方舟子
留美学者，生物化学博士smfang@yahoo.com
以太是希腊语的译音，意思是“上天的空气”，在古希腊神话中，指天神呼吸的纯净空气，与凡人呼吸的下层浑浊空气不同。
哲学家也喜欢“上天的空气”。古希腊哲学家认为世界由水、气、火、土四种元素组成。特别看重几何学的柏拉图（公元前427－347）把四元素几何化，认为组成它们的原子形状分别是体现其性质的一种正多面体。但是正多面体共有5种，还剩下的一种，柏拉图认为对应的是第五种元素，宇宙和天体即由这种最高元素构成。柏拉图的学生亚里斯多德 （公元前384－322）把这种元素称为以太。从此以太成了一个自然哲学的概念。
在亚里斯多德的自然哲学体系中，水、气、火、土是构成地球的元素，它们是变化的，并做直线运动。而以太是充满太空和构成天体的元素，它是永恒不变的，并做完美的圆周运动。中世纪西方哲学家基本上接受了亚里斯多德的说法，只是做了一点小改动：以太的密度是会变化的，构成天体的以太密度要比充满太空的以太介质的密度要大一些。
牛顿力学的创立颠覆了传统观念，证明天体和地球一样由相同的物质构成，遵循相同的物理定律，例如万有引力定律。天体不再被认为是由以太组成的。但是太空中充满以太这个观念却不仅没有被抛弃，反而有了一定的科学依据，由哲学观念变成了科学假说。
万有引力定律告诉我们，两个物体不互相接触，也彼此存在吸引力，即使二者的距离非常遥远，这种力也依然存在。那么，这种超距离作用是如何产生的呢？力可以不接触就传递开去，这是难以想像的，似乎应该有一种介质来传递引力，牛顿(1642–1727)和其他许多人都假定这种媒介就是以太。不过，牛顿在这个问题上的立场并不一致。在其他场合，他拒绝提出假说来解释引力的性质。而据牛顿的朋友说，牛顿后来干脆说引力直接遵循上帝的旨意。
当考虑到光的传播时，问题更大。第一个有关光的性质的科学假说是荷兰科学家惠更斯(1629–1693)提出的。他认为光是一种波。光的衍射现象很容易让人想到光是一种波，就像水波的衍射一样。但是要用波动来解释光的直线传播、反射、折射等各种光学现象却不容易。惠更斯提出了一个后来被称为“惠更斯原理”的学说阐明波面在媒体中的传播性质，在此基础上用作图法巧妙地解释了各种光学现象，让光的波动学说有了理论依据。
但是光如果是一种波的话，根据当时的知识，这就意味着它需要借助某种介质来传播，就像声波以空气为介质、水波以水为介质传播一样。然而，波义耳（1627-1691）已证明在真空中声音不能传播，光线却可以传播——你可以透过真空看到东西。这表明在真空中有某种比空气还要细微的介质来传播光波。惠更斯认为这种光波介质就是以太。
如果光是一种通过以太介质传播的波，而我们能够看到星光，说明以太介质充满了太空。牛顿认为这将会阻碍天体的运行，但是既然所有的观察都表明天体的运行并没有受到什么介质的影响，没有证据能够证明这种介质的存在，就不应该认为光的传播需要介质，那么光就不是一种波。
牛顿提出了一个针锋相对的学说，认为光是一种极其细小的微粒，而且它们的运动遵循他发现的三大运动定律。光的微粒学说很容易解释光的直线传播和反射：光微粒的运动速度极快，所以光做直线传播；光线反射是由于光微粒碰撞反射面引起的。但是用微粒学说来解释光的折射和衍射却很困难。为了解释折射现象，牛顿不得不假定存在一种以太介质，它传递振动的速度比光要快，折射被认为是在不同地方的以太介质的密度和弹性不同引起的。至于这种以太介质究竟是什么东西，牛顿承认他不清楚。
光的波动学说和微粒学说基本上还只是见仁见智的理论思辨，它们的接受程度，主要取决于其倡导者的影响力。但是在牛顿系统地提出微粒学说时，惠更斯已经死了，没有重量级的人物能跟牛顿对抗，何况惠更斯的学术地位还不如牛顿。由于牛顿的巨大影响力，此后相当长时间内，光微粒学说占了主导地位。
但是进入19世纪后，形势开始逆转。英国物理学家托马斯·杨(1773–1829)、法国物理学家菲涅耳(1788–1827)用干涉实验证明了光是一种波。1850年，法国物理学家傅科(1819–1868)用实验证明了光在水中的速度比在空气中慢，这一结果与微粒学说相冲突（认为光在水中的速度比在空气中快），而符合波动学说的预测（在水中光波波长减小），牛顿的学说被推翻了。此后，英国物理学家麦克斯韦(1831–1879)建立电磁学，他的电磁方程计算出电磁波在真空中的速度恰好等于真空中的光速，表明光就是一定频率范围内的电磁波。德国物理学家赫兹（1857－1894）用实验证实了这个预见。波动学说取得了全面的胜利。
波动学说的胜利也是以太学说的胜利。当时的物理学家仍然认为，正如机械波的传播需要特定介质，包括光波在内的电磁波的传播也需要特定介质，这种介质必须充满所有的空间，惠更斯的以太因此又复活了。
而且，麦克斯韦电磁方程要求所有的电磁波在真空中都以恒定的速度（也即光速）传播。在牛顿力学中，这要求有一个绝对的参照系，否则参照系发生变化，电磁波的相对速度也应该跟着变化。静止地充满宇宙的以太被认为就是麦克斯韦电磁方程所需要的绝对参照系。
在这个时候，以太的存在是科学推理的结果，对物理学家来说，假定以太的存在是最自然不过的事了。
