如果将时间视为和空间的三个维度大致等价的第四个维度，我们势必面临一个相当困难的问题。测量长度、宽度和高度的时候，我们可以采用同样的单位，譬如说1英寸，或者1英尺。但时间间隔无法用英尺或英寸来衡量，我们必须采用另一套完全不同的单位，例如分钟或小时。那么这两套单位该如何放到一起比较呢？若要想象一个边长为1英尺的四维立方体，它在时间维度上的跨度应该是多少，才能使得四维等长？1秒、1小时还是1个月？1小时应该比1英尺长还是短？
乍看之下，这个问题似乎毫无意义，但要是深入思考一下，你会发现，或许我们可以找到一种合理的方式，将长度和时间跨度放到一起来比较。你常常会听到这样的说法，某人住的地方“离市中心20分钟车程”，或者某个地方“坐火车只要5个小时”就能到。这里我们用搭乘特定交通工具跨越某段距离所需的时间来衡量长度。
因此，如果能找到一种公认的标准速度，我们就能用长度单位来描述时间跨度，反之亦然。当然，作为空间和时间的基本换算因子，我们选定的标准速度必须是一个基本的通用常数，不受人类主观因素或物理环境的影响。在物理学领域里，只有一种速度具备这样的通用特性，那就是真空光速。虽然人们常常叫它“光速”，但更科学的描述应该是“物理相互作用的传播速度”。因为在真空中，物体之间的任何一种力（无论是电磁力还是引力）都以同样的速度传播。此外，正如我们即将看到的，光速代表着宇宙中的速度上限，任何物体在空间中的运动速度都不可能超过光速。
最早尝试测量光速的先驱是17世纪的著名意大利科学家伽利略·伽利莱（GalileoGalilei）。一个漆黑的夜晚，伽利略带着助手来到佛罗伦萨附近的旷野里，他们两个人分别提着一个带有机械遮光板的灯笼，站在相距几英里的两个点上。在某个约定的时刻，伽利略打开遮光板，灯笼的光立即射向助手的方向，助手看到伽利略发出的灯光信号就会立即打开自己这边的遮光板。光从伽利略的位置传播到助手的位置，然后再传回来，这个过程需要一定的时间，所以按照他们的预想，从伽利略打开遮光板到他看到对面的灯光之间应该会有一个延迟。他们的确观察到了短暂的延迟，但是当伽利略吩咐助手去往另一个两倍距离的位置，然后重复实验的时候，他们却没发现延迟的时间有所延长。显然，光传播的速度太快，跨越几英里需要的时间极短，他们观察到的延迟实际上是因为助手并未在看到灯光的同时立即打开遮光板——如今我们称之为反应延迟。
虽然伽利略的实验并未得到任何有意义的成果，但他的另一个发现却为人类真正首次测量光速奠定了基础——他发现了木星的卫星。1675年，丹麦天文学家罗默（Roemer）在观察木星卫星月食时发现，从卫星被木星的影子掩盖到它们重新出现，这中间的时间间隔并不是恒定的，有时候会长一点儿，有时候又会短一点儿，具体取决于当时木星和地球之间的距离。罗默立即意识到（正如你将在图31B中看到的一样），之所以会出现这种现象，并不是木星卫星的运行有什么异常，而只是因为木星和地球之间不同的距离带来了不同的延迟时间。通过他的观察，我们发现，光传播的速度大约是每秒185,000英里。难怪伽利略的实验怎么都测不出光速，因为灯笼发出的光只需要几十万分之一秒的时间就能在他和助手之间跑一个来回！
虽然伽利略的遮光灯笼过于粗糙，无法测量光速，但后来的科学家用更精密的物理仪器完成了这个任务。图31C向我们展示了法国物理学家斐索（Fizeau）首次采用的短距离测量光速的实验设备。这套装置的核心是安装在同一根轴上的两个钝齿轮，如果站在平行于轴的方向上观察，你会看到第一个齿轮的齿遮住了第二个齿轮的齿缝，所以无论你怎么摆弄这根轴，沿轴向传播的一小束光也无法穿透两层齿轮的阻隔。假设这套两个齿轮组成的系统正在飞速旋转，从第一个齿轮的齿缝中漏过来的光需要一定的时间才能到达第二个齿轮，如果在这段时间内，整套系统转动的距离等于齿距的一半，那么这束光就能透过第二个齿轮的齿缝传出去。这就像汽车在一条装有同步红绿灯系统的大道上行驶，只要速度合适，它一路遇到的都是绿灯。如果齿轮的转速增加一倍，那么当光线到达第二个齿轮时，轮齿会正好将它挡住。不过只要齿轮的转速继续增加，光线又会再次透过第二个齿轮，因为刚才挡光的轮齿已经离开了光传播的路径，这束光落到了下一个齿缝中。因此，我们只需要观察光线从出现到消失（或者反之）所对应的转速，就能估算光在两个齿轮间传播的速度。为了减少实验难度、降低齿轮转速，我们可以在两个齿轮之间增加几面镜子，让光多传播一段距离。通过这个实验，斐索发现，当齿轮转速达到每秒1000转时，他首次观察到了透过齿缝的光。这意味着在光从第一个齿轮传到第二个齿轮的这段时间里，每个轮齿移动的距离等于齿距的1/2。每个齿轮各有50个完全相同的轮齿，因此这段距离等于齿轮周长的1/100，齿轮移动这段距离所需的时间等于其自转周期的1/100。有了这个数据，再加上光在两个齿轮之间传播的总距离，斐索最终计算得出，光的传播速度是每秒300,000千米，或186,000英里，这个数值和罗默观察木星卫星得出的结果差不多。
继这几位先驱之后，人们又做了很多天文学和物理实验来测量光速。目前真空光速（通常用字母“c”来指代）最准确的估算值是：
c=299,776千米/秒 或 186,300英里/秒。[41]
光的速度极快，所以很适合用来度量天文距离；天文尺度的距离常常大得离谱，若用英里或者千米来表示的话，恐怕得写满好几页纸。因此，天文学家会说，某颗恒星和地球之间的距离是5“光年”，就像我们常说某个地点坐火车5小时能到。由于1年约有31,558,000秒，所以1光年等于31558000×299776=9460000000000千米，或者5,879,000,000,000英里。通过“光年”这个术语，我们将时间化作了一个实用的维度，时间单位也因此成为一个可用于度量空间的单位。反过来说，我们也可以创造另一个术语“光英里”，用它来描述光行经1英里的距离所需的时间。利用上面介绍的光速值，我们可以算出1光英里等于0.0000054秒。以此类推，1“光英尺”等于0.0000000011秒。上一节中我们讨论的四维立方体的问题也由此得到了解答。如果这个正立方体在空间中的边长是1英尺，那么它在时间维度上的跨度必然只有0.000000001秒。要是这个立方体存在的时间跨度足足有一个月，那么它看起来应该更像四维空间中的一根长棍，因为它在时间维度上的跨度比另外三个维度大得多。
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