表記

ラテン語の小文字で aether、ギリシア語では αἰθήρ——「上層の空気」。記号も単位もありませんでした：エーテルは媒質であって、量ではなかったのです。

混同しないこと

物理学の光エーテルは、化学者のエーテル、ジエチルエーテル (C₂H₅)₂O ではありません。通信の Ethernet でもありません——こちらは名前を借りただけです。

プレートの上には、石板に載った干渉計を上から見た図。ランプが半透明の鏡を照らし、光線は二つに分かれて、風に沿う鏡と風を横切る鏡へ向かい、筒の中で再び出会います。薄紫の縞は、地球に向かって吹いているはずだったエーテルの風です。石板は四分の一回転します。右の接眼鏡では、明るい縞はほとんど動きません。下では目盛りがまず 0.37——予想された値——へ動き、ゼロへ戻ります。実際に測られたのはゼロでした。

量のパスポート · 廃れた量 · 光の媒質

光エーテル

単位のない廃れた量 · 一定の光速に置き換えられた

クリーブランド、1887 年七月。マイケルソンとモーリーは水銀に浮かべた石板に鏡を据え、ゆっくりと回します。地球は 30 km/s で太陽のまわりを飛んでいます。光が静止したエーテルの中の波なら、向かい風となるエーテルの風が、接眼鏡の縞を 0.4 本ぶんずらすはずでした。二人はずれを待ちました。ずれは現れませんでした。

エーテルが考え出されたのは、波には媒質が必要だからです。音は空気を、波は水を伝わる——ならば光も、真空を満たす何かを伝わるはずだ、と。エーテルはこれほど速い波を運ぶために鋼より硬く、それでいて惑星の運動を妨げないものでなければなりませんでした。1887 年の実験は、地球がどう動いていても、光はどの向きにも同じように進むことを示しました。1905 年、アインシュタインはこれを法則とし、エーテルは不要になりました。

記号	aether · luminiferous aether · 記号なし
どう探したか	エーテルの中を進む地球の速さ——干渉縞のずれから
何を前提としたか	静止した媒質 · 光速は観測者の運動によって変わる
導入と放棄	ホイヘンス、1690 · フレネル、1818 · マイケルソンとモーリー、1887 · アインシュタイン、1905
今日の書き方	c = 299 792 458 m/s ちょうど、1983 年から——メートルの定義による
代表的な値	0.37 本——1887 年の予想 · 0.01 未満——観測値 · 10⁻¹⁷——今日の精度

換算へ干渉計へ

01 · 定義

光が走る媒質

光がエーテルの中の波なら、光にはエーテルに対する速さ c があります。エーテルの中を飛ぶ観測者には、光は向かってくるときは速く、追いかけるときは遅く見えるはずです。地球は 30 km/s で太陽のまわりを回っています——c の一万分の一です。この差をとらえようとしたのです。

これほど小さな補正を直接測ることはできません。マイケルソンは光の二つの道筋を比べました：風に沿う道と、風を横切る道です。川を上り下りして往復する泳ぎ手と、川を横切って往復する泳ぎ手のように、流れに沿うほうが時間がかかります。差は小さな比の二乗、(v/c)² = 10⁻⁸。干渉がそれを目に見えるものにします：波長のわずかな割合のずれで、明るい縞が動くのです。

c——光速、m/s · v——エーテルに対する速さ · L——腕の長さ、m · λ——波長、m · ΔN——縞のずれ · β = v/c · γ = 1/√(1−β²)

インタラクティブ · 川の二人の泳ぎ手

先に戻るのはどちらか

幅 L の川が左から右へ流れ、薄紫の矢印が流れを表します。二人の泳ぎ手は同じ速さ c で泳ぎます：金色は川に沿って往復し、水色は川を横切って向こう岸まで往復します。下の帯は二人の所要時間です。横切る泳ぎ手がいつも先に戻ります。同じように、エーテルの風を横切る光線は、風に沿う光線より先に戻るはずでした。

金色——流れに沿って、水色——横切って帯——所要時間、単位 2L/c

流れ v / c

沿う

γ² = 1/(1−β²)

横切る

γ = 1/√(1−β²)

差

≈ β²/2（β が小さいとき）

インタラクティブ · マイケルソンとモーリーの干渉計、1887

石板を回して接眼鏡をのぞく

メインの操作は「石板を回す」ボタン一つ。石の板は水銀に浮かび、ゆっくりと回ります。中央では上から見た姿が見えます：金色のランプ、腕の先の鏡へ向かう水色の光線、反射はそれぞれ 16 回、光路は合計 11 m。薄紫の短い線はエーテルの風で、その速さはスライダーで決まります。右は接眼鏡：明るい縞と暗い縞。エーテルがあれば、石板が回るあいだ縞は揺れるはずです。接眼鏡の下はグラフ：薄紫の曲線がエーテル理論によるずれ、金色の点が実際に見えるものです。切り替え「エーテルのある世界 / 1887 年の世界」で、両方の答えが見られます。

左：観測記録——縞のずれと石板の角度右：接眼鏡と、回転角ごとの縞のずれ

主な操作

エーテルの風 v30 km/s

30 km/s は軌道上の地球の速さ。ずれは速さの二乗で増えます：速さが二倍なら、ずれは四倍。

腕の長さ L11 m

1881 年のマイケルソンの腕は 1.2 m で、ずれは雑音に埋もれました。1887 年には鏡で光を 16 回往復させ、11 m になりました。

予想のずれ

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見えるずれ

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石板の角度

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エーテルの中の速さ、これ以下

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グラフ · 角度ごとのずれ、速さとの関係、一世紀の精度

02 · 換算

光速に対する比 β = v/c

エーテルには単位がなかったので、探していた速さのほうを換算します。干渉計での縞のずれは β²、つまり光速に対する比の二乗で増えます。軌道上の地球の速さは β = 10⁻⁴、β² = 10⁻⁸。

今日、「エーテルに対する」速さを測る人はいません。あるのは宇宙マイクロ波背景放射に対する運動だけです：太陽はその中を 370 km/s で進んでいますが、これは見かけの運動で、媒質の風ではありません。

03 · 桁の並び

光速のずれ Δc/c——実験がとらえようとしたもの、10⁻¹⁸ から 10⁻⁴ まで

04 · 測定器

干渉計

ビームスプリッター、二本の腕、二枚の鏡。光線が合わさって縞をつくり、縞の十分の一のずれも目で見えます。同じ原理は重力波検出器でも使われていますが、そこでは腕の長さが 4 km あります。

星の光行差

1727 年、ブラッドリーは星が一年をかけて小さな楕円を描くことに気づきました。大きさは 20.5 秒角。雨の中の傘のように、望遠鏡を地球の進む向きに傾けなければなりません。これが β = 10⁻⁴ の最初の測定です。

フィゾーの流水実験

1851 年、フィゾーは流れる水の中に、流れに沿って、また逆らって光を通しました。光は流れに完全には引きずられず、1 − 1/n² という係数がかかりました。フレネルはこれをエーテルの部分的な引きずりで説明しました。相対性理論は同じ数を速度の合成から導きます。

光共振器

現代のマイケルソンの実験：直角に置いた二つの結晶共振器を回転台に載せ、レーザーをそれぞれの周波数に固定します。周波数のずれは 10⁻¹⁷ 未満——1887 年より一億倍精密です。

05 · 表記の規則

正しい

c = 299 792 458 m/s — ちょうど、誤差なし

「光エーテル」——歴史用語、十九世紀の文脈で

ΔN = 0.37 — マイケルソンとモーリーが予想した縞のずれ

β = v/c, γ = 1/√(1−β²)

誤り

「エーテルに対する速さ」——現代の文章で

c ≈ 3·10⁸ m/s ± … — c には 1983 年から誤差がない

「実験は失敗した」——明確なゼロ結果を出した

光エーテルを化学のエーテルと混同する

06 · 隣り合う単位

フロギストンは跡形もなく消え、カロリックはカロリーを残しました。いちばん多くを残したのはエーテルです：マクスウェルの方程式は弾性をもつエーテルのために書かれ、エーテルより長く生き残りました。そしてエーテルを退けた光速の一定性は、それ自体が測定の基礎になりました：メートルはこれによって定義されています。