光是什麼？光的傳播需要速度嗎？解析幾何之父、西方現代哲學的奠基人笛卡爾認為光是瞬間抵達的，不需要傳播時間。另一位大科學家伽利略不這麼認為，他讓兩個人在半夜分別爬上了相距1.6千米的兩座山，當一個人點亮手中的燈，另一個人看到後馬上也把自己的燈點亮，那麼測量出兩個燈亮起來的時間差，就可以把光速算出來，當然啦，需要扣除人的反應時間。但伽利略最終一無所獲，光線好像的確不需要傳播時間瞬間到達，伽利略最後不得不無可奈何地接受了這個結果。現在看來，幾十萬分之一秒的傳播時間，人是根本不可能察覺得到的。
我們都知道，伽利略是一位偉大的科學家，科學能夠從過去的哲學體系裡面分離出來，有他很大的功勞。古希臘古羅馬的先賢們總是喜歡坐在那裡思辨，思辨是古代哲學家們探索瞭解自然界的有效武器，基督教的經院哲學也喜歡通過抽像的、繁瑣的辨證方法論證基督教信仰，但是伽利略對此並不滿意，他覺得很多事情並不能依靠坐在那裡冥思苦想，必須動手去做實驗，看看想法跟實際情況是不是相符合。伽利略親自動手做斜面滾落實驗就有上千次之多，記錄下非常詳細的觀測數據。僅有觀測數據還遠遠不夠，還要用數學方法對規律進行總結。正是在這種思想的指導下，以伽利略為代表的一批人就逐漸遠離了經院哲學體系，走上了另外一條路。伽利略的思想稱為「實驗-數學」方法，這條路越走越寬闊，逐漸形成了現代的科學體系。伽利略既是數學家，又是物理學家，同時還是天文學家，是科學革命的先驅，近代實驗科學的奠基人之一。
伽利略聽說有人造出了望遠鏡，能把很遠的東西放大。他很有興趣，就按照聽來的描述，自己做了一個望遠鏡，用這架望遠鏡來觀察天體。伽利略也就成了第一個用望遠鏡觀測天文的人。那時他的望遠鏡還很粗陋，看東西還是模模糊糊的。我們現在用一架小型的望遠鏡就能夠清晰地觀測到土星的光環，但是伽利略的望遠鏡顯然不夠清晰，他居然認為土星旁邊有兩個「耳朵」。當然，木星比土星大得多，而且離得也更近，相對容易觀測。伽利略也經常把望遠鏡對準木星，看到居然有四個微小的亮點在圍繞著木星旋轉，旋轉的週期長長短短各不相同。伽利略對他們進行了詳細的觀察，確定了他們的軌道週期，他確定，這四顆小星星並不像過去大家認為的那樣，是繞著地球在轉。基督教認可的學說是托勒密的地心說，所有天體是繞著地球轉的，但這四顆天體明顯是木星的衛星，它們都繞著木星轉。因為是伽利略首先發現的這四顆衛星，後來人們便稱它們為「伽利略衛星」。（圖2-1）
圖2-1 木星的四顆最大衛星被稱為「伽利略衛星」
凡是往復運動的東西，都可以當做鐘錶來使用，我們至今為止，都是使用週期運動來當做時間的標尺。機械表靠的是擺錘擺動，電子鐘表依靠的也是電磁振蕩來度量時間的流逝。當時歐洲正在為測量經度發愁，經度的測量跟時間的測量是密切相關的。伽利略就想解決經度問題，他提議用木星的衛星當做鐘擺來計算當前的時間，木星那四個大衛星繞著木星的公轉也是週期運動嘛。這個辦法簡單有效，的確是可以幫助人們比較精確地測定某地的經緯度。法國採用這個辦法來進行地圖測繪，精確程度大為提高。因為精確測量法國的領土面積比過去粗略統計的數字要小，還引起了法王路易十四的抱怨，他說丟失在科學家手裡的領土，比丟失在敵人手裡的還要多。
既然木星的衛星可以當做天上的鐘錶來計算時間，那麼就有很多人投身於此，他們花了大量時間來測定木星的衛星運行狀況。在伽利略去世三十多年以後，一位叫羅默的天文學家發現伽利略衛星運轉好像並不是完全勻速的，木星的衛星每隔一段時間就會轉到木星的後面去，我們就看不到它了，這個情況叫「木星食」。木星食每次會逐漸延遲發生，過一陣子，又會慢慢地提前發生，一天兩天不顯著，間隔半年就很顯著了，似乎變化是有週期性的。這是怎麼回事呢？羅默猜想：這是因為光速導致的，光似乎不是瞬間抵達，而需要花時間從木星跑到地球（圖2-2）。
圖2-2 木星食延遲是因為光速
在羅默看來，木衛運轉的週期要通過光的傳遞，才能被我們看見。地球在繞著太陽旋轉，木星在遙遠的地方，粗略地可以當做不動，那麼地球繞到跟木星最近的一點，光走的距離最短。隨著慢慢地遠離木星，光每天走的路程都會變長，木星食也就會不斷地延遲。羅默估計，時間誤差大約是十一分鐘左右，這十一分鐘就可以當做光穿越地球軌道半徑，多走的那一段距離花掉的時間。那麼好了，光速也就毛估出來了，十一分鐘走了地球軌道的半徑，二十二分鐘走的就應該是地球繞日軌道的直徑。
羅默把想法告訴了他的老師卡西尼，可卡西尼不認可他的想法，整個巴黎天文台贊同他觀點的人也不多，大家都抱有深深的疑慮。但另外的一大堆物理學大牛都給羅默點贊，惠更斯、萊布尼茲、牛頓都贊同他的想法，這也是人類第一次知道了光速大概是怎麼一個數量級別。通過天文觀測是當時唯一的能夠使用的測量方法，因為光速太快了，只有天文距離上才能顯現出光的延遲，有了延遲，人們才可以通過測量時間和距離來計算光速，但是這樣的測量很難說是精確可靠的，必須尋找更加可靠的測量方法。又過了幾十年，大家依舊沒有多少進展，因為觀測天體不是一蹴而就的事兒，要靠長期的觀測數據積累才能有所收穫。而且天文學家還必須有從大數據裡面挖掘金礦的慧眼，這方面最突出的就是哈雷。
哈雷是繼弗拉姆斯蒂德之後的第二位皇家天文學家兼格林尼治天文台台長，第一個從過去觀測的記錄中瞧出了端倪。他挑了二十四顆彗星計算軌道，用萬有引力來計算軌道正是他的好朋友牛爵爺發明的辦法。他發現1531年、1607年和1682年出現的這三顆彗星軌道看起來如出一轍，是不是同一顆彗星的三次回歸啊？哈雷沒有立即下此結論，而是不厭其煩地向前搜索，發現1456年、1378年、1301年、1245年，一直到1066年，歷史上都有大彗星的記錄，這事兒絕對不是巧合！他預言：1682年出現的那顆彗星，將於1758年底或1759年初再次回歸。哈雷這時候已經五十歲了，他還要等上五十年才能看到這顆彗星的回歸。哈雷也知道自己沒可能看到，但他對預測還是有信心的。果然在哈雷去世之後十幾年，人們觀測到了這顆大彗星的回歸。為了紀念哈雷，就把這顆彗星命名為「哈雷彗星」。
哈雷去世了，皇家天文學家的位置由另外一位天文學家接替，他就是第三任皇家天文學家兼格林尼治天文台台長布拉德利。布拉德利的特長是悶頭觀測，他的性格不像哈雷那麼隨和和平易近人，脾氣倒是很像哈雷的前任弗拉姆斯蒂德，甚至比弗拉姆斯蒂德還要「弗拉姆斯蒂德」。布拉德利在1725～1728年發現了光行差現象。隨著觀測技術的提高，對恆星位置的測量也越來越精確。而且布拉德利也是一個對數字極其敏感的人，他花了好多年時間整理了上千顆恆星的觀測記錄。照道理來講，恆星之所以叫「恆星」，是因為我們觀測不到他們的相對運動。星星每天東昇西落，但是每顆恆星都像釘在蒼穹之上一樣，不管天球如何斗轉星移，恆星彼此之間的相對位置是不會變化的。
且慢，布拉德利分析了許多的觀測資料，他緊緊盯住了天龍座內最亮的一顆星γ（天棓四）。這個天龍座γ一直在天上畫圈圈，雖然圈圈很小，但是的確可以被觀察到，這是怎麼回事兒呢？布拉德利給這種現象起了個名字叫做「光行差」，他用雨滴模型成功地解釋了光行差現象，據說是在泰晤士河上的一條船上激發出的靈感。那天正在颳風，布拉德利發現船上旗子的飄揚方向發生了改變，可是風向並沒有變。這是因為船開動了，船的行進方向和風向並不一致，旗子的飄揚方向是船的運行方向和風向共同作用的結果。布拉德利茅塞頓開，設計出了雨滴模型（圖2-3）。
圖2-3 雨滴模型
要解釋這個雨滴模型，我們先來想像一個場景：在無風的雨天，雨滴是與地面完全垂直下落的，雨傘筆直朝上就可以擋雨了；假如我們是運動的，在往前跑，這時候在我們看來雨滴就不是垂直下落的，而是斜著下落的，必須把雨傘斜過來才能避免被淋成個落湯雞；假如我們在大雨裡繞著操場轉圈跑，那麼就會發現，雨水開始從偏東方向斜著飄過來，然後變成了偏南方向，再後來是偏西方向，最後是偏北方向，當我們跑回原點，又變成了偏東方向。假如以自己作為參照物來看，就好像下雨的雲朵在天上轉圈圈一樣。當然，如果你在電影或者電視裡面看到有人一邊哭泣一邊在雨中奔跑的話，那麼恐怕不是在做科學實驗，而是失戀了……
恆星發出的光就像下雨一樣飛過，地球在做繞日運行，就好像穿行在光線雨裡面一樣。在我們看來，光線也像雨滴一樣變斜了，我們看天上某些恆星的角度就會隨著地球的運行方向而發生變化。地球是在繞著太陽畫圈圈，那麼恆星看起來也在原地畫圈圈，通過恆星畫圈圈的大小，可以計算出地球繞太陽運行的速度和光速的比值。布拉德利比較精確地測定了光速，光速大約是地球運轉速度的一萬倍，當時測定的地球的運行速度大約是30千米/秒，這已經是比較精確的數值了。光行差的發現是個很重要的事兒，因為從哥白尼開始，他就認為地球是在運動的，是繞著太陽轉的，而不是反過來太陽繞著地球轉，但僅有兩個參照物的話，我們無法分辨到底是地球繞著太陽轉，還是太陽繞著地球轉，站在地球上看起來都是一樣的。布拉德利的光行差發現，證明了地球真的在繞日公轉。
1729年，布拉德利公開宣佈了他的發現以及他的計算結果，他的發現支持了羅默的想法，且計算結果也比羅默更加接近現代測定的光速。光速真的有限，並非瞬間到達。
菲涅爾和阿拉戈建立物理光學波動學說的時候，他們繞不開的就是這個光行差的問題。牛頓提出了微粒說，那麼並不在乎需要什麼傳播介質，可是對於波來講，傳播介質就變得非常重要了。當年惠更斯提出光波動學說的時候，就已經無法迴避這個問題。對於那時候的人來講，腦子裡只有機械波的概念，聲音在空氣中傳播，漣漪可以在水面傳播，抖動的繩索也可以傳遞波形，甚至球場看台上的人群也可以組成人浪，多米諾骨牌的連續倒塌，都可以理解成波。這些波動無一例外是離不開介質的，皮之不存，毛將焉附？
那麼光波又是依靠什麼東西振動來傳播的呢？惠更斯說是「以太」。這個「以太」是從古代傳下來的一種概念：古人認為大氣之上定然還有成分，那便是以太。牛頓信奉微粒說，他不否認以太的概念，但是他也不認為以太的波動就是光，況且當時的波動學說也難以解釋直線傳播等等一系列的問題。現在楊大夫、菲涅爾和阿拉戈他們幾個又把以太給搬了出來，光波是在「以太」中傳播的。
那麼問題來了，布拉德利發現的光行差現象說明：地球相對於遠方射來的恆星是有相對運動的；如果遠方過來的星光是光波，波是不能獨立存在的，必定有傳播介質，光波靠以太來傳播。那麼好了，地球是不是相對於以太運動呢？阿拉戈就此事詢問了菲涅爾，菲涅爾拍胸脯保證：「沒錯！就是這樣的，地球是在以太裡面穿行啊。」阿拉戈又問：「為啥地球在以太裡面穿行，一點也沒感覺到以太的存在呢？起碼應該有『以太風』才對嘛！地球能否能攪動以太呢？」菲涅爾若有所思，或許對於以太來講，地球是疏鬆多孔的物質構成的，因此以太穿越一點不受阻礙呢？稀疏的篩子總不能拿來扇風吧。阿拉戈又問：「那麼水能不能帶動以太呢？很有可能光波進了水以後，速度會變慢啊，那麼是不是水跟以太有相互作用呢？」菲涅爾說：「這是很有可能的啊！」水流也許並不能完全拖動以太，是要打個折扣的。阿拉戈早年接受的是牛頓的微粒說，後來看到楊大夫的雙縫干涉實驗開始傾向於波動說。但是他對波動說解釋光行差有疑慮，所以他有此一問，現在菲涅爾的回答讓他很放心。
阿拉戈沒能觀測到這種水流拖拽以太的現象，因為那時候沒法在地面測量光速。現在的關鍵是在實驗室裡面能夠測量出光速，才有可能研究所謂「以太」的問題。從布拉德利粗測光速算起，一百年來仍然沒人在實驗室裡測出光速。伽利略當年的夢想就是靠實驗來確定光速，但是光速快得嚇人，能在一秒內繞行地球赤道七圈半，實驗室的儀器尺寸又不可能很大，因此測量手段始終是個難題。要知道光速直接關係到微粒說與波動說誰對誰錯，這是個大問題。牛頓認為，光在水中或者在玻璃裡面比在空氣中跑得快，因為稠密的透明物質對於微粒來講是有「引力」的。牛頓的這個引力，也未必是指萬有引力。在牛頓看來，光是一顆顆的小炮彈，因為速度太快了，我們看不到重力導致的光線彎曲，看起來光總是走直線，但是，當光斜著碰到玻璃或者水的一剎那，被這些透明物質的「引力」拖拽，速度變快了，因此進了玻璃就拐了個彎兒，這就是所謂的折射。可是根據光的波動理論，光波在玻璃或者是水裡比在空氣中跑得慢，因此阿拉戈到晚年還對光速的測量念念不忘，雙目失明之後仍然牽掛著斐索的實驗。牛頓的光學理論完全是以介質之中光速變快為基礎的，如果推翻了這一條，那牛頓的理論將全部崩潰。
到了1849年，一位法國科學家斐索完成了在地面上測量光速的實驗，這是一個非常巧妙的實驗（圖2-4）。
圖2-4 斐索測量光速的實驗
首先斐索做了一個大齒輪，有七百二十個齒，那時候沒有電機，斐索為了讓這個齒輪能夠勻速旋轉，靠重物下墜拖拽繩子來帶動齒輪旋轉，用蠟燭作為光源，反射鏡放到了8.67千米之外。
齒輪如果不轉動，那麼光線經過半反射鏡反射，通過齒輪的空隙射到8.67千米外的反射鏡上，然後反射回來。透過齒輪和半反射鏡，人的眼睛就可以看到了。假如齒輪轉動起來，速度夠快的話，反射回來的光恰好被轉過來的齒擋住，人眼就看不到反射回來的光了。齒輪再加速，反射回來的光恰好從第二個空隙間通過，那麼人眼又可以看到反射光了。斐索發現，齒輪一秒鐘轉二十五圈的時候，恰好可以看到反射光通過齒的空隙。計算下來，光速大約是312120千米／秒，比現在我們知道的光速快了5％，這在當時是難免的，因為機械總有誤差。人類第一次在地面上用實驗測出了光速，這在物理學上是一個里程碑式的事件。光可以說是物理學中最迷人最捉摸不定的奇異現象，它的奇異特性直接導致了兩大物理學支柱量子力學和相對論的誕生。最終，人們習以為常的那些物理學規律都被一一打破，這是後話，暫且按下不表。
光在水裡的確比在空氣中跑得慢，牛頓的微粒說已經崩塌了，這是法國另外一位科學家傅科測定出來的。那麼阿拉戈當年的另一個疑問卻始終沒有答案：假如光線通過流動的水流，那麼光速會變化嗎？這個疑問關係到當時所有物理學家都關心的問題：以太到底能不能被拖動呢？按照經典的牛頓力學，水流拖動了以太，光又是在以太裡面傳播的一種波，那麼順流而下的光波應該比較快，逆流而上的光波應該比較慢，這是學過中學物理的人都應該想得到的。菲涅爾以前曾經做過一個判斷：透明的物質只會部分拖拽以太。那到底對不對呢？這還要靠實驗來解決問題。
圖2-5 斐索流水試驗
斐索做了著名的流水實驗（圖2-5），來回答阿拉戈的那個疑問。斐索很巧妙，他用兩束光一正一反穿過水管，在屏幕上形成干涉條紋。當水流動起來，一正一反兩束光會產生差異，因此條紋必定會發生移動。實驗結果支持了菲涅爾的假設，觀測數據也與根據菲涅爾公式計算出來的數值相符合，大家都鬆了一口氣，看來菲涅爾有關以太的想法是合理的。關於以太的爭論仍然在繼續，畢竟沒有直接觀測到以太的存在，只是通過光的傳播來反推以太的種種特性，不是一個讓人放心的辦法。光究竟是個什麼玩意？真叫人捉摸不透。當時人們並不知道，解開光線之謎的人最終將與牛頓比肩而立。
那麼，他是誰？