849	アルマン・フィゾー	回転歯車	315,000
1862	レオン・フーコー	回転鏡	298,000
1868	ジェームズ・クラーク・マクスウェル	理論計算	284,000
1875	マリー・アルフレッド・コルニュ	回転鏡	299,990
1879	アルバート・マイケルソン	回転鏡	299,910
1888	ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツ	電磁放射線	300,000
1889	エドワード・ベネット・ローザ	電気測定	300,000
1890年代	ヘンリー・ローランド	分光法	301,800
1907	エドワード・ベネット・ローザとノア・ドーシー	電気測定	299,788
1923	アンドレ・メルシエ	電気測定	299,795
1926	アルバート・マイケルソン	回転鏡（干渉計）	299,798
1928	オーギュスト・カロリュスとオットー・ミッテルステット	カーセルシャッター	299,778
1932～1935	マイケルソンとピース	回転鏡（干渉計）	299,774
1947	ルイ・エッセン	空洞共振器	299,792
1949	カール I. アスラクソン	ショーランレーダー	299,792.4
1951	キース・デイビー・フルーム	電波干渉計	299,792.75
1973	ケネス M. イベンソン	レーザー	299,792.457
1978	ピーター・ウッズら	レーザー	299,792.4588

19世紀後半に電波とマイクロ波の技術が進歩すると、光の速度を測定する新たな方法が生まれました。 レーマーの先駆的な天体観測から200年以上を経た1888年、ドイツ人物理学者ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツが電波の速度を測定しました。 ヘルツは300,000 km/秒付近の値を得て、電波と光はどちらも電磁放射線の形態をとるというジェームズ・クラーク・マクスウェルの理論を確認しました。 1940年代と1950年代にはさらなる証拠が集められ、イギリス人物理学者キース・デイビー・フルームとルイ・エッセンは、電波とマイクロ波をそれぞれ利用して、電磁放射線をさらに正確に測定しました。

マクスウェルも、光の速度や電磁放射線の他の形態を定義する上で、測定ではなく数学的結論によって高い評価を得ています。 彼は、電気と磁性の関係を見出すための研究で、電場を変動させると磁場が生成されるという、ファラデーの法則の逆の推論を理論化しました。 電磁波は振動する電波と磁波を結合し構成されると説き、宇宙における速度を次のように計算しました。

速度（V） = 1/(ε • µ)^1/2

εは誘導率、µは真空の透磁率であり、この2つの定数は比較的高い精度で測定可能です。 結果の値は光の速度の測定値にかなり近くなります。

1891年、光の速度と天文学の研究を続けていたマイケルソンは、カリフォルニアのリック天文台で屈折望遠鏡を使用した大規模干渉計を製作しました。 彼の観察は、星などの遠くにある物体を見ているときの光の到達時間の遅れに基づいたものであり、定量的に分析することで天体のサイズと光の速度の両方を測定できました。 約30年後、マイケルソンは実験の場をウイルソン山天文台に移し、同じ技法を当時世界最大の100インチ望遠鏡に用いました。

実験設計に八角形の回転鏡を組み込み、マイケルソンは光の速度として299,845 km/秒という値を得ました。 マイケルソンは実験の完了前に亡くなりましたが、ウイルソン山天文台の共同研究者であるフランシス G. ピースが引き続き画期的な技法を取り入れ、1930年代に入っても研究を行いました。 ピースは、改良した干渉計を使用して数年にわたり数多くの測定を重ねた結果、最終的に光の速度の正確な値を299,774 km/秒と特定しました。当時最も正確な測定値でした。 数年後の1941年、科学界は光の速度の基準値を定めました。 値は299,773 km/秒で、当時最も正確な複数の測定値を基にしたものでした。 図6は、過去200年にわたる光の速度の測定値をグラフで示したものです。

1960年代後半までに、周波数と波長が高度に設定された安定した研究ツールとして、レーザーが使用されるようになりました。 1958年にキース・デイビー・フルームがマイクロ波を使用して行った実験方法と同様に、周波数と波長を同時に測定すると光の速度の値を非常に正確に測定できることがすぐに明らかになりました。 米国などの国で複数の研究グループが、ヨウ素安定化ヘリウムネオンレーザーから633ナノメートルの周波数を測定し、高精度の結果を得ました。 1972年には、米国標準技術局がレーザー技術を採用して速度を299,792,458 m/秒（186,282マイル/秒）と測定しました。最終的に、光の速度の高精度な推定によりメートルが再定義されました。

レーマーが1676年に行った画期的な試みから始まり、光の速度はさまざまな手法で少なくとも163回、100名超の研究者によって測定されました（方法、研究者、年のまとめは表1を参照）。 光の速度は、レーマーによる17世紀の計算値から大きく変わっていないものの、科学的手法や装置の改良につれて推定値の誤差限界は小さくなりました。 最初の本格的な測定から300年以上経った1983年、第17回国際度量衡総会において、光の速度は299,792.458 km/秒と定義されました。 メートルは、光が1/299,792,458秒間に伝搬する距離と定義されました。 ただし一般的には（多くの科学的計算においても）、光の速度は切り上げて300,000 km（186,000マイル）/秒とされています。 光の速度の基準値が定められたことは、国際単位の確立にとって重要でした。世界中の科学者がデータや計算値を比較できるようになったといえるでしょう。

一部の研究者が示唆しているように、膨張が光の速度よりも大幅に速く進んだというビッグバンの時代以来、光の速度が遅くなっていることを示す証拠があるかどうかについては、論争が存在します。 意見の提示や反論によって論争は延々と続いていますが、ほとんどの科学者は光の速度が一定であると主張しています。 物理学者は、レーマーや追随者が測定した実際の光の速度が大きく変わっていないことに注目しますが、むしろ取り上げるべきは、光の速度を確立するために測定値の精度向上に貢献した科学的装置の数々の改良です。 今日、木星・地球間の距離は高い精度で分かっています。太陽系の直径や惑星の軌道も同様です。 研究者がデータを使って過去数世紀にわたり行われた計算をやり直すと、最新の高度な装置で取得した値に匹敵する光の速度の値が得られるのです。