简版结论：（注意这个回答涉及一些音韵学知识，因为不讲的话，就讲不清楚「茶」字怎么来的）1、「茶」和「荼」本一字分化，就是形声字，从「艸」，「余」声。这个「余」声是指古音，也即汉语音韵学中的所谓的「喻四归定」。如：「涂」从「余」得声，是古音谐声。
2、「cha2」在魏晋以前跟「荼」的读音一样，类似福建闽南语的发音，福建闽南语也就是英文「tea」之词源。这也就是汉语音韵学中所谓的「古无舌上音」。如：「姚、逃、兆」，都从「兆」得声。「逃」从「兆」的上古音，也即舌头音得声，「姚」的声母喻三，是从「兆」的中古音得声。『兆』是舌上音，也是中古音。
『茶』是舌上音，『荼』是舌头音，今之舌上音古读舌头音。
简单的讲一下这个音变关系：
中古「三十六字母」中的「喻母」分为「喻三」和「喻四」在上古汉语中没有，「喻四」来源于舌头音「端、透、定」三纽，「喻三」来源于「匣母」。这是民国音韵学家曾运乾首先提出来的，。
中古「三十六字母」中的「知、彻、澄」三母在上古汉语中没有，是从舌头音「端、透、定」三纽中分化而来的。这是乾嘉学者钱大昕的发现。 南方方言闽南语、潮州话等，是最能体现「古无舌上音」的方言：
福建话是最能体现「古无舌上音」现象的汉语方言，「茶」字则是非常典型的一个例子：
3、从古人的的经文注解看，「荼（tu2）」的本义指「苦味植物」。唐宋以后，饮茶之风兴起，将「荼（tu2）」字简省了一笔，造「茶」字，专门表示「苦味植物茶叶」。这种「一字分化」的造字方法在汉字中很常见，比如：「陈、阵」「大、太」「刀、刁」都是。略微改变本字的字形，造一个新字，承担本字的一部分职务。目的使得汉字能更准确的记录汉语，不发生歧义。
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详细的论证：《说文》有「荼」无「茶」，「荼」字以「艸」表意，从「余」得声，《說文》：荼，苦荼也。从艸，余聲。
徐鉉注《说文》：此即今之茶字。
「荼」的本义是「苦味植物」，引申义「痛苦」从古人的经传注解来看，「荼」的本义可以指很多「苦味植物」以及「野草」：
《詩‧邶風‧谷風》：「誰謂荼苦，其甘如薺。」毛傳：「荼，苦菜也。」《國語‧吳語》：「萬人以為方陣，皆白裳、白旂、素甲、白羽之矰，望之如荼。」韋昭注：「荼，茅秀也。」《詩‧周頌‧良耜》：「以薅荼蓼。」孔穎達疏：「蓼是穢草，荼亦穢草。」「茶树」也是苦味植物，「荼」也可能包括「茶」，东汉成书《神農本草經》中的「荼」一般认为就是指的「茶叶、茶树」
《神農本草經》：神農嘗百草，日遇七十二毒，得荼而解之。
人类喜欢食用的果蔬，成熟以后都有甜味，所以人类天然喜欢甜味的糖，所以「甜」可以表达愉悦、欢喜的意思，「甜心、甜蜜」等等。
有很多有毒植物都是「苦味」，所以人类天然不喜欢苦味，苦味带给人类痛苦，所以，「荼」在古汉语中也引申表示痛苦。如：荼毒、涂炭生灵
《書‧湯誥》：「爾萬方百姓，罹其凶害，弗忍荼毒。」
孔穎達疏：「《釋草》云：『荼，苦菜』此菜味苦，故假以言人苦；毒，謂螫人之蟲，蛇虺之類，實是人之所苦；故併言荼毒，以喻苦也。」
「甜、苦」其实是人类判断食物是否有毒的一个捷径。「甜、苦」分别表示「愉悦」和「痛苦」的隐喻，似乎不分文化和地域，遍布人类所有的语言。
如英文中称喜欢的人或者孩子为「sweet、honey」。
传世文献——「荼」始见于小篆；出土文献——「荼」始见于战国楚简《说文》以小篆为本，《说文》小篆的「荼」：
从出土材料来看，「荼」最早见于战国楚简：
上博楚简中的「荼」在上博楚简《子道饿》的第四简、第五简中，「荼」都是表示其引申义「痛苦」：
引自：马承源. (2002). 上海博物馆藏战国楚竹书.八. 上海古籍出版社.页127（第四简）、128（第五简）大约在唐代，「茶」从「荼」中分化出来，专职表示「茶叶」「茶叶」在唐代以前有很多称谓，如：
战国《尔雅》：槚，苦荼。
西汉《方言》：蜀南人谓荼曰蔎
唐代《茶经》：一曰槚，一曰蔎，一曰茗，一曰荈
从文献来看，普遍认为「茶」字的形、音，是中唐以后确定下来的。
唐代陆羽《茶经》开篇即云：「茶者，南方之嘉木也」。。。。陆羽又言「茶」字出自《开元文字音义》（此书已经散佚）：
「从草，当作『茶』 ，其字出《开元文字音义》。从木，当作（木茶），其字出《本草》。草木并，作『荼』 ，其字出《尔雅》」。唐人白居易〈香爐峰下新置草堂詠懷題石〉：「架岩結茅宇，斫壑開茶園。」，又据清代学者顾炎武的音韵学考证：「茶」字之音、之形。始于中唐：
《唐韵正》卷四：荼，宅加切，古音塗。按：荼荈之荼与苦荼之荼，本是一字。古时未分麻韵，荼荈字亦只读为徒。汉魏以下乃音宅加反，而加字音居何反，犹在歌戈韵，梁以下始有今音。又妄减一画为茶字……则此字变于中唐以下也。
《日知录·茶》：荼字自中唐始变作茶。
陆羽所说的「茶」字所出的《开元文字音义》，是唐玄宗李隆基编纂的，是唐代的标准字体字书。
《新唐书.艺文志》记载「玄宗《开元文字音义》三十卷」，但此书已经散佚。唐兰先生先生称《开元文字音义》的起到的「书同文」作用，堪比秦始皇。
故当代茶圣吴觉农先生认为是李隆基将「荼」字去掉一笔变为「茶」字，姑备一说吧！
另外，有些文献也记载「茶」字始见于汉代，也即唐人颜师古注《汉书》中的「茶陵」「荼陵」，在汉代「茶、荼」二字似乎可以通用。
但是，到唐代「茶、荼」二字，才各有所专，不得相混。
更详细的可参：万献初先生博客文章《“茶、荼”的音义》——所以，说「茶」字始见于唐代比较靠谱一点。
如果是唐明皇改「荼」为「茶」，是不是以此会意「草木中人在采茶」？
「茶（荼）」字发音在全世界的传播中国是「茶」的故乡，西方和东亚、南亚等很多国家语言中从「茶」的发音，都来自汉语。
从这些发音可以窥见茶的传播路径：
引自：郭孟良. (2003). 中国茶史. 山西古籍出版社.页5-6可见荷兰、英国、法国语言中的「tea」的发音，其实来自福建方言，接近「茶」的上古音「荼」。前面说过，福建方言保留一些上古音发音。
日本、葡萄牙、印度、俄罗斯等国「cha」的卷舌发音。来自广东话的发音，上文说过，zhi、ch、sh这样的「卷舌音」是中古音才有的。