エーテル_(物理)

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エーテル (物理学)

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/08/28 03:22 UTC 版)

地球は光を伝える「媒質」であるエーテルの中を運動していると考えられていた。

物理学におけるエーテル (aether, ether, luminiferous aether)^{[注釈 1]} とは、光の波動説において宇宙に満ちていると仮定されるもので、光が波動として伝搬するために必要な媒質を言う。ロバート・フックによって命名された。

特殊相対性理論と光量子仮説の登場などにより、エーテルは廃れた物理学理論だとされている。

光の本性に関する研究の歴史

18世紀までの光の本性の研究

空間に何らかの物質が充満しているという考えは古くからあったものの、近代物理学においては17世紀のルネ・デカルトに始まる。

デカルトは、すべての空間には連続でいくらでも細かく分割できる微細物質が詰まっており、あらゆる物理現象はその中に生じる渦運動として説明できると考えた（渦動説）^{[注釈 2]}。カルテジアン（cartésien,デカルト主義者）と呼ばれる学派はそのようなデカルトの考えに基づく学派で、17世紀から18世紀にかけてのフランスで学界の主流を占めた^[2]。

デカルトによれば、光とはその宇宙に満ちている微細物質中の縦波のような圧力である。ロバート・フックはこの考え方を受け継ぎ、デカルトの宇宙に満ちている微細物質をエーテル（aether, ether）と呼び、光とはエーテルの中を伝わる振動であるとした^{[注釈 3]}。また、フックの考察と光の速さの有限性の結果^{[注釈 4]}に刺激を受けたクリスティアーン・ホイヘンス^{[注釈 5]}は、素元波の概念とホイヘンスの原理を導入することで光の波動説の基礎を作り上げた^[4]。

当初、実験物理学者として望遠鏡の製作が評価されていたアイザック・ニュートンは、当時の望遠鏡の欠陥であるレンズの色収差の問題を解決するため光学の研究を行っており、1672年に『光と色の新理論』（New theory about light and colours）という論文の中でその結果を報告した。しかしながら、その中で展開された色の理論が、当時主流のデカルトやフックの立場に反するものであったことから、以降、フックとニュートンの間に長い論争が交わされることとなった。

フックは光の波動説をとっており、ニュートンは1704年『光学』（Opticks）という著書の中で光を微粒子の放射と仮定していた^{[注釈 6]}ように、強く主張してはいなかったものの光の粒子説をとっていた^[6]ため、この論争は光の波動説と光の粒子説の近代における最初の対立とみなされることが多い。

以降、ニュートンの権威も手伝って18世紀においては、光の粒子説が受け入れられ、レオンハルト・オイラーを除いては光の本性について議論されなくなった^[7]。

19世紀における光の本性の研究

19世紀の物理学者トマス・ヤングとオーギュスタン・ジャン・フレネルは光は波動であると考えた。彼らは、光が横波であると考えるなら、波の振動の向きによって偏光を考えることができ、複屈折を説明することができると指摘した。さらに、回折について様々な実験を行うことにより、ニュートンの粒子モデルを否定した^{[注釈 7]}。

オーギュスタン＝ルイ・コーシーは、エーテルが普通の物質に引きずられると考えたが、そうすると今度は光行差^{[注釈 8]}を説明することができなくなってしまう。コーシーは、また、エーテル中に縦波が発生しないということから、エーテルの圧縮率は負であると考えた。ジョージ・グリーンは、このような流体は安定に存在し得ないと指摘した。一方、ジョージ・ガブリエル・ストークスは引きずり仮説を支持した。彼は、個々のエーテル粒子は高周波で振動しつつも全体として滑かに動くようなモデルを構築した。このモデルにより、エーテル同士は強く相互作用し、故に光を伝え、かつ、普通の物質とは相互作用しないという性質が説明された。

後年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって電磁波の存在が予想され、さらにヘルツは電磁波の送受信が可能であることを実験的に示した。マクスウェルの方程式によれば、電磁波が伝播する速さcは誘電率εおよび透磁率μとの間に

${\displaystyle c^{2}={\frac {1}{\varepsilon \mu }}}$

マイケルソン・モーリーの実験は、直交する2つの経路を進むのに光が要する時間を比較するものである。これは、絶対座標系の不存在を確認する実験手法として広く用いられている。

19世紀後半には、この「エーテルの風」の効果を調べる実験が数多く行われた。しかし、それらの多くでは、実験精度の不足により満足な結果を得ることができなかった。しかしアルバート・マイケルソンとエドワード・モーリーは、ハーフミラーを用いることにより、直交する二つの経路を進むのに光が要する時間の差を高精度で測定した（マイケルソン・モーリーの実験）。1887年に、彼らはエーテルの風による影響は観測されなかった、との結果を報告した。これは、エーテルの概念に重大な誤りがあることの証左であると考えられた。同様の実験は、多くの物理学者によって、装置の精度を向上させながら繰り返し行われたが、ついにエーテルの風は検出されなかった。

これらの「エーテルの風」の実験結果について、エーテルの概念そのものを否定する意見と、エーテルは従来考えられていたよりも複雑な性質を持つが故に検出されなかったとする意見に分かれた。特に後者については、エーテルが地球に引きずられることによりエーテルの風が極めて弱くなる、との考えが支持されていた。しかし、既に指摘されていたように、エーテル引きずり仮説には、光行差を説明できないという問題があった。この仮説の直接的検証はハマールの実験（英語版）によって為された。この実験では、光に巨大な鉛ブロックの間を通過させることにより、エーテルの運動が質量に引きずられるかどうか調べられた。そして、そのような引きずりは起きないことが確認された。

この問題に対する解決はローレンツ・フィッツジェラルド収縮仮説によって為された。すなわち、エーテル中を運動している一切の物体は、エーテルに対する運動の向きに沿って縮むと仮定された。この仮説によれば、マイケルソン・モーリーの実験によりエーテルの風が検出されなかったのは、装置がエーテルの風向きと平行に縮んでいたために、光速の変化と光の移動距離の変化が相殺されたからである。フィッツジェラルドは、この仮説のヒントをオリヴァー・ヘヴィサイドの論文から得た。この仮説の検証はケネディ・ソーンダイクの実験によって1932年に為され、装置の収縮および光の振動数の変化が、予想された値と一致すると結論された^[8]。

エーテルの性質を調べる有名な実験としては、他には1851年のフィゾーの実験が挙げられる。これは1818年にフレネルが予言した「速度vで動いている屈折率nの媒質中において、vと同じ方向に進む光の速さは、真空中の光速をcとして

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

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