以太
以太（英语：Aether，Ether）原本是古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质，为五元素之一。以太的概念在多种理论中被用来解释几种自然现象，例如光和重力的传播。 19世纪末，物理学家假设以太渗透到空间中，提供了光可以在真空中传播的介质，但在迈克尔逊-莫雷实验中并没有发现这种介质存在的证据，这一结果表明，可能不存在发光的以太。
17世纪时，开普勒用以太说明太阳怎样使行星运行不息，吉尔伯特环形山用它去解释磁力吸引，哈维认为以太是把太阳热力传给生物心脏与血液的媒介。以后，艾萨克·牛顿和克里斯蒂安·惠更斯都用以太解释光的传导。19世纪60年代英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦认为以太是一种无所不在的传导光和电的介质（电磁场）。20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦建立起相对论理论，以太假说至此没落。
词源
以太（Ether、Aether），又名阿卡夏（Akashic），古希腊人以其泛指青天或上层大气。“以太”这一概念在古希腊哲学中即已出现，名称来自于象征永恒时间的“永远”（aithera）、“在奔跑”（aei）等词。古希腊哲学家泰利斯（Thales，又译：泰勒斯）认为以太是空气的蒸发”；毕达哥拉斯斯学派认为，气是一种冷的以太；古希腊哲学家亚里士多德认为，物质元素除了水、火、气、土之外，还有一种第五元素，即：天空上层的以太。在西方近代自然科学发展中，“以太”重新被人们作为一种假设的物质提出来，用以解释某些自然现象。近代时期，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯和英国物理学家罗伯特·胡克提倡光的波动说，以太被定义为光波传播的媒介，这时期的以太便称为“发光以太”或“光以太”。
历史
古代时期
以太是一个历史上的名词，它的涵义随历史的发展而发展，其内涵随物理学发展而演变。“以太”一词是英文Ether或Aether的音译。古希腊人以其泛指青天或上层大气。古希腊哲学家泰利斯（Thales，又译：泰勒斯）认为以太是空气的蒸发”；毕达哥拉斯斯学派认为，气是一种冷的以太；在亚里士多德看来，物质元素除了水、火、气、土之外，还有一种居于天空上层的以太。亚里士多德认为，以太名称来自于“永远”（aithera）、“在奔跑”（aei），这种元素是除了水、火、土、气之外的原初物质，在最高的地点。
近代时期
17世纪
17世纪是以太学说盛行的重要历史时期，这时期的以太便称为“发光以太”或“光以太”。17世纪的勒内·笛卡尔是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家。他将以太引入物理学，并据此建立了以太旋涡说，以此解释太阳系内各行星的运动。在笛卡尔看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质——以太来传递，笛卡尔相信空间不可能是一无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。
荷兰人惠更斯和英国人罗伯特·胡克提倡光的波动说，该学说假定空间具有无所不在的以太，以此作为波动媒介。关于光的运动，惠更斯认为，所有“液态”发光物质的表面都由微粒组成，而这些微粒的震动会产生对以太物质的撞击效应，从而引起光的运动。在当时，惠更斯也强调以太与空气的区别，他指出，能够传播声音的介质并不能够传播光。牛顿虽然在光学上提倡射流说（微粒说），但他也借助以太的稀疏和压缩来解释光反射和折射，甚至假想以太是造成引力作用的可能原因，例如牛顿认为，以太通常会附着在物质上并产生密度不等的以太层；牛顿进一步认为，在光通过小刀边缘的“折射”现象中，密度不等的以太起了重要作用。
18世纪
18世纪，以太理论没落，超距观点占了主导地位。1713年，以太理论的反对者，物理学家科茨为牛顿的著作《自然哲学的数学原理》第二版作序，该序言以大量文字攻击勒内·笛卡尔的涡旋以太论。该序文中虽然没有引用“超距作用”一词，但他在抨击以太论的同时认为宇宙中存在真空，这一观点无形中让人们以为牛顿的引力定律是倡导超距作用的。超距和近距两种对立观点在18世纪初争论激烈。甚至于出现了这样的情形：法国笛卡儿主义者在反对超距作用的同时，也否认引力的平方反比定律；牛顿追随者为捍卫牛顿的学说，又反对包括以太在内的全部笛卡儿观点。由于引力定律在说明太阳系内的星体运动获得极大成功，而对于以太的探索却未有任何实际结果，超距作用观点因而占据有利地位。
19世纪
19世纪，以太论获得复兴和发展，首先是从光学开始的，这主要是物理学家托马斯·杨和菲涅尔工作的结果。托马斯·杨和菲涅尔等科学家用光的波动学说成功解释了光的干涉、衍射、偏振等现象，并在实验的启示下提出光波为横波的新观点。
1810年，物理学家阿拉果（Arago）试图通过测量来观测地球相对于以太的运动，结果却对以太学说造成了冲击。1818年，菲涅尔为了解释阿拉果关于星光折射行为的实验，在托马斯·杨的想法基础上提出部分拖曳的以太学说，该学说认为：透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比，当一个物体相对以太参照系运动时，物体内部的以太只是超过空的那一部分被物体带动。由此即可得出物体中以太的平均速度为（1-1/n²）v ，其中 v为物体的速度，（1-1/n²）系数 称为菲涅尔系数。菲涅尔部分拖曳以太论认为，在以太参照系中，运动物体内光的速度为u＝c/n +（1-1/n²）vcos θ， 其中 θ为u与v之间的夹角。上式称为菲涅尔运动媒介光速公式它为以后的斐索实验所证实。19世纪曾进行了一些实验以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应，并由此测定地球相对以太参照系的速度υ，但都得出否定的结果，然而，这些实验结果可从上述菲涅尔理论得到解释。1846年，乔治·斯托克斯也得到了物体在以太中的运动公式:(1-1/μ²)v，形式与菲涅尔部分拖曳以太学说相同，但解释不同，斯托克斯认为地球中的以太并非被部分拖拽，而是共同运动。
在空气中，以太被大多数物理学家看作是静止的。1825年前后，英国物理学家托马斯·杨和法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳提出了光的波动说理论，该理论通过波动说成功地解释了光的干涉、衍射、双折射、偏振、直线传播等现象。由于光的波动说需要假设光的媒介以太的存在，因此，19世纪大多数物理学家相信以太的存在。
随着光波动学说的进展，以太及其力学性质的假设给物理学带来一定困扰。因为托马斯·杨和菲涅尔假定光是横波，这就必然要求有一种弹性固体的以太。但是，它的存在又如何对天体的运动毫无阻碍呢，英国斯托克斯和开尔文又提出，以太就像鞋匠的擦线蜡。它既可能发生振动（如激烈打击之下），又塑性地允许重物穿过它缓慢运动。不同颜色的光有不同的频率，当它们穿过透明体时折射率也不同，于是，奥古斯丁·菲涅耳和菲索的拖曳系数也不同。这样，有多少种频率的光在透明体内就会有多少种不同的以太。纵使如此，以太的观念毕竟助波动说获得了成功。其后，以太在电磁学中也获得了地位。这主要是由于法拉第和麦克斯韦的贡献。
1831年，迈克尔·法拉第关于电磁感应实验的成功，促使他建立了电磁力线的概念，并以此概念解释电、磁及其彼此感应的作用，后来，他又提出了电场、磁场和力线场的概念，放弃以太观念，但其间他也曾怀疑光以太是否为力线的荷载物。
19世纪60年代，麦克斯韦提出位移电流的概念，通过借助以太概念，把法拉第的电磁力线表述为一组数学方程式，即著名的麦克斯韦方程组。在导出麦克斯韦方程组时，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦曾提出，磁感应强度就是以太速度；以太绕磁力线转动形成带电涡元；甚至将他的位移电流概念从绝缘体推广到以太范围。人们将麦克斯韦的以太称为电磁以太。从麦克斯韦方程组中可以导出，电磁扰动的传播速度与已知的光速在实验误差范围内是一致的。因此，麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后，进一步认为，光就是产生电磁现象的媒质（以太）的横振动，在他看来，传播电磁与传播光只不过是同一种介质而已。光的电磁理论成功地解释了光波的性质，以太不仅在电磁学中取得了地位，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在统一光和电磁现象的同时也统一了发光以太和电磁以太。1888年，赫兹以实验证明电磁扰动的传播及其速度，也即发现电磁波的真实存在。这个事实曾一度被人们理解为证实以太存在的决定性实验。
尽管麦克斯韦在电磁理论上取得了很大进展，但他和赫兹等人试图将电磁理论推广到运动物质上并未成功，因为这理论的一个难题是物质本身并不会衰变为以太。
当麦克斯韦试图用力学以太模型解释“场论”，当人们深入思考麦克斯韦方程组时，问题还是出现了。人们不知道由麦克斯韦方程组推出的光波与电磁波的常定传播速度，究竟是相对于哪一个参考系而言的。从麦克斯韦的电磁理论看，以太是测定光速的绝对参考系。整个麦克斯韦方程组只对于绝对静止的以太参考系才是成立的。事实上，以太在这里成了牛顿力学中物化了的绝对空间。那么，以太的绝对运动问题以及以太会否随地球运动而漂移问题仍然有待解答。
19世纪，寻找以太有两个著名的实验，但这两个著名的实验却宣告失败：一、1859年斐索进行的流水实验，目的是考察介质的运动对在其中传播的光速有何种影响，从而判断以太是否被拖曳；二、1887年迈克尔孙与莫雷做的光波干涉实验，目的是探测地球相对于以太的速度。这两个实验的零结果表明它们从人们期待的角度来看是失败的，但这些实验证明了以太是不存在的。根据这些实验，后来的一些人认为，以太概念对于电磁场理论而言是多余的，是毫无意义的存在，没有以太这一概念是可以接受的。实验后剩下的问题是如何理解或处理（真空中）光速不变的这一现象。
1887年，阿尔伯特·迈克尔逊和莫雷通过其制作的干涉仪来测量以太相对地球的速度，结果并未发现任何以太漂移。迈克耳孙将其干涉仪的一臂平行于地球运转方向，另一臂指向垂直方向。沿平行臂的光束的往返时间应该比沿垂直臂往返的时间长，可是迈克耳孙发现，二者运动时间没有差别。迈克尔孙和莫雷的干涉仪灵敏度足以探测到地球相对于5米每秒以太的速度，而实验的否定结果表明，以太相对地球的速度非常小，几乎可以忽略。当太阳系中的以太静止时，地球相对于以太的速度应该是30千米每秒，即地球的轨道速度。因此，迈克耳孙实验的否定结果与以太理论完全矛盾。实验结果显示，不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参考系下具有相同的数值，与参考系的相对速度无关，以太其实并不存在。此后其他一些实验也得到同样的结果。于是以太进一步失去了它作为绝对参考系的特质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认，并被推广到整个物理学领域。这个结果被称为19-20世纪物理学天空上的第一朵乌云。突破以太观念与实验不合的一个办法就是放弃以太。当时，它作为可供思考的假想物质的功用已经发挥到了极点。
19世纪90年代,亨德里克·洛伦兹提出了电子的概念。他将物质的电磁性质归纳为物质中同原子相关的电子效应，物质中的以太则同真空中以太在密度和弹性方面并无区别。洛伦兹还假定，以太不参与任何运动，是处于绝对静止的状态。但是，由于物体中的电子随物体运动时，不仅要受到电场的作用力，还要受到磁场的作用力。在考虑了上述效应后，他同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式。而菲涅耳理论所遇到的困难（不同频率的光有不同的以太）现已不存在。亨德里克·洛伦兹根据束缚电子的强迫振动并推出折射率随频率的变化。亨德里克·洛伦兹的上述理论被称为电子论，它获得了很大的成功。这样，在19世纪结束之前，所有的物理似乎简化为以太的物理。
在洛伦兹以太理论中，运动物体长度会发生变化，洛伦兹使用如下长度收缩公式(2.1)来表示物体在运动方向的变化，（L0是相对洛伦兹以太静止时的物体长度）
洛伦兹长度公式（2.1）提出后，能够解释迈克尔逊-莫雷以太实验的l零结果，但是在解释其它的以太实验中又出现了新的困难。在亨德里克·洛伦兹理论中，以太除了荷载电磁振动之外，不再有任何其他的运动和变化。这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参考系，它已失去了所有其他具体生动的物理性质，这又为它的衰落创造了条件。
20世纪
在1905年，阿尔伯特·爱因斯坦大胆抛弃了以太说，认为光速不变是基本的原理，并以此为出发点之一创立了狭义相对论。在1920年以前，爱因斯坦认为，以太显示其本身就是绝对静止这一毫无意义概念的化身。这暗示了以太存在并没有必要。
相关学说
19世纪，人们认为光和机械波类似，其传播也需要有介质，即：以太。当赫兹证明光是电磁波后，光以太观念和电磁以太统一起来了.光波需要借助于以太传播，在绝对静止以太中真空的光速等于c.若在以太中浸入某个相对于以太绝对静止的介质，则在其中光速等于c/n(n是介质的折射率).于是绝对静止的以太就充当了特殊惯性系的角色。实际上，地球上的测量仪器总是处于地球的大气层介质之内，在测量光速探索以太之前，应该回答相对于以太运动的介质中的光速的具体数值，这就牵涉运动介质和以太之间的关系。在19世纪曾经提出过三种假说，即：运动介质完全不拖曳说、运动介质完全拖曳说、运动介质部分拖曳说。
完全不拖曳说
完全不拖曳说认为，当物体运动时，运动的物体完全不拖动以太，以太永远绝对静止。假定运动物体速度为v，真空中光在静止以太中的速度为：c；光在静止坐标系下介质中的传播速度为：c/n，n是折射率。当运动介质相对静止以太向右运动时，光在运动坐标系下介质中的速度为：c/n-v.
完全拖曳说
以太完全拖曳说认为，当物体运动时，运动物体完全拖拽以太。假定运动物体速度为v，真空中，光在运动坐标系以太中的速度为c；光在运动坐标系下介质中的速度为：c/n，光在静止坐标系介质中的速度为c/n+v.。1846年，继菲涅尔后，乔治·斯托克斯也得到了物体在以太中的运动公式:(1-1/μ²)v，当折射率n＝1时，形式与菲涅尔部分拖曳以太学说相同，但解释不同，斯托克斯认为，以太可以视为一种完全不可压缩的流体，靠近地球表面以太与地球共同运动。
部分拖曳说
以太部分拖曳说以菲涅尔为代表，菲涅尔部分拖曳说认为，当物体运动时，运动的物体部分拖拽以太，拖曳系数用α表示，运动物体速度为v。在静止坐标系下，光在介质中的运动速度为：c/n+αv，在运动坐标系下介质中的光速为c/n+αv-v或者c/n-(1-α)v。部分拖曳说一度取得了很大的成功，但是到了1887年，迈克尔逊-莫雷实验（Michelson-Morley Experiment）的零结果使得菲涅尔以太部分拖曳说被抛弃。
支持观点
以太与光
1679年，艾萨克·牛顿在给英国著名化学家罗伯特·波义耳的信中提出了自己的以太观念，牛顿认为，以太通常会附着在物质上并产生密度不等的以太层，据此他进一步强调，在光通过小刀边缘的折射现象中，这些密度不等的以太起到了重要的作用。
17世纪，惠更斯认为，光的运动与以太有关；他指出，火焰、太阳、星星的外表由某种微粒构成，这种微粒通过快速震动更小的以太微粒来引起光的运动。惠更斯在其《论光》中也展示出了以太这种物质的特性，当时已经知道了能够传播声音的空气并不能传播光，因此，惠更斯认为，以太与空气并不是同一物质。
以太与引力
1920年，阿尔伯特·爱因斯坦在莱顿大学做了一个《以太和相对论》的报告，试图调和相对论和以太论。他在报告中指出，狭义相对论虽然不需要以太的概念，但是并未否定以太，而根据广义相对论，空间具有物理性质，在这个意义上，以太是存在的。他甚至说，根据广义相对论，没有以太的空间是无法想像的。爱因斯坦所说的“以太”其实是广义相对论中的度规场。
1951年，保罗·狄拉克(Paul Dirac)等人曾提出，在现代物理学中，量子真空（Quantum Vacuum）可能相当于以太粒子。
1959年，莫里斯（Maurice Allais）提出了一个以太假说，预测“以太风”的“风速”约为8km/s，远低于19世纪科学家所支持的30km/s的标准值，与迈克尔逊-莫雷以太实验、戴顿·米勒(Dayton C. Miller)的以太研究实验相一致。尽管该主张需要另一种新的引力理论，但他的假设在主流科学家中并没有得到支持。此外，1998年，物理学家艾伦·罗斯沃夫（Allen Rothwarf）在《Physics Essays》中发表了自己的以太模型，但该理论的前景并不明确。
2007年，学者R.A. Konoplya等人发展了一套阿尔伯特·爱因斯坦以太理论（Einstein-Aether Theory），在广义相对论中引入了以太概念，该理论声称，当局部亨德里克·洛伦兹对称被打破时，该理论可以取代广义相对论。然而，该理论正确与否仍然有待进一步检验。
反对观点
否定传统以太说的三个主要观点
第一点：
以太存在难以想象。根据当时的以太学说：以太是一种刚性的粒子，十分地坚硬，比最硬的物质金刚石还要硬上不知多少倍。同时又是如此稀薄，以致物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力，就像风穿过一小片丛林。然而事实是从来就没有任何人能够看到或者摸到这种以太，也没有实验测定到它的存在。星光穿越几亿亿公里的以太来到地球，然而这些坚硬无比的以太却不能阻挡任何一颗行星或者彗星的运动，哪怕是最微小的灰尘也不行。因此许多科学家怀疑以太的存在。不过以现在的观点看来也不算什么，现代物理学认为宇宙中存在着暗物质、暗能量。按照当时的观点来看也是难以理解的。
第二点：
迈克尔逊-莫雷等以太漂移实验的零结果。以太说认为以太是光媒介质，那么地球在以太中运动时，迈克尔逊干涉仪周围应有“以太风”，那么在不同方向运动的光速会有所不同，且在地球上各个方向的光速与地球运动应该符合伽利略变换，然而结果并非如此，并没有测到以太风，当时认为以太漂移速度上限仅仅是地球公转速度的六分之一。这一度让当时的科学家们十分不解。在迈克尔逊莫雷实验后，20世纪50年代，有科学家观测到以太漂移的上限（the upper 函数极限 on an ether drift）只有地球轨道速度的1/1000，该数值比迈克尔逊莫雷实验的数值还要低，实验结果更加接近于爱因斯坦狭义相对论，而不是以太理论，因此抛弃以太是一个很好的办法。
第三点：
在19世纪末20世纪初，虽然还有些科学家努力拯救以太，但在1905年，阿尔伯特·爱因斯坦大胆抛弃了以太说，认为发光以太是多余的，狭义相对论不需要绝对静止的空间。
影视中的以太
在美国《雷神2：黑暗世界》电影中，以太粒子象征着反派黑暗精灵的秘密武器。据电影介绍，雷神的女友——简发现了某个时空扭曲的引力场，当她试图进入该引力场探险时，却不幸被时空中封印的以太粒子附身。这种以太粒子不同于物理学中的以太，是电影中黑暗精灵的黑暗兵器，当黑暗精灵试图让宇宙重回黑暗时，却被代表光明力量的九大王国打败，以太粒子随之被封印。黑暗精灵就在首领玛勒基斯 （ 由克里斯托弗·埃克莱斯顿扮演）的带领下踏上了逃亡之路并伺机复仇，并杀害了雷神母亲。为了给母后报仇并毁灭以太粒子，雷神索尔和弟弟洛基不计前嫌，共同将雷神女友——简带到玛勒基斯面前，当他将“以太粒子”取出时加以毁灭，却出现了意外。
参考资料
以太.中国大百科全书出版社官网.2023-12-22
超距作用.中国大百科全书出版社官网.2023-12-22
爱因斯坦的“错误”:天才的人性弱点.凤凰网.2023-11-29
Isaac Newton's Letter to Boyle, on the Cosmic Ether of Space.Orgonelab.2023-12-12
Arago (1810): the first experimental result against the ether.iopscience.2023-12-07
迈克耳孙–莫雷实验.中国大百科全书出版社官网.2023-12-22
洛伦兹，H.A.中国大百科全书出版社官网.2023-12-23
Michelson-Morley Experiment.AIP Publishing.2023-12-12
The re-examination of Miller’s interferometric observations and of Esclangon’s observations.Fondationmauriceallais.2023-12-07
An Aether Model of the Universe. Physics Essays. Semanticscholar.2023-12-21
雷神2：黑暗世界.猫眼电影.2023-12-27