“以太”是不是真的存在呢？

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光子和引力波都以光速通过空的真空传播。[+] NASA / SONOMA州立大学/ AURORE SIMONNET

在整个宇宙中，有许许多多不同类型的信号。其中有些像声波一样，需要介质才能通过。但像光波或引力波，则能够做到直接穿越空间和真空，似乎完全不需要介质，无论它们如何执行，都可以从它们最终到达目的地时所产生的影响中检测出所有这些信号。但是，波真的有可能通过空间本身的真空传播而根本没有任何介质吗？这就是韦德·坎贝尔（Wade Campbell）想知道的，他问：

早在1800年代后期，就提出了一种“以太”作为光传播的媒介。我们现在认为情况并非如此。有什么证据能证明没有“以太”这种东西存在吗？

这是一个容易做出的假设，但又是一种很难去驳斥的东西。这就是以太。

无论是通过介质，如机械波，还是在真空中，如电磁波和... [+] SERGIU BACIOIU / FLICKR

早在科学家牛顿之前，就有数百甚至数千年的科学历史，那时，我们只有大规模的宏观现象需要研究。比如，我们观察到的浪有很多不同的种类，包括：

• 风在晾衣绳上或船帆上造成的涟漪，
• 在大海，海洋或湖泊上的水浪，
• 在地震中通过地面传播的海浪，
• 紧紧的弦中出现的波浪被拔出，敲打或振荡，
• 甚至是声波，它们在空气，水或固体土地上的感觉可能会有所不同。

在所有这些浪中，都涉及物质。该物质为这些波传播提供了一种介质，并且当介质在传播方向（纵波）压缩和稀疏化或垂直于传播方向（横波）振荡时，信号便被从一个位置传输到了另一个位置。

该图可以追溯到1800年代初期托马斯·杨（Thomas Young）的工作，是最古老的照片之一[...] 维基共享资源

随着我们开始更加仔细地研究波浪，第三种类型的波开始出现。除了纵向波和横向波，还发现了一种波，其中涉及到的每个粒子都在圆形路径中运动。以前被认为是纵向波或横向波的水的波纹特征也显示也包含了表面波的分量。

所有这三种类型的波都是机械波的示例，在机械波中，某种类型的能量通过基于物质的物质介质从一个位置传输到另一位置。穿过弹簧，紧身衣，水，地球，绳子甚至是空气的波，都需要动力来产生一些从平衡开始的初始位移，然后该波就可以将能量通过介质传递到目的地。

一系列沿着圆形路径移动的粒子似乎会产生……的宏观错觉。

那么，当我们发现新类型的波浪时，就可以假设它们具有与我们已经知道的波浪类型相似的属性，这是有道理的。甚至在牛顿之前，以太就曾是行星和其他天体所居住的空间的名称。第谷·布拉赫（Tycho Brahe）在1588年出版的著作《 德蒙迪·阿瑟莱特·最近的现象》，字面意思就是“论以太世界的近期现象”。

假设以太是宇宙固有的媒介，从彗星到行星再到星光本身，所有物体都在其中传播。然而，光是波还是小颗粒？在许多世纪以来一直是争论的焦点。牛顿声称这是小颗粒，与他同时代的克里斯蒂安·惠更斯却声称光是一种波。直到19世纪，这个问题才得以解决。在19世纪，光的实验明确地揭示了它的波状性质。（通过现代量子物理学，我们现在知道它的行为也像粒子一样，但是不能否认其波状性质。）

实验结果，使用激光在球形物体周围展示，具有实际... [+] 韦尔斯利的THOMAS BAUER

随着我们开始理解电和磁的本质，这一点得到了进一步的证明。加速带电粒子的实验不仅表明它们受到磁场的影响，而且当您用磁场弯曲带电粒子时，它会发出光。理论上的发现表明，光本身是电磁波，以有限的，很大但又可计算的速度传播，今天称为 c，即真空中的光速。

如果光是电磁波，并且所有波都需要一种介质传播，并且-当所有天体都通过空间介质传播时-那么，介质本身（以太）肯定是光通过的介质。因此，剩下的最大问题是确定以太本身具有哪些属性。

在笛卡尔的引力视野中，有一个以太渗透的空间，只有……的位移。 勒内·笛卡尔《哲学原理》第3集

麦克斯韦本人指出了关于以太的最重要的观点之一 ，他是第一个得出光波的电磁本质的人。在1874年给刘易斯·坎贝尔的信中，他写道：

还可能值得一提的是，以太不能是分子。如果是，那以太将是一种气体，与空气在热量等方面具有相同的特性，只是它不会那么重。

换句话说，无论以太是什么，或更准确地说，电磁波传播的介质是什么，它都不具备其他基于物质的介质所具有的许多传统特性。它不能由单个粒子组成。它不能包含热量。它无法通过它传递能量。实际上，允许以太做的唯一剩下的事就是作为背景介质，让光之类的东西可以通过该介质。

如果将光分成两个垂直分量并将它们放回一起，它们将产生... [+] 维基共享资源用户STIGMATELLA AURANTIACA

所有这些想法都造就了后来检测以太的最重要的实验——迈克尔逊-莫雷实验。如果以太确实是光传播的媒介，那么地球在绕其轴旋转并绕太阳旋转时应该穿过以太。即使我们仅以大约30 km / s的速度旋转，但这仍然是光速的很大一部分（大约0.01％）。

使用足够灵敏的干涉仪，如果光是通过该介质传播的波，则我们应根据干涉仪与我们的运动方向所成的角度来检测光的干涉图样的变化。当时，仅迈克尔逊一人尝试在1881年测量这种影响，但他的结果尚无定论。6年后，在Morley的帮助下，它们的灵敏度仅为预期信号幅度的1/40。但是，他们的实验结果无效。根本没有关于以太的证据。

迈克尔逊干涉仪（上）显示出光模式（底部，实心）的变化可忽略不计，因为... [+]

实验的的狂热支持者以各种方式辩解，试图解释这种无效的结果：

• 也许以太被穿越太空的物体（例如地球）拖着，这就是为什么得出无效结果的原因。
• 也许有一个静止不动的以太，当物体移动通过时，它们经历了长度收缩和时间膨胀，从而解释了无效的结果。
• 也许，也有可能，光穿过的那个以太，无论它是什么，都允许牛顿的引力传播。

所有这些可能性，尽管它们具有任意的常数和参数，但直到爱因斯坦的相对论出现之前，他们都被被认真考虑过。但是，一旦意识到物理学定律应该是正确的，并且对于所有参照系中的所有观察者来说实际上都是相同的，那么就不再需要以太这种“绝对参照系”的想法。这种说法还是站得住脚的。

如果您允许光线从环境外部进入内部，则可以获取有关... [+]的信息。 尼克·斯特罗贝尔（NICK STROBEL）

所有这些都意味着物理定律不需要以太的存在。但是没有一个人，他们能解释得很清楚。今天，凭借我们对狭义相对论的理解再加上对结合了引力的广义相对论的现代理解，我们认识到电磁波和引力波根本不需要任何介质传播。没有任何物质实体的真空本身就足够了。

但这并不意味着我们已经证明以太不存在。我们已经证明并且确实能够证明的一切就是，如果存在以太，那么它就不会具有我们能够执行的任何实验所能检测到的特性。它不会影响光或引力波通过它的运动，在任何物理情况下都不会影响，这等效于声明我们观察到的一切与它的不存在是一致的。

量子场论计算的可视化，显示了量子真空中的虚拟粒子。（特别是对于强烈的交互作用。）即使在空旷的空间中，真空能量也不为零，并且从观察者的角度看，弯曲空间的一个区域中看起来像是“基态”的空间看起来也不一样。曲率不同。只要存在量子场，该真空能量（或宇宙常数）也必须存在。

——德里克·莱恩韦伯

如果某件事以任何方式，形状或形式，甚至原则上都没有对我们的宇宙产生可观察到的，可测量的影响，则我们认为该“事物”在物理上是不存在的。但是，没有任何迹象表明以太的存在这一事实并不意味着我们完全了解什么是空的空间或量子真空。实际上，该主题今天仍然困扰着整个科学领域，还有很多未解决的公开问题。

为什么空白空间仍然具有非零的能量（暗能量或宇宙常数）呢？如果空间在某种程度上是离散的，这是否意味着在相对性规则下最大化离散的“大小”的首选参考系？光波或引力波是否存在而没有空间传播，这是否意味着存在某种类型的传播介质？

正如卡尔·萨根（Carl Sagan）所说的那样：“缺乏证据不是证明论据。” 我们没有证据表明以太存在，但是永远不能证明它是否定的：没有以太存在。我们能证明的一切只能是是，如果以太存在，它就不会影响我们观察到的物质和辐射。

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