エーテル理論

物理学の歴史において、エーテル理論（またはエーテル理論）は、電磁力または重力の伝播のための伝送媒体として、空間を満たす物質または場である媒体の存在を提唱しました。特殊相対性理論の発展以来、実質的なエーテルを使用する理論は現代物理学では使用されなくなり、現在ではより抽象的なモデルに置き換えられています。

この近代初期のエーテルは、その名前の由来となった古典的な元素のエーテルとほとんど共通点がありません。さまざまな理論がこの媒体と物質のさまざまな概念を具体化しています。

アイザック・ニュートンは、光学第三書（第1版1704年、第2版1718年）でエーテルの存在を示唆している。「このエーテル媒体は、水、ガラス、水晶、​​その他の密集した高密度の物体から空の空間を抜けるときに、次第に密度が増し、それによって光線を一点ではなく徐々に曲線に曲げるのではないか？ ...この媒体は、太陽、恒星、惑星、彗星などの高密度の物体の中では、それらの間の空の天体空間よりもはるかに稀ではないか？そして、それらから遠く離れた場所を通過するときに、それは永遠に密度が増し、それによってそれらの大きな物体が互いに、そしてそれらの部分が物体に向かって重力を引き起こすのではないか？すべての物体は、媒体のより密度の高い部分からより稀な部分に向かって移動しようとするのではないか？」^[1]

19世紀には、光を運ぶエーテルを意味する発光エーテル（またはエーテル）が、光の伝播の理論上の媒体であった。ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、エーテルを使用して電気現象と磁気現象を説明するモデルを開発し、このモデルは現在マクスウェル方程式と呼ばれるものへとつながり、光は電磁波であるという理解が生まれた。 ^{[2]その後、1800年代後半には、}マイケルソン・モーリーの実験など、エーテルを通る地球の動きを検出しようとする一連のより慎重な実験が実施されたが、抵抗は検出されなかった。提案されたさまざまなエーテル抵抗理論は、このゼロ結果を説明できたが、これらはより複雑で、恣意的な係数と物理的仮定を使用する傾向があった。ジョセフ・ラーモアは、電子の加速によって引き起こされる移動する磁場の観点からエーテルを論じた。

ヘンドリック・ローレンツとジョージ・フランシス・フィッツジェラルドは、ローレンツのエーテル理論の枠組みの中で、マイケルソン・モーリーの実験がエーテルを介した運動を検出できなかった理由を説明した。しかし、当初のローレンツ理論では、エーテルを介した運動によって複屈折効果が生じると予測されていたが、レイリーとブレースはこれをテストしたが発見できなかった（レイリーとブレースの実験）。これらの結果はすべて、1904年にローレンツとジョセフ・ラーモアがローレンツ変換を完全に適用することを必要とした。 ^{[3] [4] [5] [6]}ヘルマン・ワイルは後に、マイケルソン、レイリー、その他の結果を要約して、エーテルは「物理学者の探究心を逃れるための最後の努力として、影の国へと消えていった」と書いている。^[7] 1905年にアルバート・アインシュタインが発表した特殊相対性理論は、より概念的に明瞭であっただけでなく、エーテルをまったく参照せずにすべての実験結果を説明することができました。これにより、ほとんどの物理学者は、初期の光伝導エーテルの概念は有用な概念ではないという結論に至りました。

16世紀から19世紀後半にかけて、重力の効果もエーテルを使ってモデル化されていた。マクスウェルは著書「電磁場の力学理論」の末尾の注釈で、電磁場に使用したのと似た媒体に基づく重力のモデルについて論じた。彼は、媒体は「膨大な固有エネルギー」を持ち、必然的に質量のある領域では減少しなければならないと結論付けた。彼は「媒体がそのような特性を持つことができる方法を理解できなかった」ため、それ以上追求しなかった。^[8]最もよく知られている定式化はル・サージュの万有引力理論であるが、アイザック・ニュートン、ベルンハルト・リーマン、ケルビン卿もこの考えのバリエーションを検討した。例えば、ケルビンは1873年にル・サージュのモデルに関するノートを発表し、その中でル・サージュの提案は熱力学的に欠陥があるとし、当時人気があった原子の渦理論を使ってそれを救済する方法を提案した。ケルビンは後に次のように結論付けた。

この物質の運動理論は夢であり、化学親和力、電気、磁気、重力、渦の塊（つまり、群集）の慣性を説明できるようになるまでは、他の何物でもあり得ない。ル・サージュの理論は、結晶の本質的な異方性と、重力の一見完全な等方性がなければ、渦理論に基づいて重力と質量の慣性との関係を説明できるかもしれない。この困難を克服したり、その側面を変えたりできる可能性のある道を指し示す指標は発見されていないし、発見できると想像されることもない。^[9]

これらの概念はいずれも、今日の科学界では実行可能であるとは考えられていません。

アルバート・アインシュタインは、一般相対性理論における重力場をエーテルという言葉で表現することがあったが、この相対論的エーテル概念と古典的エーテルモデルとの唯一の類似点は、空間に物理的特性が存在することであり、これは測地線で特定できる。ジョン・スタッケルなどの歴史家が主張するように、アインシュタインの「新しいエーテル」に関する見解は、1905年にエーテルを放棄したことと矛盾するものではない。アインシュタイン自身が指摘したように、その新しいエーテルには「物質」も運動状態も存在しない。^[10]アインシュタインの「エーテル」という言葉の使用は科学界でほとんど支持されず、現代物理学の継続的な発展に何ら役割を果たさなかった。^{[11] [12]}

量子力学は、時空が極めて小さなスケールでは空ではなく、変動し、非常に速く現れて消える粒子のペアを生成すると説明するために使用できます。ポール・ディラック^[13]などの一部は、この量子真空が現代物理学における粒子エーテルに相当する可能性があると示唆しています。しかし、ディラックのエーテル仮説は量子電磁力学に対する彼の不満から生まれたものであり、主流の科学コミュニティから支持されることはありませんでした。^[14]

物理学者ロバート・B・ラフリンはこう書いています。

アインシュタインの最も独創的な業績である一般相対性理論が、空間を媒体として概念化するに至ったのは皮肉なことである。彼の当初の前提（特殊相対性理論における）は、そのような媒体は存在しないというものだった [...] 「エーテル」という言葉は、過去に相対性理論に反対するものと関連していたため、理論物理学では非常に否定的な意味合いを持っている。これは残念なことである。なぜなら、これらの意味合いを取り除けば、この言葉はむしろほとんどの物理学者が真空について実際に考えている方法をうまく捉えているからである。... 相対性理論は、宇宙に遍在する物質の存在または非存在については実際には何も語っておらず、そのような物質は相対論的対称性を持たなければならないとだけ語っている。 [...] 結局、そのような物質は存在する。相対性理論が受け入れられ始めた頃、放射能の研究により、空間の空虚な真空は、通常の量子固体および流体に似た分光構造を持つことが示され始めた。その後の大型粒子加速器による研究により、空間は理想的なニュートンの空虚さというよりは、窓ガラスのようなものだということが今では分かっている。そこには、通常は透明な「物質」が詰まっていますが、十分に強く叩いて一部を叩き出すと、見えるようになります。現代の宇宙の真空の概念は、実験によって毎日確認されており、相対論的なエーテルです。しかし、受け入れられていない（タブーである）ため、私たちはそれをこのように呼びません。^[15]

ルイ・ド・ブロイは「孤立した粒子は、隠れた媒体と継続的に「エネルギー的に接触」していると想像する必要がある」と述べた。^{[16] [17]}しかし、ド・ブロイが指摘したように、この媒体は「相対性理論に反するため、普遍的な基準媒体として機能することはできない」。^[16]

• ダリゴル、オリヴィエ（2000年）。『アンペールからアインシュタインまでの電気力学』オックスフォード：クラレンドン・プレス。ISBN 978-0-19-850594-5。
• Decaen, Christopher A. (2004 年 7 月). 「アリストテレスのエーテルと現代科学」. The Thomist . 68 (3): 375–4295. doi :10.1353/tho.2004.0015. S2CID  171374696. 2012 年 3 月 5 日にオリジナルからアーカイブ。2024年 10 月 17 日に閲覧。
• Epple, M. (1998)。「位相幾何学、物質、空間、I: 19 世紀自然哲学における位相概念」、Archive for History of Exact Sciences 52: 297–392。
• ハーマン、PH（1982）。『エネルギー、力、物質：19世紀物理学の概念的発展』ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-28812-5。
• ジョセフ・ラーモア（1911年）。「エーテル」 。ブリタニカ百科事典。 Vol. 1（第11版）。 292～297ページ。
• オリバー・ロッジ、「エーテル」、ブリタニカ百科事典、第 13 版 (1926 年)。
• マッケイ、ジョン・スタージョン（1878）。「エーテル（2）」 。ブリタニカ百科事典。第8巻（第9版）。pp.655-658。
• シャフナー、ケネス F. (1972)。『19世紀のエーテル理論』オックスフォード: ペルガモン プレス。ISBN 978-0-08-015674-3。
• ウィテカー、エドマンド・テイラー（1910年）。エーテルと電気の理論の歴史（第1版）。ダブリン：ロングマン、グリーン＆カンパニー。
• 「電気と磁気の途方もなく簡潔な歴史。主に E.T. ウィテカーの『エーテルと電気の理論の歴史』より」。( PDF形式)