光伝導エーテル

発光エーテルまたはエーテル^[1]（発光は「光を運ぶ」という意味）は、光の伝播のための仮定された媒体でした。^{[2]これは、明らかに}波動ベースの光が空の空間（真空）を伝播する能力を説明するために引用されました。これは波ではできないはずです。空間真空ではなく発光エーテルの空間プレナム（物質で完全に満たされた空間）を仮定することで、光の波動理論に必要な理論的媒体が提供されました。

エーテル仮説は、物理的物体と相互作用しない目に見えない無限の物質の存在を前提としていたため、その歴史を通じてかなりの議論の的となってきました。特に 19 世紀に光の性質が研究されるにつれて、エーテルに求められる物理的性質はますます矛盾するようになりました。19 世紀後半には、エーテルの存在は疑問視されていましたが、エーテルに代わる物理理論はありませんでした。

マイケルソン・モーリーの実験(1887)の否定的な結果は、エーテルが存在しないことを示唆し、この発見は 1920 年代を通じてその後の実験で確認された。これにより、エーテルなしでの光の伝播を説明するためにかなりの理論的研究がなされた。大きな進歩は特殊相対性理論であり、実験でエーテルが見られなかった理由を説明できたが、より広く解釈すると、エーテルは必要なかったことを示唆するものとなった。マイケルソン・モーリーの実験は、黒体放射体や光電効果とともに、相対性理論と量子論の両方を含む現代物理学の発展における重要な実験であり、量子論は光の粒子のような性質を説明するものである。

17 世紀、ロバート・ボイルはエーテル仮説を提唱した。ボイルによれば、エーテルは微細な粒子から成り、その 1 つは真空の不在と物体間の機械的相互作用を説明し、もう 1 つは、マクロな物体の純粋に機械的相互作用に基づいては説明できない磁気 (およびおそらく重力) などの現象を説明する。「古代のエーテルでは、拡散した非常に微細な物質以外は何も注目されていなかったが、現在では、北極と南極の間を一定の経路で移動する一群の流れが常に空気中に存在すると認めて満足している」^{[3] 。}

クリスティアーン・ホイヘンスの『光論』（1690年）は、光はエーテルを伝わる波であると仮定した。彼とアイザック・ニュートンは、光波は縦波であり、流体中の音波やその他の機械的波のように伝わるものとしか考えられなかった。しかし、縦波は、横波のように2つの偏光を持つのではなく、与えられた伝わる方向に対して必然的に1つの形しか持たない。したがって、縦波は、光の2つの偏光が結晶によって異なる屈折をする複屈折を説明できない。さらに、ニュートンは、そのような媒体は空間のあらゆる場所に広がる必要があり、それによって「それらの大きな物体（惑星や彗星）の運動を妨げ、遅らせる」ため、「それ（光の媒体）は役に立たず、自然の働きを妨げ、衰弱させるので、その存在の証拠はなく、したがってそれは拒否されるべきである」として、光を媒体中の波として否定した。^[4]

アイザック・ニュートンは、光は多数の小さな粒子でできていると主張した。これは、光が直線的に移動したり、表面で反射したりする能力などの特徴を説明できる。ニュートンは、光の粒子を、複屈折を引き起こす異なる「面」を持つ非球形の「粒子」として想像した。しかし、光の粒子理論では、屈折と回折を十分に説明できない。^[5]屈折を説明するために、ニュートンの光学書第 3版 (第 1 版 1704、第 4 版 1730) は、光よりも速く振動を伝達する「エーテル媒体」を仮定し、光がそれに追いつかれると、「容易な反射と容易な伝達の発作」に陥り、屈折と回折を引き起こす。ニュートンは、これらの振動が熱放射に関連していると信じていた。

暖かい部屋の熱は、空気が抜かれた後も真空中に残った空気よりはるかに微妙な媒体の振動によって真空中を運ばれるのではないだろうか。そしてこの媒体は、光が屈折したり反射したりする媒体と同じではないだろうか。その振動によって光は物体に熱を伝え、容易に反射したり容易に透過したりする。^{[A 1] : 349}

熱放射と光はどちらも電磁放射 であるという現代の理解とは対照的に、ニュートンは熱と光を2つの異なる現象とみなしました。彼は熱振動が「透明な物体の表面に光線が当たると」励起されると信じていました。^{[A 1] : 348}彼は「このエーテルが何であるかはわかりません」と書いていますが、それが粒子で構成されているのであれば、それらは

空気の粒子、あるいは光の粒子よりも極めて小さい。その粒子の極めて小さいことは、粒子が互いに離れる力の大きさに寄与し、それによってその媒体は空気よりも極めて希薄で弾力性があり、その結果、発射物の動きに抵抗する能力が極めて低く、膨張しようとすることで粗大物体に圧力をかける能力が極めて高いものとなる。^{[A 1] : 352}

1720 年、ジェームズ ブラッドリーは、一年のさまざまな時期に星を測定して恒星の視差を測定しようとする一連の実験を行いました。地球が太陽の周りを移動すると、特定の遠方点に対する見かけの角度が変わります。これらの角度を測定することで、太陽の周りを回る地球の既知の軌道円周に基づいて恒星までの距離を計算できます。視差は検出されなかったため、恒星までの距離の下限が定められました。

これらの実験中、ブラッドリーは関連する効果も発見しました。星の見かけの位置は 1 年の間に変化しましたが、予想どおりではありませんでした。見かけの角度が最大になるのは、地球が星に対して軌道のどちらかの端にあるときではなく、地球が星に対して横方向の速度が最も速いときでした。この効果は現在、恒星行差として知られています。

ブラッドリーは、ニュートンの光子理論の文脈でこの効果を説明し、垂直に落下する雨滴が斜めに動く物体に当たるのと同じように、光行角は地球の軌道速度と光子の速度の単純なベクトル加算で与えられることを示しました。地球の速度と光行角を知ることで、彼は光の速度を推定することができました。

エーテルに基づく光理論の文脈で恒星の光行差を説明することは、より困難であると考えられていました。光行差は相対速度に依存し、測定された速度は地球の運動に依存するため、地球が恒星の中を移動する間、エーテルは恒星に対して静止したままでなければなりませんでした。これは、地球が物理的媒体であるエーテルの中を移動しても、明らかな影響がないことを意味します。まさにこれが、ニュートンがそもそも波動モデルを否定することになった問題です。

1 世紀後、トーマス・ヤング^[a]とオーギュスタン＝ジャン・フレネルは、光は縦波ではなく横波である可能性があると指摘し、光の波動理論を復活させました。横波の偏光 (ニュートンの光の「側面」のように) は複屈折を説明でき、回折に関する一連の実験の結果、ニュートンの粒子モデルは最終的に放棄されました。さらに物理学者は、機械波と同様に、光波は伝播するための媒体を必要とし、したがって、ホイヘンスのエーテル「ガス」がすべての空間に浸透するというアイデアが必要であると想定しました。

しかし、横波は、伝播する媒体が流体ではなく固体として振舞うことを必要とするようです。他の物質と相互作用しない固体という考えは少々奇妙に思え、オーギュスタン＝ルイ・コーシーは、おそらく何らかの「引きずり」または「引き込み」があるのではないかと示唆しましたが、これによって収差測定が理解しにくくなりました。また、彼は縦波がないことはエーテルが負の圧縮性を持っていることを示唆しているとも示唆しました。ジョージ・グリーンは、そのような流体は不安定であると指摘しました。ジョージ・ガブリエル・ストークスは引き込み解釈の擁護者となり、エーテルが松脂のように膨張性（低速では流体、高速では剛性）である可能性があるというモデルを開発しました。したがって、地球はエーテルの中をかなり自由に移動できますが、光を支えるのに十分な剛性があります。

1856年、ヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバーとルドルフ・コールラウシュは、静電電荷の単位と電磁電荷の単位の比の数値を測定しました。彼らは、静電電荷の単位と電磁電荷の単位の比が光速cであることを発見しました。^[7]翌年、グスタフ・キルヒホフは、電線に沿った信号の速度が光速に等しいことを示す論文を書きました。これらは、光の速度と電磁気現象の間の最初の記録された歴史的なつながりです。

ジェームズ・クラーク・マクスウェルはマイケル・ファラデーの磁力線の研究を始めた。1861年の論文「物理的磁力線について」で彼はこれらの磁力線を分子渦の海を使ってモデル化した。分子渦はエーテルと通常の物質でできていると彼は考えた。彼はこの弾性媒体の横弾性と密度から誘電率と透磁率の式を導いた。次に彼は誘電率と透磁率の比をウェーバーとコールラウシュの1856年の結果をうまく改変したものと等しくし、この結果をニュートンの音速の式に代入した。イポリット・フィゾーが測定した光速に近い値を得たマクスウェルは、光は電気現象と磁気現象の原因である同じ媒体の波動であると結論した。^{[B 1] [B 2] [B 3] [B 4]}

しかし、マクスウェルは分子渦の正確な性質に関して不確かな点があることを表明していたため、純粋に動力学的なアプローチで問題に取り組み始めた。1864年に彼は「電磁場の動力学理論」と題する別の論文を書いたが、この論文では発光媒体の詳細はそれほど明確ではなかった。^{[A 2]}マクスウェルは分子渦の海については明確には言及しなかったが、アンペールの回路法則の導出は1861年の論文から引き継がれ、電磁場内の回転運動を伴う動力学的なアプローチを使用し、これをフライホイールの作用に例えた。このアプローチを使用して起電力方程式（ローレンツ力方程式の前身）を正当化し、論文に登場した起電力方程式とアンペールの回路法則を含む8つの方程式のセットから波動方程式を導出した。^{[A 2]}マクスウェルは再びウェーバーとコールラウシュの実験結果を用いて、この波動方程式が光速で伝播する電磁波を表していることを示し、光が電磁放射の一種であるという見解を支持した。

1887年から1889年にかけて、ハインリヒ・ヘルツは電磁波が光波と同一であることを実験的に実証した。この電磁波と光学の統合は、多くの異なる種類のエーテル媒体ではなく、単一の光伝導エーテルが存在することを示唆した。^[8]

このようなヘルツ波（後に電波と呼ばれる）の伝播媒体が必要であることは、これらの波が直交する電気（E）波と磁気（BまたはH）波で構成されていることからも明らかである。E波は波動双極子電場で構成され、このような双極子はすべて、分離した反対の電荷を必要とすると思われる。電荷は物質の切り離せない特性であるため、波の伝播経路に沿ったどの点でも存在しなければならないと思われる交流電流を供給するには、何らかの形の物質が必要であるように思われた。真真空中での波の伝播は、電荷を伴わない電場、または物質を伴わない電荷の存在を意味する。マクスウェル方程式とは互換性があるものの、真空中では電場の電磁誘導を実証することはできなかった。なぜなら、電場を検出するすべての方法は帯電した物質を必要とするからである。

さらに、マクスウェル方程式では、真空中のすべての電磁波は一定の速度cで伝播することが求められました。これはニュートン物理学の1 つの基準フレームでのみ発生するため(ガリレイの相対性理論を参照)、エーテルはマクスウェル方程式が成り立つ絶対的かつ唯一の基準フレームであると仮定されました。つまり、エーテルは普遍的に「静止」している必要があり、そうでなければc はそれを支える媒体で発生する可能性のある変化に応じて変化します。マクスウェル自身は、車輪と歯車に基づくエーテルのいくつかの機械的モデルを提案し、ジョージ フランシス フィッツジェラルドはそれらの 1 つの実用的なモデルを構築しました。これらのモデルは、電磁波は横方向であり、縦方向ではないという事実に一致している必要がありました。

この時点で、エーテルの機械的性質はますます魔法のようになっていた。エーテルは空間を満たすために流体でなければならなかったが、光波の高周波を支えるために鋼鉄よりも何百万倍も硬いものでなければならなかった。また、エーテルは質量がなく粘性もなかった。そうでなければ、エーテルは惑星の軌道に目に見える影響を与えてしまう。さらに、エーテルは完全に透明で、分散せず、圧縮できず、非常に小さなスケールで連続的でなければならなかったようだ。^{[9]マクスウェルは}ブリタニカ百科事典に次のように書いている。^{[A 3]}

エーテルは、惑星が泳ぐために、電気的な大気と磁気的な気流を構成するために、私たちの体のある部分から他の部分に感覚を伝えるために、などのために発明され、最終的にすべての空間がエーテルで3倍または4倍に満たされました。... 生き残った唯一のエーテルは、光の伝播を説明するためにホイヘンスによって発明されたものです。

20 世紀初頭までに、エーテル理論は問題を抱えていた。19 世紀後半には、地球のエーテルを介した運動を検出しようとする一連の複雑な実験が行われていたが、検出には至らなかった。提案されたエーテル引きずり理論の範囲は、このゼロ結果を説明できたが、これらはより複雑で、恣意的な係数や物理的仮定を使用する傾向があった。ローレンツとフィッツジェラルドは、ローレンツ エーテル理論の枠組みの中で、絶対エーテルの運動が検出不可能になる理由 (長さの収縮) について、よりエレガントな解決法を提示したが、彼らの方程式が正しければ、新しい特殊相対性理論(1905 年) は、エーテルをまったく参照せずに同じ数学を生成することができた。エーテルはオッカムの剃刀にかかってしまった。^{[B 1] [B 2] [B 3] [B 4]}

地球とエーテルの相対運動を記述することを目的とした最も重要な2つのモデルは、オーギュスタン＝ジャン・フレネル（1818）による、フレネルの抗力係数によって決定される部分的なエーテル抗力を含む（ほぼ）静止したエーテルのモデル^{[A 4]}と、ジョージ・ガブリエル・ストークス（1844）による完全なエーテル抗力のモデル^{[A 5]でした。後者の理論は、}光の行差 と互換性がなく、この問題を説明するために開発された補助仮説が説得力のないものであったため、正しいとは考えられませんでした。また、サニャック効果（1913）などのその後の実験も、このモデルが支持できないことを示ししかし、フレネルの理論を裏付ける最も重要な実験は、フレネルの1818年の予測をフィゾーが1851年に実験的に確認したものであり、その予測とは、屈折率nの媒体が速度vで移動すると、媒体をvと同じ方向に移動する光の速度がc / nから次のように増加するというものである。^{[E 1] [E 2]}

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

つまり、動きによって光に加えられるのは、媒体の速度のほんの一部だけである (これは、スネルの法則がすべての参照フレームで機能し、恒星の光行差と一致するようにフレネルが予測した)。これは当初、媒体がエーテルを媒体の速度の一部で引きずるという意味だと解釈されたが、ヴィルヘルム・フェルトマンがフレネルの式の指数n は光の波長に依存し、エーテルは波長に依存しない速度で動くことはできないことを実証した後、この理解は非常に問題となった。これは、無限に多い周波数ごとに別々のエーテルが存在する必要があることを意味した。

フレネルのエーテル仮説の主な難しさは、ニュートン力学とマクスウェルの電磁気学という 2 つの確立された理論を並置したことから生じました。ガリレイ変換の下では、ニュートン力学の方程式は 不変ですが、電磁気学の方程式は不変ではありません。基本的にこれは、非加速実験では物理学は同じままである一方、光は普遍的な「エーテル フレーム」内を移動しているため、同じ規則には従わないことを意味します。この違いによって生じる何らかの効果は検出できるはずです。

簡単な例として、エーテルがもともと構築されたモデルである音を挙げます。機械波の伝播速度、つまり音速は、媒体の機械的特性によって定義されます。音は、水中では空気中よりも 4.3 倍速く伝わります。これは、水中で爆発音を聞いて急いで浮上した人が、より遅い伝搬音が空気中を伝わってくるため、爆発音をもう一度聞くことができる理由を説明しています。同様に、旅客機に乗っている旅行者は、言葉の音が航空機内の空気とともに伝わるため、他の旅行者と会話を続けることができます。この効果は、ニュートン力学の基本であり、航空機が飛行中 (少なくとも一定速度で) は、地面に静止しているかのように、音から投げられた野球ボールの軌道まで、すべてが同じままであるはずだとしています。これがガリレイ変換と基準フレームの概念の基礎です。

しかし、光については同じことが当てはまらないはずでした。マクスウェルの数学では、光の伝播には単一の普遍的な速度が求められていましたが、これは局所的な条件ではなく、自由空間の誘電率と透磁率という 2 つの測定された特性に基づいており、これらは宇宙全体で同じであると想定されていました。これらの数値が変化すれば、空に顕著な影響が出るはずです。たとえば、方向の異なる星は異なる色になります。^{[検証が必要]}

したがって、どの地点でも「エーテルに対して静止している」特別な座標系が 1 つあるはずです。マクスウェルは 1870 年代後半に、このエーテルに対する動きを検出するのは簡単なはずだと指摘しました。地球の動きに合わせて移動する光は、逆方向に移動する光とは異なる速度を持ちます。どちらも動かないエーテルに逆らって移動するためです。エーテルに全体的に普遍的な流れがあったとしても、昼夜サイクル中や季節の期間に位置が変化すれば、その変動を検出できるはずです。

フレネルによればエーテルはほぼ静止しているが、彼の理論ではエーテルドリフト実験の正の結果はにおける2次までしか予測されない。これはフレネルの引きずり係数がにおける1次までの効果を測定できるすべての光学実験で負の結果をもたらすためである。これは以下の 1 次実験で確認され、いずれも負の結果となった。以下のリストはヴィルヘルム・ウィーン(1898) の記述に基づいており、エドモンド・テイラー・ウィテカー(1910) とヤコブ・ラウブ(1910)の記述に従って変更および追加実験が加えられている: ^{[B 5] [B 1] [B 6]}${\displaystyle v/c}$${\displaystyle v/c}$

• フランソワ・アラゴ(1810)の実験は、屈折、つまり光の収差が地球の運動によって影響を受けるかどうかを確認するものでした。同様の実験は、ジョージ・ビデル・エアリー(1871) が水を満たした望遠鏡を使って、またエリューテール・マスカール(1872) が行いました。^{[E 3] [E 4] [E 5]}
• フィゾーの実験 (1860) は、ガラス柱を通る偏光面の回転が地球の運動によって変化するかどうかを調べるものでした。彼は肯定的な結果を得ましたが、ローレンツは結果が矛盾していることを証明しました。デウィット・ブリストル・ブレイス(1905) とシュトラッサー (1907) は精度を高めて実験を繰り返し、否定的な結果を得ました。^{[E 6] [E 7] [E 8]}
• マルティン・フックの実験(1868)。この実験はフィゾーの実験(1851)のより精密なバリエーションです。2 本の光線が反対方向に送られました。1 本は静止した水で満たされた経路を通り、もう 1 本は空気中の経路をたどります。フレネルの抗力係数と一致して、彼は負の結果を得ました。^{[E 9]}
• ヴィルヘルム・クリンカーフース(1870)の実験では、地球の運動がナトリウムの吸収線に影響を及ぼすかどうかが調べられた。彼は肯定的な結果を得たが、これは実験誤差であることが判明した。なぜなら、ハガ(1901) による実験の繰り返しで否定的な結果が得られたからである。^{[E 10] [E 11]}
• ケッテラー (1872) の実験では、干渉計の 2 本の光線を、互いに傾いた 2 本の管に水を入れて反対方向に送った。干渉縞に変化は見られなかった。後にマスカー (1872) は、方解石の偏光干渉縞も影響を受けないことを示した。^{[E 12] [E 13]}
• 1872年、エリューテール・マスカールは、石英の偏光面の回転の変化を調べる実験を行った。光線が地球の運動方向から逆方向に向いたときには、回転の変化は見られなかった。レイリー卿は、精度を高めた同様の実験を行い、やはり否定的な結果を得た。^{[E 5] [E 13] [E 14]}

これらの光学実験に加えて、電気力学の一次実験も行われ、フレネルによれば肯定的な結果につながるはずであった。しかし、ヘンドリック・アントーン・ローレンツ（1895）はフレネルの理論を修正し、これらの実験も静止エーテルによって説明できることを示した：^{[A 6]}

• ヴィルヘルム・レントゲン（1888年）の実験。充電されたコンデンサが地球の運動によって磁力を生成するかどうかを調べる。^{[E 15]}
• テオドール・デ・クードレの実験（1889年）。2本の電線が3本目に及ぼす誘導効果が地球の運動方向によって影響を受けるかどうかを調べる。ローレンツは、この効果が導体にかかる静電気（地球の運動によって生じる）によって一次的に打ち消されることを示した。^{[E 16]}
• ケーニヒスベルガーの実験 (1905)。コンデンサーのプレートは強力な電磁石の磁場内にあります。地球の動きにより、プレートは帯電するはずです。しかし、そのような効果は観察されませんでした。^{[E 17]}
• フレデリック・トーマス・トラウトンの実験(1902)。コンデンサーを地球の運動と平行に置き、コンデンサーが充電されると運動量が発生すると仮定した。この否定的な結果は、電磁運動量が地球の運動による運動量を補うというローレンツの理論によって説明できる。ローレンツはまた、この装置の感度が低すぎてそのような効果を観察できないことも示した。^{[E 18]}

一次実験は修正された静止エーテルによって説明できましたが、より正確な二次実験では肯定的な結果が得られると予想されました。しかし、そのような結果は得られませんでした。

有名なマイケルソン・モーリーの実験では、光源の光を異なる方向に送った後、その光源自身と比較し、極めて高精度で測定できる方法で位相の変化を調べた。この実験で、彼らの目的は、エーテル中を進む地球の速度を決定することであった。^{[E 19] [E 20]} 1887年に発表された彼らの結果、すなわち帰無結果は、エーテル仮説に何か重大な誤りがあることを初めて明確に実証したものであった（1881年のマイケルソンの最初の実験は完全に決定的なものではなかった）。この場合、MM実験では、干渉縞パターンが約0.01干渉縞シフトし、これは小さな速度に相当する。しかし、これは、地球の（季節によって変化する）速度によるエーテル風効果（干渉縞の0.4シフトを必要とする）と予想されたものとは矛盾しており、誤差は十分に小さかったため、値は実際にはゼロであった可能性がある。したがって、帰無仮説、すなわちエーテル風が存在しないという仮説は棄却できませんでした。その後のより現代的な実験により、その可能性はゼロに非常に近い数値、約 10 ⁻¹⁷にまで減少しました。

これまでのことから、地球表面の光学現象の観測によって太陽系の運動の問題を解決しようとするのは絶望的であることは明らかです。

—  A. マイケルソンとE. モーリー「地球と光子エーテルの相対運動について」哲学雑誌S. 5. 第24巻第151号、1887年12月。^[10]

類似しているが次第に高度化する装置を使った一連の実験でも、やはり結果はゼロだった。エーテルの運動を検出しようとした概念的に異なる実験としては、静電場によって引き起こされるねじれ効果を検出することを目的としたトラウトン・ノーブル実験 (1903) ^{[E 21]と、さまざまな媒体における}複屈折を検出することを目的としたレイリーとブレースの実験(1902、1904) ^{[E 22] [E 23] が}ある。しかし、マイケルソン・モーリー (MM) が以前に行ったように、それらはすべてゼロの結果を得た。

これらの「エーテル風」実験は、エーテルにさらに複雑な特性を割り当てることでエーテルを「救う」ための一連の努力を招き、エミール・コーンやアルフレッド・ブヘラーなど、ほんの一握りの科学者だけがエーテル仮説の放棄の可能性を検討した。特に興味深いのは、「エーテルの引き込み」または「エーテルの引きずり」の可能性であり、これは測定値の大きさを低下させ、おそらくマイケルソン・モーリー実験の結果を説明するのに十分である。しかし、前述のように、エーテルの引きずりにはすでに、特に異常などの問題があった。さらに、ロッジ(1893、1897) とルートヴィヒ・ツェンダー(1895) の干渉実験は、エーテルがさまざまな回転する質量によって引きずられるかどうかを示すことを目的としていたが、エーテルの引きずりは見られなかった。^{[E 24] [E 25] [E 26]}より正確な測定は、1本の「脚」を2つの巨大な鉛のブロックの間に置いた完全なMM実験を行ったハマー実験（1935年）で行われました。 ^{[E 27]}エーテルが質量によって引きずられるのであれば、この実験は鉛によって引き起こされる抗力を検出できたはずですが、再びゼロの結果が得られました。理論は再び修正され、今度は引き込みは非常に大きな質量または大きな磁場を持つ質量に対してのみ機能することを示唆しました。これもまた、地球の自転によるサニャック効果を検出したマイケルソン-ゲール-ピアソン実験によって誤りであることが示されました（エーテル抗力仮説を参照）。

「絶対的な」エーテルを守ろうとするまったく別の試みは、ロレンツ＝フィッツジェラルド収縮仮説でなされた。この仮説は、あらゆるものがエーテルを通過することによって影響を受けるという仮定を置いた。この理論では、マイケルソン＝モーリーの実験が「失敗した」理由は、装置が移動方向の長さに収縮したためである。つまり、光は予測どおりエーテルを通過することによって「自然な」方法で影響を受けていたが、装置自体も影響を受け、測定時に差が打ち消されていた。フィッツジェラルドは、オリバー・ヘヴィサイドの論文からこの仮説を推論した。エーテルを参照することなく、この相対論的効果の物理的解釈は、 1932年にケネディとソーンダイクによって共有され、干渉計のアームが収縮し、その光源の周波数も相対論で要求される方法で「ほぼ」変化するという結論に達した。^{[E 28] [11]}

同様に、 1913年にG.サニャックによって観測されたサニャック効果は、特殊相対性理論と完全に一致することがすぐにわかりました。^{[E 29] [E 30]}実際、 1925年のマイケルソン、ゲール、ピアソンの実験は、相対性理論を確認するためのテストとして具体的に提案されましたが、絶対回転を測定するだけのこのようなテストは、非相対論的理論とも一致することが認識されていました。^[12]

1920 年代、マイケルソンが先駆けて行った実験はデイトン・ミラーによって繰り返され、ミラーは何度か肯定的な結果を公表したが、その結果は既知のエーテル理論と一致するほど大きくはなかった。しかし、他の研究者はミラーの主張する結果を再現することができなかった。長年にわたり、そのような測定の実験精度は桁違いに向上し、ローレンツ不変性の違反の痕跡は見られなかった。(ミラーの結果のその後の再分析では、温度による変化を過小評価していたという結論が下された。)

ミラー実験とその不明確な結果以来、エーテルを検出するための実験的試みは数多く行われてきた。多くの実験者が肯定的な結果を主張している。これらの結果は、特殊相対性理論と一致した大量の高精度測定と矛盾するため、主流の科学からはあまり注目されていない。^[13]

1892 年から 1904 年にかけて、ヘンドリック ローレンツは電子エーテル理論を発展させましたが、この理論ではエーテルについての仮定を避けました。彼のモデルではエーテルは完全に静止しており、つまり、エーテルは質量のある物質の近くでは動き出すことができないという意味でした。以前の電子モデルとは対照的に、エーテルの電磁場は電子間の媒介物として現れ、この場の変化は光速よりも速く伝播することはできません。1895 年のローレンツの理論の基本概念は、v/c の順序の項に対する「対応状態の定理」でした。^{[A 6]}この定理は、エーテルに対して移動する観測者は、適切な変数の変更後、静止している観測者と同じ観測を行うと述べています。ローレンツは、フレームを変更するときに時空変数を変更する必要があることに気付き、マイケルソン・モーリーの実験を説明するために物理的な長さの収縮(1892) ^{[A 7]などの概念を導入し、}光行差とフィゾーの実験を説明するために局所時間(1895)という数学的概念を導入しました。これにより、ジョセフ・ラーモア(1897、1900) ^{[A 8] [A 9]}とローレンツ (1899、1904) ^{[A 10] [A 11]}によるいわゆるローレンツ変換の定式化が実現しました。これにより (ラーモアによって指摘されたように)、局所時間の完全な定式化には、エーテル中を移動する電子の何らかの時間の遅れが伴います。ローレンツが後に指摘したように (1921、1928)、彼はエーテル中に静止している時計が示す時間を「真の」時間と見なし、局所時間は彼によって発見的な作業仮説および数学的な技巧とみなされました。^{[A 12] [A 13]}したがって、ローレンツの定理は、現代の著者によって、エーテル中に静止している「現実の」システムから運動している「架空の」システムへの数学的変換であるとみなされています。^{[B 7] [B 3] [B 8]}

ローレンツの研究はアンリ・ポアンカレによって数学的に完成された。ポアンカレは何度も相対性原理を定式化し、それを電気力学と調和させようとした。彼は同時性は光速に依存する単なる便宜的な慣習であり、光速の不変性は自然法則をできるだけ単純にするための有用な仮定であると述べた。1900年と1904年^{[A 14] [A 15]}に彼はローレンツの地方時を光信号による時計同期の結果として物理的に解釈した。1905年6月と7月^{[A 16] [A 17]}に彼は相対性原理は重力を含む自然界の一般法則であると宣言した。彼はローレンツのいくつかの誤りを訂正し、電磁気方程式のローレンツ共変性を証明した。しかし、彼はエーテルという概念を完全に検出不可能な媒体として使い、見かけの時間と実際の時間を区別したため、ほとんどの科学史家は彼が特殊相対性理論を発明できなかったと主張している。^{[B 7] [B 9] [B 3]}

エーテル理論は、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論によってガリレイ変換とニュートン力学の両方が修正され、ローレンツ電磁力学の数学に新しい「非エーテル」の文脈が与えられたときに、さらなる打撃を受けた。^{[A 18]}科学的思考のほとんどの大きな変化とは異なり、特殊相対性理論は科学界に驚くほど早く採用され、これは、特殊理論によって記述される物理法則が1905年に「発見される機が熟していた」というアインシュタインの後のコメントと一致している。 ^{[B 10]マックス・プランクによる特殊理論の初期の提唱と、}ヘルマン・ミンコフスキーによるそのエレガントな定式化は、現役の科学者の間で特殊相対性理論が急速に受け入れられることに大きく貢献した。

アインシュタインは、ローレンツの以前の研究に基づいて理論を立てた。物体の機械的特性は、検出不可能なエーテルを通る等速運動によって変化すると示唆する代わりに、仮説上のエーテルの存在とは無関係に、最も基本的で確立された原理と一致するためには、成功する理論が備えていなければならない特性を演繹することを提案した。彼は、ローレンツ変換はマクスウェル方程式との関連を超え、慣性系の空間と時間の座標間の基本的な関係を表す必要があることを発見した。このようにして、彼は物理法則はガリレイ変換の場合と同様に不変のままであるが、光も不変になったことを証明した。

特殊相対性理論の発展により、単一の普遍的な基準系を説明する必要性はなくなり、19 世紀の光伝導エーテル理論も受け入れられなくなりました。アインシュタインにとって、ローレンツ変換は概念の変化を意味しました。つまり、空間や時間における位置の概念は絶対的なものではなく、観測者の位置と速度に応じて異なる可能性があるということです。

さらに、1905 年の同じ月に発表された別の論文で、アインシュタインは、当時難題であった光電効果についていくつかの観察を行った。この論文で、彼は光が「波のような性質」を持つ粒子とみなせることを実証した。粒子が移動するのに媒体を必要としないことは明らかであり、したがって光も同様である。これが量子力学の完全な発展につながる第一歩であり、量子力学では光の波のような性質と粒子のような性質の両方が光の有効な説明であると考えられるようになった。エーテル仮説、相対性理論、光量子に関するアインシュタインの考えの要約は、1909 年の (元々はドイツ語の) 講演「放射の構成と本質に関するわれわれの見解の発展」に見られる。^{[A 19]}

一方、ローレンツはエーテル仮説を唱え続けた。1911年頃の講義で、彼は「相対性理論が言うことは、エーテルと時間について考えることとは無関係に実行できる」と指摘した。彼は「エーテルが存在するかどうかにかかわらず、電磁場は確かに存在し、電気振動のエネルギーも存在する」とコメントし、「『エーテル』という名前が気に入らないのであれば、これらすべてを掛け合わせるための釘として別の言葉を使う必要がある」と述べた。彼は「これらの概念の担い手が一定の実体性を持っていることを否定することはできない」と結論付けた。^{[14] [B 7]}

それにもかかわらず、1920年にアインシュタインはライデン大学で演説し、「しかし、より注意深く考えてみると、特殊相対性理論はエーテルを否定することを強いるものではないことが分かる。エーテルの存在を仮定することはできるが、エーテルに特定の運動状態を帰属させることは諦めなければならない。つまり、抽象化によって、ローレンツがまだエーテルに残していた最後の機械的特性をエーテルから取り除かなければならない。この観点は、私がすぐにやや途切れ途切れの比較によってより理解しやすくしようと試みるが、一般相対性理論の結果によって正当化されることは後でわかるだろう」と述べた。彼は演説の結論として、「一般相対性理論によれば、空間は物理的性質を備えている。したがって、この意味でエーテルが存在する。一般相対性理論によれば、エーテルのない空間は考えられない」と述べた。^[15]

後年、物理学に対する新ローレンツ的アプローチを提唱する人が数人いた。これは、検出不可能で理論の予測に何ら影響を与えない絶対的な真の静止状態を仮定するという意味においてローレンツ的である。（多大な努力にもかかわらず、ローレンツ共変性の違反はこれまで一度も検出されていない。）したがって、これらの理論は、名前だけが 19 世紀のエーテル理論に似ている。例えば、量子場理論の創始者であるポール・ディラックは、1951 年にネイチャー誌の「エーテルは存在するか？」と題する記事で、「むしろエーテルが存在することを余儀なくされている」と述べた。^{[16] [A 20]}しかし、ディラックは完全な理論を定式化することはなく、そのため彼の推測は科学界に受け入れられなかった。

1900年、アインシュタインはチューリッヒ工科大学の学生だった頃、エーテルの概念に非常に興味を持っていました。彼の最初の研究論文の提案は、地球がエーテル中をどのくらいの速さで動いているかを測定する実験を行うことでした。^[17] 「波の速度は、伝播を引き起こす弾性力の平方根に比例し、これらの力によって動かされるエーテルの質量に反比例します。」^[18]

1916年、アインシュタインが一般相対性理論の基礎研究を終えた後、ローレンツは彼に手紙を書き、その中で一般相対性理論の中でエーテルが再導入されたと推測した。アインシュタインはそれに対する返答で、「新しいエーテル」について語ることはできるが、そのエーテルに関連する運動について語ることはできないと書いた。これはアインシュタインによっていくつかの準一般向け論文（1918年、1920年、1924年、1930年）でさらに詳しく述べられた。^{[A 21] [A 22 ] [A 23 ] [A 24] [B 11] [B 12] [B 13]}

1918 年、アインシュタインは初めてその新しい定義を公にほのめかした。^{[A 21]}その後、1920 年代初頭、ライデンのローレンツ大学に招かれて行った講演で、アインシュタインは相対性理論とローレンツのエーテルを調和させようとした。この講演でアインシュタインは、特殊相対性理論がエーテルの最後の機械的性質である不動性を奪ったことを強調した。しかし、彼は、特殊相対性理論は必ずしもエーテルを排除するものではない、なぜなら後者は加速と回転に物理的現実を与えるために使用できるからだと続けた。この概念は一般相対性理論の中で完全に説明され、一般相対性理論では、物理的性質 (部分的には物質によって決定される) は空間に帰属するが、その「エーテル」(彼が言うところの曲がった時空) には実体や運動状態は帰属できないとされた。^{[B 13] [A 22] [19]}

1924 年の別の論文「エーテルについて」では、アインシュタインは、加速度が絶対であるニュートンの絶対空間は「力学のエーテル」であると主張しました。また、マクスウェルとローレンツの電磁気理論では、「電気力学のエーテル」について語ることができ、その中でエーテルは絶対的な運動状態を持ちます。特殊相対性理論に関しては、この理論でも、ニュートンの力学と同様に加速度は絶対的です。しかし、マクスウェルとローレンツの電磁エーテルとの違いは、「エーテル内の異なる場所での同時状態を絶対的な意味で語ることはもはや不可能であったため、エーテルは、時間のみで状態を順序付ける客観的な方法がないため、いわば 4 次元になった」という事実にあります。現在、「特殊相対性理論のエーテル」は依然として「絶対的」です。なぜなら、物質はエーテルの特性の影響を受けますが、エーテルは物質の存在の影響を受けないからです。この非対称性は、一般相対性理論で解決されました。アインシュタインは、物質がエーテルの構造に影響を与えるのと同様に、物質もエーテルの影響を受けるため、「一般相対性理論のエーテル」は絶対的なものではないと説明した。^{[A 23]}

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、これは測地線を通じて識別できる。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。アインシュタインが「エーテル」という言葉を使用したことは科学界では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立たなかった。^{[B 11] [B 12] [B 13]}

• エーテル理論
• エーテル（古典的元素）
• エーテル抗力仮説
• アストラルライト

脚注

引用

Wikiquote には、光エーテルに関する引用があります。

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1911 ブリタニカ百科事典/エーテル

• ハリー・ベイトマン（1915）エーテルの構造、アメリカ数学会報21（6）：299–309。
• Decaen, Christopher A. (2004)、「Aristotle's Aether and Contemporary Science」、The Thomist、68 (3): 375–429、doi :10.1353/tho.2004.0015、S2CID  171374696、2012-03-05にオリジナルからアーカイブ、 2011-03-05に取得。
• 宇宙のエーテル アーカイブ 2017-09-13 at the Wayback Machine – レイリー卿の演説
• ScienceWeek 理論物理学: エーテルと対称性の破れについて
• 新入生参考書/エーテル