以太：力学的假设

从各种光学现象（光的反射、折射等）出发而建立的光学理论主要包括两大相互对立的体系：牛顿提出的光的微粒说（Corpuscular theory），以及和牛顿同时代的荷兰物理学家、天文学家、数学家惠更斯（1629—1695）提出的光的波动说（Wave theory）。在微粒说中，光被看作一束满足牛顿运动定律的粒子流；而在波动说中，光是一种在某介质中传播的振动，类似于在空气中传播的声波。1850年，在精于光学和电磁学实验的法国科学家阿拉戈（1786—1853）及以发明傅科摆闻名的法国物理学家傅科（1819—1868）等人的研究努力下，光的波动说占据了主流的地位。然而在此之后，出生于苏格兰爱丁堡的物理学家、数学家麦克斯韦（1831—1879）开创了电动力学，预言光的本性为电磁波，光是由电场和磁场的振动产生的。他的理论计算和德国物理学家海因里希·赫兹（1857—1894）的实验工作一同促成了光的电磁波理论的普及。

振动的传播需要介质，波是介质中振动状态的传播。例如，声音是由空气中分子的振动来传播的，在真空中声音无法传播；地震波的传播依赖于地球内部或表层物质的振动；水波则是由表面的水分子运动而传播的。然而，即使太空中没有任何物质作为介质，遥远星星发出的光却仍然能够到达地球。基于根深蒂固的力学思想，人们认为必然存在某种介质在太空中承载光的传播，这一介质被称为以太（Ether）。

若是认为光的传播和声音类似，则我们需要回答两个问题。当飞机或者抛体在空气中运动时，由于空气的摩擦，它们受到了一定的阻力，其中一部分空气也黏着于物体上被拖拽而随之运动。那么这两个问题是：能否通过以太来探测物体的运动，比如地球绕着太阳的运动？以太会不会像空气一样，阻碍其中物体的运动？是否也会有拖拽作用？

回答以上的问题需要研究光在以太中传播的性质，因为只有通过光的传播才能证明以太的存在。假如光的传播就像池塘平静的水面上的一串涟漪，那么光波的速度相对于以太是恒定的。然而观察者所观察的光线传播速度可能会大于或小于光线本身在以太中的传播速度，这取决于观察者是向着光源运动还是远离光源运动。因此，若是以太和地球之间没有粘滞作用，地球在绕太阳公转的时候也不会影响保持静止的以太，那么地球相对于以太的速度就可以通过在地球上测量沿不同方向传播的光速来确定。

至于为什么确定地球的运动不会拖拽以太运动，这是光行差（aberration of starlight）现象可以证明的。人们在公转的地球上观测星空时，相当于观众坐在绕舞台转圈的看台上观赏表演。随着座位一圈又一圈地绕舞台旋转，观众看到的舞台上的景象也会周期性地改变；同理，天文学家们发现他们所观测的天体现象也以年为周期在发生变化。如果以太能被地球拖拽而运动，则星空的光通过以太传播到地球时，人们就不会观测到随着地球的公转而以年为周期变化的景象。因此，光行差现象反过来证明了以太是绝对静止的介质。

美国海军学院的迈克尔逊（1852—1931）是精密光学测量领域杰出的科学家，他在1879年设计了十分精巧的实验，以测量地球相对以太的“漂移速度”，对否定光的以太说起到了关键作用。迈克尔逊在德国波茨坦的天文物理观测台经过一年的观测研究之后，到美国又重复了这些测量。在他设计的绝妙实验中，即使地球相对于以太的“漂移速度”远远小于地球的公转速度，其“漂移速度”也能被准确地测量出来。然而即使迈克尔逊的实验被重复无数次，人们也未能测量出“漂移速度”，结果始终证明地球和以太之间的相对速度为零。

因此，光行差现象证明以太是绝对静止而不会随地球运动的，同时迈克尔逊实验却表明地球相对于以太的速度为零。在这一矛盾下，光的机械波理论无疑面临着困境。