以太

以太 (Ether)
國立臺灣大學物理學系 陳昱璟

以太 (ether) 一詞源自古希臘時期，古希臘人使用 ether 泛指大氣或天空，而古希臘哲學家亞里斯多德所提出的五大元素中，以太為構成天球和天體（恆星和行星）的神聖物質，是五大元素的其中之一。後來，以太這個概念並未消失，反而影響後來的科學家，到了十九世紀，科學家發現光是一種電磁波，而生活中的的波大多需要介質，如聲波需要藉由空氣傳遞，水波需要藉由水來傳遞，因而設想宇宙間充滿著「以太」的物質，而光即是藉由以太來傳播。

因此，在這個假設之下，電磁波的傳遞必須有一個「絕對靜止」的參考座標系 (Frame of reference)，而此參考座標系即是「以太系」，其他慣性座標系的觀察者所觀察到的光速即是相對「以太系」的速度向量總和。當時的假設中，以太無所不在，充滿於所有空間並沒有質量，絕對靜止。對於不同慣性座標系中的觀察者，所觀察到的光速並不相同。

為了證實以太的存在，於 1887 年由邁克生 (Albert Abraham Michelson, 1852-1931) 與莫立 (Edward Williams Morley, 1838-1923)進行了著名的邁克生—莫立實驗。在這個實驗中，若認為以太為光的傳播介質，則因為地球以每秒三十公里的速度繞太陽公轉，在公轉一年的時間中，地球一定會有相對於以太以相當高速在運動的時候，所以這會對不同方向測量到的光速造成影響。

圖一、邁克生－莫立實驗裝置示意圖。（本文作者陳昱璟繪

邁克生—莫立的實驗裝置如圖一，假設以太風向右以 $$V$$ 速度運動，而鏡子與分光鏡之間距離皆為 $$L$$，則向右的光線（圖中籃線）的時間為 $$t_r$$：

$$\displaystyle t_r=t_1+t_2=\frac{L}{c-V}+\frac{L}{c-V}=\frac{2L}{c(1-\frac{v^2}{c^2})}$$

而向上的光線（圖中紅線）因為與以太風垂直，行經路程之平方為，

$$L^2=(ct_3)^2+(vt_3)^2$$

而行經之時間 $$t_u$$ 可以解得，

$$\displaystyle t_u=2t_3=\frac{2L}{c\sqrt{(1-\frac{v^2}{c^2})}}$$

因此兩道光到達的時間並不相同，而藉此可以來測量地球相對於以太的速度。

然而邁克生—莫立實驗並沒有觀察到兩道光線之時間差，證實以太並不存在，不同方向上的光速皆相同，而後來更精準的測量也皆得到相同之結果，此實驗結果使得以太假說受到極大挑戰。愛因斯坦 (Albert Einstein) 拋棄以太理論，以光速在不同座標系中速度皆為定值為基礎，建立了狹義相對論，而許多物理現象也都支持狹義相對論，以太這個概念遂被逐漸拋棄，現今科學界已幾乎否定以太存在的假說。

參考文獻

1. 邁克生－莫立實驗｜維基百科。http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BF%88%E5%85%8B%E8%80%B3%E5%AD%99%EF%BC%8D%E8%8E%AB%E9%9B%B7%E5%AE%9E%E9%AA%8C
2. 以太｜維基百科。
   http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%A5%E5%A4%AA