En physique, le terme d'éther a recouvert plusieurs notions différentes selon les époques. Les différents éthers considérés par les physiciens sont « des substances subtiles distinctes de la matière et permettant de fournir ou transmettre des effets entre les corps ». Ces effets divers ont été les trajectoires des planètes (pour Descartes), la transmission de la force gravitationnelle (Isaac Newton), le transport de la lumière (depuis Descartes, Robert Hooke, Newton et bien d'autres jusqu'au début du ), le transport de la force électrique, magnétique, et ensuite du courant électromagnétique, voire de la création de charge électrique chez certains corps, ainsi que la création d'une force répulsive, autour des corps, contrecarrant la gravitation (pour Pierre-Simon de Laplace expliquant les phénomènes gazeux).
L'étude théorique de l'éther luminifère (transmetteur de la lumière) a été l'occasion de développer la notion d'élasticité, a permis de prévoir certains résultats expérimentaux en considérant la lumière comme une onde transmise par un éther considéré comme un fluide aux propriétés diverses (Christian Huyghens, Augustin Fresnel, entre autres). Ce milieu, non accessible directement à l'expérimentation, fut aussi l'occasion de comparer les méthodes inductive et déductive (John Stuart Mill et William Whewell ont été particulièrement actifs dans ce débat).
Une fois les équations de James Clerk Maxwell établies, il y eut de multiples tentatives pour formuler une théorie d'un éther qui soit transporteur mécanique de ces ondes électromagnétiques (Maxwell fut le premier à s'y essayer), mais aucune ne permit de prendre en compte toutes les propriétés de l'électromagnétisme, même dans les cas les plus simples. Les expériences de Michelson et Morley sur l'optique des corps en mouvement poussèrent à l'abstraction dans de telles théories (Hendrik Lorentz, Joseph Larmor), et l'apparition de la relativité restreinte mit un terme à tous ces travaux, reléguant les questions sur l'éther à des considérations générales notamment au sujet des fluctuations du vide quantique.
L'éther dans l'Antiquité
À l'origine, Éther est un dieu primordial de la mythologie grecque, personnifiant les parties supérieures du ciel, ainsi que sa brillance. ; cela nous est resté au travers de la langue poétique classique, où l'on parle d'éther pour un ciel pur. Empédocle, a qui l'on doit la théorie classique des quatre éléments, parle fréquemment de l'éther comme d'une entité différente. Platon mentionne dans le Timée (58 d) l'éther comme « la forme de l'air la plus pure ». Aristote, dans son traité Du ciel, introduit un nouvel élément qui n'existe que dans la sphère céleste et dont la particularité est de se mouvoir en cercle sans avoir besoin d'une force extérieure.
Cette nouveauté, qui a créé bien de confusions, a fini par être assimilée à l'éther, sans que toutefois Aristote ait utilisé le mot pour la désigner. Étant le « plus noble », l'élément céleste n'est jamais désigné par Aristote comme le cinquième. C'est durant la période hellénistique, lorsque les textes d'Aristote sont plus ou moins soustraits à la circulation, que différentes interprétations amalgament ce qu'il nomme « le premier corps » à l'éther et aussi à la substance de l’âmeJ. Pépin, Idées grecques sur l'homme et Dieu, Paris, Les Belles Lettres, 1971, p.71 et s.. Aux premiers siècles, une sorte de consensus entérine la confusion. Par exemple, selon Sextus Empiricus, la notion d'éther remonterait au pythagoricien Ocellos (ou bien à Philolaos) :
Le Pseudo-Plutarque donne une version tout aussi approximative :
Les idées des StoïciensPierre Boyancé, Études sur le Songe de Scipion, 1936, p. 65-78. ont fortement marqué la compréhension de l'éther et elles ont eu un impact considérable dans les expositions en latin. Cicéron (Tusculanes, I, 10) ajoute qu'Aristote soutient que « l'âme tire son origine » de ce cinquième élément aussi appelée la quintessence. Le stoïcien Cléanthe tient l'éther pour le dieu souverainCicéron, De la nature des dieux, I, 37..
Une image synoptique de la confusion régnante a été brossée par André-Jean Festugière : « Dans les plus anciens auteurs, « éther » désigne le ciel (Homère, L’Iliade, 412 ; Hésiode, Les Travaux et les Jours, 18)… Le mot « éther » avait été employé déjà par Empédocle, mais pour désigner l'air atmosphérique, par opposition au brouillard… Anaxagore est le premier à avoir fait la distinction entre air et éther, mais ce qu'il désignait sous le nom d'éther était le feu (fragments 59 A 43, 59 A 73)… À partir du Phédon de Platon, l'espace entre l'air et le ciel des fixes (région du feu) devient l'éther, séjour des dieux astres. Platon attribue à l'éther son caractère spécifique d'être toujours en mouvement. L'éther est considéré comme une espèce de l'air, l'espèce la plus pure. Platon distinguait trois sortes d'éther : l'air supérieur, l'air atmosphérique, l'air brouillard… C'est avec l’Épinomis et le De la philosophie d'Aristote [ouvrage de jeunesse], deux ouvrages contemporains [vers 350 av. J.-C.], que nous voyons apparaître la notion d'éther, cinquième corps. L’Épinomis mentionne une première fois l'éther comme cinquième corps (981 c 6), comme une sorte d'air plus subtil et plus pur : l'éther n'est pas, d'ailleurs, le séjour des astres (celui-ci est le feu), mais, comme l'air, celui d'êtres démoniques de nature translucide, qui servent d'intermédiaires entre les hommes et les dieux visibles [les astres] (984 b). Les fragments du De la philosophie d'Aristote montrent que la notion d'éther cinquième corps y tient une place importante. Les Anciens ont unanimement regardé Aristote comme l'inventeur de la doctrine de l'éther cinquième élément. Aristote a toujours la suite éther, feu, air, eau, terre, et c'est l'ordre qui prévaudra, l'éther (et non le feu) étant alors considéré comme la matière des astres et l'élément où ils séjournent. L'âme est un mouvement perpétuel parce qu'elle est tirée de l'éther qui court toujours. Enfin, cet éther aristotélicien est une chaleur, il est principe de chaleur, donc de vieÉtudes de philosophie grecque, Vrin, 1971, .. »
Les pythagoriciens récents, dans les Mémoires pythagoriques ( s. av. J.-C.) semblent admettre trois éthers : 1) le chaud (le feu solaire astral et divin), 2) le froid (l'air) et 3) le dense (l'eau, le sérum, le liquide, le sang…), et deux sortes d'âmes : 1) une âme faite d'éther chaud, l'intellect (correspondant à la vie animale), et 2) une âme faite d'un mélange de deux éthers, chaud et froid, vapeur, l'âme végétative (correspondant au non-vivant, c'est-à-dire au non-sentant et non-mobile)Les Présocratiques, coll. "Pléiade", 1988, , 1396..
Aux dernières années du Xénarque écrit un traité Contre le cinquième élément dont la connaissance devient indispensable dans toute discussion de l'éther. Cesare Cremonini écrit une réfutation en 1616 et Galilée le mentionne encore. Entre-temps l'éther ou quintessence est devenu une conception importante pour les alchimistes. À leur tour ils interprètent l'élément incorruptible qu'Aristote a défini par son absence de contraire. On en discute encore jusqu'au où les métaphysiciens notamment s'en emparent.
L'éther gravitationnel en physique pré-relativiste René Descartes élabora une mécanique des tourbillons pour expliquer que le mouvement des planètes est dû à de grands tourbillons d'éther (matière subtile composée de minuscules globules transparents) remplissant l'espace et qui les emportent et les maintiennent sur leurs trajectoires. Cette physique qualitative était propre à justifier le mouvement des planètes de manière mécaniste, en réfutant l'existence du vide, envisagé par lui comme un néant. Ce même éther était supposé transmettre instantanément la lumière sous la forme d'une pression.
Après avoir réfuté la théorie des tourbillons de Descartes (vers 1680)Voir Les cahiers de science et vie, Hors série sur Newton de février 1993, article P40 de Robert Iliffe, chercheur à l'Institut d'Études Historiques de l'Université de Londres., Isaac Newton élabore sa théorie de la gravitation universelle où la force gravitationnelle se transmet instantanément d'un corps à l'autre, sur des distances quelconques et à travers l'espace, vide ou non.
Newton, bien que satisfait de l'efficacité de sa théorie, ne se satisfaisait pas de cette situation où une force se transmet à travers le vide. Dans une lettre de Newton à Richard Bentley en 1692 :
Ainsi, dans le Scholium général du livre des Principia, conçoit-il une « espèce d'esprit très subtil qui pénètre à travers tous les corps solides », ajoutant que « c'est par la force, et l'action de cet esprit que les particules des corps s'attirent mutuellement » : un éther mécanique, emplissant l'espace et permettant la transmission de la force gravitationnelle.
Cet éther est médiateur de la force gravitationnelle mais n'y est pas soumis, et semble soustrait aux caractéristiques et principes physiques énoncés dans les Principia. Newton soutenait ce point de vue à partir de considérations théologiques, disant que l'espace est le sensorium Dei, sorte d'organe sensoriel de Dieu qui lui permet de transmettre les influences d'un corps à l'autreAvant comme après Giordano Bruno, l'espace fini ou infini est pensé par rapport à Dieu, et Newton doit beaucoup à Henry More pour sa description des propriétés de l'espace. Un siècle après Newton, Pierre-Simon de Laplace sera le premier physicien à ne pas se préoccuper de Dieu. Voir Alexandre Koyré, Du monde clos à l'univers infini (1962, 1957 pour l'édition en anglais).. Cet éther est toujours resté une hypothèse sous-jacente, n'intervenant pas dans les calculs, ayant le statut d'hypothèse rassurante quant à la cohérence de cette théorie. Pour Newton, cet éther était le même que celui qui transmettait la lumière, considérée comme composée de corpuscules de tailles différentes et transmettant des oscillations à l'éther qui créaient les couleurs.
L'éther luminifère en physique pré-relativiste Jusqu'à l'avènement de la relativité restreinte, les physiciens élaborèrent des théories d'un éther luminifère : milieu diffusant la lumière considérée comme une onde, la difficulté étant d'élaborer une théorie cohérente rendant compte de toutes les observations faites sur la lumière alors qu'aucune expérience ne permettait de mettre en évidence les propriétés de l'éther considéré comme fluide ou milieu physique.
René Descartes (chez qui la notion d'onde n'était pas clairement formulée), Robert Hooke et Christian Huygens ont supposé que, comme le son dans l'air ou les ondes à la surface d'un milieu liquide, la lumière se propageait dans un fluide : l'éther. L'éther, subtil, c'est-à-dire indétectable puisqu'il ne freine aucun corps, était censé remplir l'univers, puisque la lumière des étoiles nous parvient.
Newton considéra un éther répondant aux fortes contraintes du transport de la force gravitationnelle : dispensé d'être soumis aux mêmes principes que la matière ordinaire, il était doué d'un rôle actif assimilé à l'intervention de Dieu sur le monde naturel. Cet éther sera parfois assimilé au feu de Hermann Boerhaave, au début du , substance impondérable pénétrant l'espace et les corps, et ayant un pouvoir répulsif opposé au pouvoir attractif des corps.
Au furent développées des théories de l'éther subtil, rendant compte des phénomènes électriques et magnétiques, de l'optique, mais aussi de la chaleur et la chimie, en prenant souvent comme modèles ceux de Newton et de Boerhaave. Benjamin Franklin expliquait l'électrification et la décharge électrique des corps par la présence d'un éther composé de particules attirées par les corps mais se repoussant entre elles. Pour John Canton, l'éther était l'air lui-même. Pour André-Marie Ampère, un éther universel impondérable et composé de deux électricités de signes opposés expliquait la force pondéromotrice entre les circuits électriques.