十九世纪的物理学曾相信，光需要在某种介质中传播，这种介质被称作”以太”。它看不见、摸不着，却充满整个空间。1887年的迈克耳孙-莫雷实验没有找到地球相对以太运动的证据，这一结果最终促使爱因斯坦在1905年放弃以太，建立狭义相对论。此后近百年，”以太”几乎成了物理学史上的一段旧话。
以太为什么被放弃
狭义相对论的核心之一，是光速在一切惯性参考系中相同，不存在一个特殊的”静止参考系”。如果以太存在，它本可以充当这样的绝对参考系，地球运动方向与垂直方向的光速就应当出现差别。实验没有观测到这种差别，以太假设因此失去了立足点。广义相对论进一步把引力解释为时空弯曲，空间不再需要任何介质来”承载”光。
爱因斯坦-以太理论的基本思路
然而，”不存在优选参考系”这一结论并非只能靠哲学信念维持，它也可以被当作一个需要实验检验的物理假设。2001年前后，物理学家雅各布森与马丁利提出了一类推广理论，后世常称之为爱因斯坦-以太理论。它的做法是：在广义相对论的时空几何之上，额外引入一个处处存在、指向时间方向的单位矢量场，这个场扮演了”以太”的角色，为宇宙指定了一个隐含的优选参考系。
值得注意的是，这一理论并不是简单回到十九世纪。它被设计成在所有已有的高精度实验范围内与广义相对论几乎完全一致，只在极端条件下才可能出现微小偏离。换句话说，它是一个”低能下守规矩”的框架，专门用来描述洛伦兹对称性如果被轻微破坏，会以什么方式表现出来。
为什么今天还要研究它
研究爱因斯坦-以太理论的动机，主要来自两个方面。
- 统一理论的线索：一些试图把引力与量子力学结合的理论方案，在低能近似下会自然产生类似的矢量场，因此它可作为检验更基础理论的”现象学模型”。
- 实验的边界：把洛伦兹对称性破缺写成可计算的参数，才能把引力波、宇宙学和高能天体观测的结果转化为对对称性的定量限制。
在引力波天文学兴起之后，这类理论获得了新的用武之地。不同偏振模式的引力波在爱因斯坦-以太理论中的传播速度与广义相对论预言存在差异，中子星并合等事件的时间信息因此可以用来约束理论参数。宇宙学尺度上的观测，也在检验这个”隐蔽以太”是否会留下可测量的印记。
它不推翻相对论
需要强调的是，爱因斯坦-以太理论目前并未被证实，也没有取代广义相对论。它更像是一把标尺：把”相对论到底有多正确”这个问题，从定性讨论变成可以逐项检验的定量问题。迄今为止的观测结果，都把这个理论中允许的偏离压得越来越小。
从十九世纪的以太，到二十世纪对以太的否定，再到今天以”以太”为名、却完全建立在相对论语言之上的检验框架，这条线索本身就说明：物理学的进步，往往不是简单地把旧概念扔掉，而是把它改造成能被精确检验的形式。对”纳视科普”而言，这也是理解现代物理学的一把有趣钥匙——真正重要的不是某个概念是否被淘汰，而是我们能否说清楚：它被淘汰，究竟是被哪一次观测、以什么方式淘汰的。