Sur le plan physique, la lumière est une onde électromagnétique décrite par les équations de Maxwell. Dans le vide, ces équations prédisent une vitesse de propagation donnée par  c = 1/√(ε0μ0) où les constantes électrique (ε0) et magnétique (μ0) sont respectivement la permittivité et la perméabilité du vide. Cette expression montre que la vitesse de la lumière découle des propriétés fondamentales du vide lui-même. Elle apparaît aussi comme une constante de structure de l'espace-temps dans des théories plus avancées comme la relativité générale. En mécanique quantique, la lumière est quantifiée en photons, particules sans masse qui se déplacent nécessairement à la vitesse c dans le vide.

La vitesse de la lumière dans un milieu matériel.
Dans un milieu matériel, la vitesse de la lumière est toujours inférieure à c. Elle dépend des propriétés du milieu, en particulier de son indice de réfraction n, défini par n=c/v, où v est la vitesse de propagation dans le milieu. Cette réduction de vitesse s'explique par les interactions entre l'onde électromagnétique et les charges du matériau (électrons liés aux atomes), qui absorbent et réémettent l'onde, introduisant un retard global. Par exemple, dans l'eau, la lumière se propage à environ 225 000 km/s, et dans le verre, encore plus lentement. Ce phénomène est à l'origine de la réfraction, c'est-à-dire du changement de direction de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre.

On distingue plusieurs vitesses associées à la propagation de la lumière dans un milieu dispersif : la vitesse de phase, la vitesse de groupe et la vitesse de signal. La vitesse de phase correspond à la propagation des crêtes de l'onde, tandis que la vitesse de groupe est liée au transport de l'énergie ou de l'information. Dans certains cas particuliers, la vitesse de phase peut dépasser c, mais cela ne viole pas la relativité car aucune information ne se déplace alors plus vite que la lumière dans le vide. La vitesse pertinente pour la causalité reste la vitesse de groupe ou, plus rigoureusement, la vitesse du front d'onde. 

Des expériences ont réussi à ralentir extrêmement la lumière, jusqu'à l'arrêter momentanément dans des condensats de Bose-Einstein. Lorsque des particules chargées se déplacent dans un milieu plus vite que la lumière ne le fait dans ce même milieu, un phénomène se produit, l'effet Cherenkov, analogue à un bang supersonique lumineux, utilisé pour détecter des particules en physique des hautes énergies.

Jalons historiques.
Pendant très longtemps, la question même de savoir si la lumière a une vitesse fait débat. Pour Aristote, la lumière n'est pas un phénomène en mouvement mais un état, une actualisation du milieu transparent : elle est instantanée par nature. Cette position domine la pensée occidentale pendant des siècles. Héron d'Alexandrie, au I^er siècle de notre ère, renforce cette intuition avec un argument frappant : lorsqu'on ouvre les yeux après les avoir fermés, on voit immédiatement les étoiles les plus lointaines, ce qui semble prouver que la lumière parcourt des distances infinies en un temps nul.

Au XI^e siècle, le savant arabe Ibn al-Haytham, dans son monumental Kitāb al-Manāẓir, commence à ébranler ce consensus. Il affirme que la lumière est une entité physique réelle qui se propage, et il soutient implicitement qu'elle doit avoir une vitesse finie, même si elle est trop grande pour être mesurée par les moyens de son époque. Roger Bacon et, plus tard, Francesco Maurolico reprennent ces intuitions en Europe médiévale et renaissante, sans parvenir toutefois à les quantifier.

C'est Galilée qui, au début du XVII^e siècle, tente pour la première fois une mesure expérimentale directe. Son protocole est d'une simplicité presque naïve : deux observateurs séparés par une distance connue, chacun muni d'une lanterne munie d'un volet, doivent mesurer le temps de réponse de l'un à l'autre. L'expérience échoue, non par manque de rigueur, mais parce que la vitesse de la lumière est colossalement plus grande que ce que des réflexes humains peuvent saisir. Galilée en conclut seulement que la lumière est, si elle a une vitesse, infiniment plus rapide que le son. C'est un résultat négatif, mais honnête.

La première véritable démonstration que la vitesse de la lumière est finie arrive en 1676, depuis l'Observatoire de Paris, grâce à Ole Rømer. En étudiant les éclipses de Io, la lune de Jupiter, il remarque une anomalie systématique : les éclipses surviennent avec un léger retard lorsque la Terre s'éloigne de Jupiter, et avec une légère avance lorsqu'elle s'en rapproche. Il interprète cela non comme une irrégularité orbitale, mais comme le temps que met la lumière à traverser le diamètre de l'orbite terrestre. Il en déduit que la lumière met environ 22 minutes à traverser cette distance (une surestimation due à la valeur imprécise du diamètre orbital connu à l'époque) ce qui donne une vitesse d'environ 220 000 kilomètres par seconde. La valeur est fausse dans sa précision, mais la méthode est révolutionnaire. Pour la première fois, une grandeur physique est utilisée pour mesurer la vitesse de la lumière à l'échelle astronomique.

Quelques décennies plus tard, en 1728, James Bradley apporte une confirmation indépendante et une nouvelle méthode, celle de l'aberration stellaire. En observant les étoiles depuis une Terre en mouvement, il constate que leur position apparente change légèrement selon la direction du déplacement terrestre, de la même façon qu'une personne marchant sous une pluie verticale doit incliner son parapluie vers l'avant. En mesurant cet angle d'aberration et en le combinant avec la vitesse orbitale de la Terre, Bradley calcule une vitesse de la lumière d'environ 301 000 km/s, une valeur remarquablement proche de la réalité. Bradley ne cherchait pas à mesurer la vitesse de la lumière : il cherchait la parallaxe stellaire. 

Il faut attendre le milieu du XIX^e siècle pour que la physique terrestre prenne le relais de l'astronomie. En 1849, Hippolyte Fizeau réalise la première mesure purement terrestre de la vitesse de la lumière. Son dispositif est ingénieux : un faisceau lumineux est envoyé à travers les dents d'une roue dentée en rotation rapide, voyage sur plusieurs kilomètres jusqu'à un miroir, et revient. En ajustant la vitesse de rotation de la roue, on peut faire en sorte que la lumière revenant soit bloquée par la dent suivante ou, au contraire, passe librement par l'encoche suivante. La vitesse de rotation critique donne alors directement la vitesse de la lumière. Fizeau obtient environ 313 000 km/s, une approximation encore légèrement surestimée, mais d'une rigueur nouvelle.

Son contemporain Léon Foucault, dont on connaît mieux le pendule, améliore la méthode en remplaçant la roue dentée par un miroir tournant. En 1862, il obtient 298.000 km/s, une valeur frappante de précision pour l'époque. La méthode du miroir tournant devient le standard expérimental pour les décennies suivantes.
C'est Albert Michelson qui pousse cette méthode à sa perfection absolue. Dès 1878, puis en 1879, il réalise des mesures d'une précision sans précédent, obtenenant des valeurs très proches de 299 910 km/s. Mais Michelson est aussi l'homme de l'expérience la plus célèbre et la plus déstabilisante de l'histoire de la physique : l'expérience de Michelson-Morley de 1887, menée avec Edward Morley, qui cherche à détecter le mouvement de la Terre par rapport à l'éther (le milieu supposé dans lequel la lumière se propagerait, comme le son se propage dans l'air). Le résultat est remarquable : aucune variation de la vitesse de la lumière n'est détectable, quelle que soit la direction de mesure par rapport au mouvement terrestre. La lumière semble se propager à la même vitesse pour tous les observateurs. Ce résultat négatif est le plus fécond de l'histoire des sciences.

C'est lui, entre autres, qui conduit Henri Poincaré à formuler le principe de relativité, et surtout Albert Einstein à construire, en 1905, la théorie de la relativité restreinte. Dans ce cadre révolutionnaire, la vitesse de la lumière dans le vide, notée c, n'est plus simplement une constante empirique à mesurer : elle devient un axiome fondamental, une limite absolue, la même pour tout observateur inertiel quel que soit son état de mouvement. La lumière ne se propage pas dans l'espace-temps : elle en définit la structure causale.

Michelson continue néanmoins à affiner ses mesures jusqu'à la fin de sa vie, avec une ténacité remarquable. En 1926, il réalise une nouvelle expérience entre le mont Wilson et le mont San Antonio en Californie, sur une distance de 35 km, avec un miroir octogonal tournant à grande vitesse. Il obtient 299 796 km/s. Il meurt en 1931 en plein milieu d'une dernière campagne de mesures.

Dans la seconde moitié du XX^e siècle, les méthodes laser et les horloges atomiques transforment radicalement la précision accessible. Des mesures effectuées dans les années 1970, combinant des lasers stabilisés à des étalons de fréquence, convergent vers une valeur de 299 792,458 km/s avec une incertitude inférieure à un mètre par seconde. Cette précision est telle qu'elle rend la mesure de la vitesse de la lumière plus précise que la définition du mètre lui-même.

En 1983, la communauté scientifique internationale tire la conclusion logique de cette situation : la Conférence générale des poids et mesures redéfinit le mètre non plus à partir d'un étalon physique ou d'une longueur d'onde particulière, mais à partir de la vitesse de la lumière elle-même. Le mètre devient la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde. La vitesse de la lumière cesse d'être une grandeur mesurée pour devenir une constante définie : exactement 299 792 458 mètres par seconde, par convention. On ne mesure plus c : on mesure les longueurs à partir de c. Ce renversement épistémologique est vertigineux. Pendant deux millénaires, on a cherché à saisir la vitesse de la lumière. On a fini par la déclarer immuable et on l'a placée au fondement du système de mesure du monde.

Aujourd'hui, la vitesse de la lumière est au coeur des technologies de positionnement (le GPS doit corriger les effets de la relativité restreinte et générale, directement liés à l'invariance de c), de la photonique et de la métrologie. Elle intervient aussi dans la constante de structure fine α, nombre sans dimension qui caractérise l'intensité de l'interaction électromagnétique. Certaines théories spéculatives en cosmologie (théories à vitesse de lumière variable) ont exploré l'idée que c aurait pu être différente dans l'Univers primordial, mais aucune preuve observationnelle solide n'est venue ébranler son statut de véritable constante fondamentale de la nature. De tentative de mesure d'une propagation finie à axiome structurant l'espace-temps, la vitesse de la lumière incarne l'évolution même de la physique : elle a dissous la séparation entre l'espace et le temps, donné naissance à la relativité et demeure le gardien inflexible de l'ordre causal dans l'univers.