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2017-05-01乙太存在與否的爭辯
569 期
Author 作者
賴昭正／前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊。
一個無所用之「虛無」空間是很難想像與接受的；相信是基於此，古希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle）在其《談天空》（On the Heaven）」一書裡，認為外太空不可能是「虛無」的，而是充滿了一種不變的「第一」元素（first element）：它不像地球上之土、水、空氣、及火四元素一樣可互變構成萬象。後來的哲學家們漸漸改稱此一新元素為「第五」元素「乙太（aether或ether）」。
古典乙太
被稱為近代西方哲學之父的法國哲學家、科學家、數學家笛卡兒（René Descartes, 1596~1650）謂「一個什麼都絕對沒有的真空或空間之存在是違反邏輯的」。他認為流體「乙太」充滿了固體外的所有空間，所有固體就是靠其旋渦產生我們現在所謂的萬有引力現象。
1676 年丹麥天文學家羅默（Ole Christensen Rømer）研究木星之衛星運動而認為光的傳播不是瞬間，而是有一定的速率；荷蘭物理學家惠更斯（Christeaan Huygens）從其資料推導出光速為每秒16又2/3倍地球的直徑（70%現在公認值）。因此當惠更斯於1678年提出光之波動，成功地解釋了光之折射與反射現象時，他認為光也像聲波藉空氣傳播一樣，是透過充滿所有空間之堅硬彈性粒子「乙太」碰撞來達成的。可是光速比聲速快得多了，因此「乙太」粒子的彈性必須非常好。
1687年7月5日，牛頓（Issac Newton）發表「自然哲學的數學原理」，闡述了萬有引力及三大運動定律， 奠定了此後300 多年之天文學及力學的基礎。但此書出版後，牛頓即受到不少攻擊，謂他超距離的作用力是將「超自然的神秘性」帶進科學。因此他於1713年再版時，辯護謂他之所以未提出作用力是如何產生的，是因為他「不造假」來做為物理解釋的緣故。雖然如此，但相信他也不停地在思考此問題；因此於1717年 「光學」（Opticks）再版時，他終於還是忍不住提出其對萬有引力的看法：空間充滿了稀鬆的「乙太」，萬有引力的來源是因密度不同的原故（越重物體的周邊「乙太」越稀）。他認為「乙太」也可能像光一樣是由微粒組成的。
1748 年瑞士物理學家雷沙基（George Le Sage）認為這些「乙太」微粒以非常高的速率在空間到處飛行，兩物體因相互遮攔這些撞擊而造成其間壓力降低，因此相吸：為萬有引力提供給了動力學基礎。因深信力的傳播必定需要媒體及不信超距離作用，不少物理學家均不斷地提出「乙太」之存在與理論。這些理論的一個共同點是：「乙太」像空氣或流體一樣無固定形態。
光乙太
1808 年法國物理學家馬勒（Étienne Louis Malus）在研究光之反射現象時，發現了光的極化；因縱波不可能有極化現象，因此光顯然應是以橫波形式傳播：像水波一樣，波的起伏（振動）方向與前進方向垂直。1817年另一法國物理學家菲涅耳（Augustin Jean Fresnel）發展出光的橫波理論，成功地解釋了所有當時已知的光學現象！1860 年代，英國物理學家馬克士威（James Clerk Maxwell）成功地統合了電磁現象，證明光也是一種電磁波後，電磁波的存在似乎是無可置疑的！
這巨大的整合成就卻碰到一個問題：自 19世紀中葉後，幾乎所有的科學家均認為宇宙是完全由物體組成、依牛頓力學運行的。這「力學觀」的宇宙當然無法想像電磁場能在「虛無」之空間波動；他們認為光一定通過什麼可變形的「東西」──光乙太──到達我們的眼睛。事實上連馬克士威自己本人也認為「波動可以在虛無空間傳播是難以想像的」：他甚至提出光如何在乙太中傳播的力學機制。乙太被認為是靜止的、是馬克士威理論中光速定值的參考座標。
馬克士威電磁波理論及牛頓力學的成功，使「乙太」不再是那麼抽象，而是「呼之欲出」的物質：橫波振動只能在固態物體裡傳播，加上光速比聲速快得多了，因此如果「乙太」存在，它顯然應是相當堅硬、但又不能影響一般物體的運動。僅管這是很難想像的「東西」，但卻阻止不了物理學家開始認真地考慮偵測它的實驗。其中最有名也是影響後來理論物理發展最大的應首推1887年之「麥可森– 莫利」（Michelson Morley）實驗了。……【更多內容請閱讀科學月刊第569期】