エーテル抗力仮説

19 世紀には、光波の伝播のための仮想媒体としての光伝導エーテルの理論が広く議論されました。エーテル仮説が生ま​​れたのは、当時の物理学者が、光波が伝播するための物理的な媒体なしに伝播することを想像できなかったためです。実験で仮説上の光伝導エーテルを検出できなかったとき、物理学者は実験の失敗に対する説明を考案し、仮説上のエーテルの存在を維持しました。

エーテル引きずり仮説は、光を発するエーテルが運動する物質に引きずられるか、物質内に取り込まれるという仮説である。この仮説の 1 つのバージョンによれば、地球とエーテルの間には相対的な動きは存在しない。別のバージョンによれば、地球はエーテルに対して移動しており、測定される光の速度はこの動きの速度 (「エーテル風」) に依存するはずであり、この速度は地球表面に静止している機器によって測定できるはずである。1818 年、オーギュスタン＝ジャン・フレネルはエーテルが物質に部分的に取り込まれるという仮説を提唱した。1845 年、ジョージ・ストークスはエーテルが物質内または物質付近に完全に取り込まれるという仮説を提唱した。

フレネルのほぼ定常な理論はフィゾーの実験（1851年）で確認されたが、ストークスの理論はマイケルソン・モーリーの実験（1881年、1887年）で確認された。ヘンドリック・ローレンツは、この矛盾した状況を、エーテルの引きずりを一切排除した自身のエーテル理論で解決した。アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論（1905年）は、エーテルを機械的媒体として排除している。^{[1] [2] [3]}

1810 年、フランソワ・アラゴは、粒子理論によって予測される物質の屈折率の変化が、光速度の測定に有用な方法となることに気付きました。これらの予測は、ガラスなどの物質の屈折率が空気とガラス内の光の速度の比に依存することから生まれました。アラゴは、望遠鏡の前面にあるガラスのプリズムによって光の粒子がどの程度屈折するかを測定しようとしました。彼は、星の速度や地球の動きが 1 日や 1 年のさまざまな時間によって異なるため、屈折角の範囲が異なると予想しました。この予想に反して、彼は星間、1 日のさまざまな時間、季節間での屈折に違いがないことを突き止めました。アラゴが観測したのは、通常の恒星の行差だけでした。^[4]

1818 年、オーギュスタン＝ジャン・フレネルは光の波動理論を用いてアラゴの結果を検証した。彼は、たとえ光が波として伝わったとしても、地球が自転し季節が変わるとガラスがエーテル中を移動して異なる速度で入ってくる波に当たるため、ガラスと空気の界面の屈折率は変化するはずだと気づいた。フレネルは、ガラスのプリズムがエーテルの一部を一緒に運ぶため、「プリズム内部にエーテルが過剰に存在する」と提案した。^[5]彼は波の伝播速度が媒体の密度に依存することに気づき、プリズム内の光の速度は「抗力」の量によって調整する必要があると提案した。調整なしのガラス内の 光の速度は次のように表される。${\displaystyle v_{n}}$

${\displaystyle v_{n}={\frac {c}{n}}}$

抗力調整は次のように表されます。 ${\displaystyle v_{d}}$

${\displaystyle v_{d}=v\left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)}$

ここで、は環境内のエーテル密度、はガラス内のエーテル密度、 はエーテルに対するプリズムの速度です。 ${\displaystyle \rho_{e}}$${\displaystyle \rho_{g}}$${\displaystyle v}$

屈折率 n はエーテルの密度に依存するため、この係数はと表すことができます。これはフレネル抵抗係数として知られています。ガラス内の光の速度は次のように表されます。 ${\displaystyle \left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)}$${\displaystyle \left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

${\displaystyle V={\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

この修正は、アラゴの実験の無結果を説明するのに成功しました。この修正は、空気ではなくガラスなどの物質によって引きずられる、ほぼ静止したエーテルの概念を導入しました。この修正の成功により、光の波動理論が以前の粒子理論よりも有利になりました。

フレネルの抗力係数は、フィゾーの実験とその繰り返しによって直接確認されました。一般に、この係数の助けを借りて、一次効果を検出できるほど十分に感度の高いすべての光エーテルドリフト実験（アラゴ、フィゾー、フック、エアリー、マスカールの実験など）の否定的な結果を説明することができます。（ほぼ）静止したエーテルの概念は、恒星の行差とも一致しています。しかし、この理論は次の理由により反証されていると考えられています：^{[1] [2] [3]}

• エーテルの部分的な引きずりには、異なる色の光に対してエーテルと物質の相対速度が異なる必要があることは 19 世紀にすでに知られていましたが、明らかにそうではありません。
• フレネルの（ほぼ）定常なエーテルの理論は、二次効果を検出できるほど感度の高い実験によって肯定的な結果が予測される。しかし、マイケルソン・モーリーの実験やトラウトン・ノーブルの実験などの実験では、誤差の範囲内で否定的な結果が出たため、フレネルのエーテルの反証と見なされている。
• 1935年にグスタフ・ヴィルヘルム・ハマーが行ったハマー実験では、共通経路干渉計が使用された。干渉計の片方の脚の両側にのみ、巨大な鉛のブロックが設置された。この配置により、エーテル抵抗の量が異なり、したがって肯定的な結果がもたらされるはずであった。しかし、結果は再び否定的であった。^[6]

ジョージ・ストークス（1845）にとって、運動する物質によって全く影響を受けない、あるいは部分的にしか影響を受けないエーテルのモデルは不自然で説得力のないものであったため、彼はエーテルが物質の内部および近傍では完全に引きずられ、より遠い距離では部分的に引きずられ、自由空間では静止していると仮定した。 ^{[7] [8] [9] [10]}また、ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツ（1890）は、マクスウェルの電磁気学理論の詳細化の中に完全なエーテル引きずりモデルを取り入れ、それをガリレイの相対性原理と一致させた。つまり、ある基準系でエーテルが物質内で静止していると仮定すると、ガリレイ変換により、物質と（引き込まれた）エーテルは別の基準系では同じ速度で移動するという結果になる。^[1]

完全なエーテル引きずりは、すべてのエーテルドリフト実験（マイケルソン・モーリー実験など）の否定的な結果を説明できる。しかし、この理論は以下の理由から間違っていると考えられている：^{[1] [11]}

• フィゾーの実験（1851年）では、光の部分的な同調のみが示されました。
• サニャック効果は、回転するプラットフォーム上で同じ光源から異なる方向に放射された 2 本の光線が、光源に戻るのに異なる時間を要することを示しています。ただし、エーテルがプラットフォームによって完全に引きずられる場合、この効果はまったく発生しません。
• オリバー・ロッジは1890年代に、光の伝播が大きな回転する質量の近くにあることによって影響を受けるという証拠を求めて実験を行ったが、そのような影響は見つからなかった。^{[12] [13]}

• これは恒星行差の現象と矛盾しています。恒星行差では、望遠鏡で見た星の位置は、中心位置の両側に 6 か月ごとに約 20.5 秒角ずつ揺れます。この揺れの量は、地球の軌道上の移動速度を考慮すると予想される量です。 1871 年にエアリーは、望遠鏡が水で満たされていても恒星行差が発生することを実証しました。エーテル抵抗仮説が正しい場合は、光は望遠鏡とともに移動するエーテル内を移動するため、恒星行差は発生しないと思われます。トンネルに入ろうとしている列車のバケツについて考えてみましょう。水滴がトンネルの入り口からバケツの真ん中に落ちます。水滴はバケツの底の中心には当たりません。バケツは望遠鏡のチューブに似ており、水滴は光子、列車は地球です。エーテルが引きずられると、滴は落下時に列車と一緒に移動し、底のバケツの中心に衝突します。恒星の光行差の量は、次のように表されます。${\displaystyle \alpha}$

${\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {v\delta t}{c\delta t}}.}$それで：${\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {v}{c}}}$

地球が太陽の周りを回る速度は v = 30 km/s で、光の速度は c = 299,792,458 m/s なので、6 か月ごとに = 20.5 秒角になります。この程度の偏差が観測され、これは完全なエーテル抵抗仮説と矛盾しています。${\displaystyle \alpha}$

ストークスは1845年にすでに、彼の理論を実験結果と一致させるためにいくつかの追加の仮定を導入していた。光行差を説明するために、彼は非圧縮性エーテルは非回転性でもあると仮定した。これは、彼の特定のエーテル抗力モデルと関連して、正しい光行差の法則を与えるだろう。^[7]フレネルの抗力係数を再現するために（したがってフィゾーの実験を説明するために）、彼はエーテルが媒体内で完全に抗力されると主張した。つまり、エーテルは媒体に入ると凝縮し、再び媒体から出ると希薄になり、それがエーテルの速度と光の速度を変え、フレネルと同じ式につながる。^[8]

ストークスの光行差理論はしばらくの間実行可能と考えられていたが、1886年にローレンツが、ストークスの理論のようにエーテルが非圧縮性である場合、エーテルが地球と同じ法線方向の速度成分を持つ場合、同じ接線方向の速度成分を持たないため、ストークスが提示したすべての条件を同時に満たすことはできないと主張したため、この理論は放棄されなければならなかった。^[14]

ストークスのモデルの別のバージョンは、テオドール・デ・クードレとヴィルヘルム・ウィーン(1900) によって提案されました。彼らは、エーテルの引きずりは重力質量に比例すると仮定しました。つまり、エーテルは地球によって完全に引きずられ、地球上のより小さな物体によって部分的に引きずられるだけです。^[15]そして、ストークスの行間差の説明を守るために、マックス・プランク(1899) はローレンツへの手紙の中で、エーテルは非圧縮性ではなく、地球の近くの重力によって凝縮される可能性があり、これがストークスの理論 (「ストークス・プランク理論」) に必要な条件を与えると主張しました。上記の実験と比較すると、このモデルはフィゾーとサニャックの実験の肯定的な結果を説明できます。なぜなら、これらの機器の小さな質量はエーテルを部分的にしか (またはまったく) 引きずることができないためです。また、同じ理由で、ロッジの実験の否定的な結果も説明できます。エーテルは地球の大きな質量によって完全に引きずられるため、これはハマーとマイケルソン・モーリーの実験とも一致します。

しかし、この理論はマイケルソン・ゲール・ピアソンの実験（1925年）によって直接反証された。この実験が通常のサニャックの実験と大きく異なるのは、地球の自転自体が測定されたことである。エーテルが地球の重力場によって完全に引きずられると、否定的な結果が予想されるが、結果は肯定的であった。^[11]

理論的な面では、ヘンドリック・アントーン・ローレンツは、ストークス・プランク仮説では、光の速度はエーテルの50,000倍の密度増加によって影響を受けないことが必要であると指摘しました。そのため、ローレンツとプランク自身はこの仮説はありそうにないとして否定しました。^{[1] [16]}

ローレンツはストークスの仮説を放棄せざるを得なかったため、出発点としてフレネルのモデルを選んだ。^[要出典]彼は1892年にフレネルの抗力係数を再現することができたが、ローレンツの理論ではそれは光波の伝播の修正を表しており、エーテルの引き込みの結果ではない。したがって、ローレンツのエーテルは完全に静止しているか不動である。しかし、これはフレネルのモデルがすでに抱えていたのと同じ問題につながる。それはマイケルソン・モーリーの実験と矛盾していたのだ。そこで、ジョージ・フランシス・フィッツジェラルド（1889年）とローレンツ（1892年）は長さの収縮を導入した。つまり、すべての物体は運動の線に沿って係数 だけ収縮する。さらに、ローレンツの理論ではガリレイ変換がローレンツ変換に置き換えられた。^[17]${\displaystyle {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

しかし、静止エーテル概念を救済するための仮説の蓄積は非常に不自然であると考えられました。そこで、特殊相対性理論を展開し、完全なローレンツ変換を導くためには、相対性原理とすべての慣性系における光速度の不変性を仮定するだけでよいことを認識したのは、アルバート・アインシュタイン（1905年）でした。これはすべて、静止エーテル概念を使用せずに行われました。^[18]

マックス・フォン・ラウエ(1907)が示したように、特殊相対性理論は、エーテルを必要とせずに速度加法定理からフィゾーの実験の結果を予測します。がフィゾー装置に対する光の速度、 が水に対する光の速度、 が水の速度である場合: ${\displaystyle V}$${\displaystyle U}$${\displaystyle v}$

${\displaystyle U={\frac {c}{n}}}$

${\displaystyle V={\frac {c/n+v}{1+v/nc}}}$

これは、v/c が小さい場合は二項展開を使用して次のように展開できます。

${\displaystyle V\approx {\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

これはフレネル方程式と同一である。^[19]

モーリス・アレは1959年に、風速が約8km/sであるエーテル仮説を提唱した。これは19世紀の科学者が支持していた標準値の30km/sよりもはるかに低く、マイケルソン・モーリー実験やデイトン・ミラー実験^[20] 、さらには一般相対性理論では予測できない物議を醸したアレ効果に関する彼自身の実験^{[21] [22]}と互換性があった。彼は重力の別の理論の必要性を主張したにもかかわらず^[23]、彼の仮説は主流の科学者の間で大きな支持を得なかった。

現代物理学（相対性理論と量子力学に基づく）では、「運動状態」を持つ「物質」としてのエーテルはもはや何の役割も果たしていません。そのため、科学界では「エーテル抵抗」の可能性に関する疑問はもはや意味があるとは考えられていません。しかし、一般相対性理論で予測されているように、回転する質量が時空計量を歪め、近くの粒子の軌道の歳差運動を引き起こすフレームドラッグは存在します。しかし、この効果は、この記事で説明されているどの「エーテル抵抗」よりも桁違いに弱いものです。

• 特殊相対性理論の歴史
• 特殊相対性理論のテスト
• 一般相対性理論のテスト
• フレームドラッグ

• ウィキブックス: 特殊相対性理論
• レズニック、ロバート、「相対性理論と初期量子理論の基本概念」、1972年、John Wiley and Sons Inc.

• Mathpages: ストークスの間違い