第1章 一切从那个高中辍学生开始说起

人类最美妙的体验均源自那些神秘未知的事物，它们是一切真正的艺术和一切科学的源泉。

—阿尔伯特·爱因斯坦

那是1905年。位于伯尔尼粮食仓储处与日内瓦街交接拐角处的瑞士专利局里，一个对物理学怀有满腔热忱的年轻人正埋首于案前，苦心钻研。不过，此刻的他正深陷困境，在过去的近10年间，他断断续续地在努力攻克这个纠缠他已久的难题。

他对物理学的喜爱早已升华为难以自拔的迷恋。他利用在专利局工作的间隙，争分夺秒地进行研究；甚至在步行回家的这段时间里，也常和朋友热烈地讨论问题；回到居住的小公寓后，伴着妻子忙碌的身影和摇篮中儿子的啼哭，他更是将身心全情地投入科研之中。

5月的某一天，那一刻终于来临。他告诉他的朋友：“我已经将那个问题彻底解决了。”“我的解决方法就是对时间这一概念进行再剖析。”在四轮马车“嗒嗒嗒嗒”的马蹄声与新近流行的汽车的轰隆声中，他如是宣布道。凭借着这一领悟，问题的答案开始渐次浮出水面。

在那个灵感迸发的瞬间，伯尔尼的大街上车水马龙，人来人往，而26岁的阿尔伯特·爱因斯坦则永久地改变了我们对于“现实”的看法。爱因斯坦开始带头发起一场“相对论革命”—一个看待时间与空间本质的全新惊人的视角。

一个古怪的理论

爱因斯坦提出的古怪理论之所以被称为“狭义相对论”，其原因在于它只针对一种特殊运动情况，即匀速直线运动。什么是匀速直线运动呢？若一个物体正以恒定的速率沿着某个不变的方向运动，那么它就是在做匀速直线运动。

假设你正驾驶一辆朝北行驶、车速为每小时90千米的汽车，只要你不加速或不减速，并且不掉转车头行进的方向，那么，这辆车就是在做匀速直线运动。（因为在物理学中，速度是由速率与方向两者共同决定的，所以我们也可将匀速直线运动理解为速度恒定的运动。）

狭义相对论完全不涉及非匀速运动（即速率或方向有所变化的运动），同时，它也不考虑重力的影响。尽管有诸多限制条件，但爱因斯坦依然成功地揭露了一个事实，即那个已被众多物理学家和外行广泛认可了数个世纪的基础科学体系，其实是谬误百出的。时间与空间并不是绝对的，在不同的人眼中，它们可以有差异—它们是相对的。

这又意味着什么呢？下面就让我们来仔细了解一番。不过，诸位读者可要坐稳了—这可真的是怪异至极！

时间是相对的

狭义相对论认为，时钟穿越空间进行运动时，会出现慢走的现象。

假设你正在参加我的一个十分吸引人的讲座，我们两人所戴的手表毫无二致且具有超高的精确度。此时我正以稳定不变的步速自教室的前部朝你走去，而你则坐在座位上保持不动。

根据爱因斯坦的理论，你将会看到，我的手表比你的手表走得慢了一些。为什么呢？因为相对于你，我正处于运动的状态。

以我的步速来说，我所戴的手表相对于坐着的你所戴的手表，其延缓的时间是微乎其微的—小于十亿分之一秒，这就是它未曾引起我们的注意的原因。不过，它确实是真实存在的。

当运动速度趋近光速时，时间的减慢就会变得十分明显了。假设我走向你的速度为光速的87%或者每小时约9.3亿千米，由于我的速度极快，你将看到，我的手表指针转动的速度只有你的一半，即是说，你的手表走过一秒时，我的手表只走了半秒。这是你双眼所见的情况。

下一个问题是—我所见的又是何种情形呢？我看见的是完全相反的情况—你的手表走得比我的慢！乍听之下，不免觉得十分诡异，但这正是爱因斯坦创立的狭义相对论所预言的内容。

那么，究竟谁的看法是正确的呢？—都正确，因为时间是相对的。如果此时的你已经伤透了脑筋，那么恭喜你，因为这意味着你已然开始领会相对论中那些有违直觉的论断。

依据爱因斯坦理论的主张，空间也会受到运动的影响。

空间是相对的

假设我还是在这间教室里走动，不过这一次我的手中多了一支钢笔，笔尖指向我前进的方向。此时的你又会看见什么呢？依据你的目测，你会觉得我的钢笔缩短了—因为相对你，我是运动的。根据狭义相对论，物体的长度会沿其运动的方向缩短。

同样，在人类步行速度下，这一效应极小，而这也是我们忽略它的原因所在。然而，假如我是以相当于光速的87%的速度飞驰过教室的，那么你将会观察到，我手中钢笔的长度足足缩短了一半！

站在我的角度看，又是怎样一番景象呢？我所见到的依然是完全相反的状况。如果你也握着一支钢笔（笔尖朝向相同），在我眼中，它也缩短了一半。

也就说是，当我相对于你进行运动时，你会观察到我的钢笔变短了—同时，从我的角度目测，你的钢笔也变短了。谁的视角是正确的呢？都正确，因为空间是相对的。

在爱因斯坦横空出世之前，为什么从未有人注意到这些效应呢？那是因为，正如前文所指出的，它们只有在“相对论性速度”下才有意义。所谓“相对论性速度”，指的是达到可观察的部分光速的速度。

相对论性速度

光的传播速度可达惊人的每小时10.8亿千米（近似值）。按照爱因斯坦提出的计算公式，我们只有在速度高达每小时几亿千米的运动中方可感知上述提及的这些相对论效应，但是在日常生活中，我们是不可能体验到这样的速度的。以商用喷气式飞机为例，相对于地面，其飞行速度约为每小时966千米，仅为光速的百万分之一。

狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有论及的一系列新效应（即相对论效应），如上文描述的时间膨胀、长度收缩等等。但就日常生活中可能接触的速度而言，这些效应都极其微弱，因而难以引起人们的注意，但它们的确是真实存在的。正如我们即将看到的，截至今日，已有大量证据—从飞机、火箭和卫星上装载的原子钟，到已经测量证实的亚原子微粒的生命周期，再到数不清的实验室实验数据—证明了爱因斯坦所提出的一系列惊人预言的准确性。

证实了相对论效应的种种证据数量庞大，时间前后跨越了一个世纪，那么，从中我们又能得出一个什么样的结论呢？阿尔伯特·爱因斯坦设想中的古怪宇宙便是我们身处的真实宇宙！

爱因斯坦是如何创立狭义相对论的？他又是如何从一个无名小卒脱颖而出成为令同时期的杰出物理学家皆黯然失色的一代宗师的？为了更深刻地理解这些问题，首先我们必须对爱因斯坦本人有所了解，包括其早年生活经历、所受的（包括正式和非正式的）教育以及最重要的—其性格、品质的形成。接下来，就让我们对这些内容进行一番简要回顾。

光荣的联邦雇员

1879年3月14日，星期五。这一天，爱因斯坦在德国城市乌尔姆出生了。这座小城位于与巴伐利亚州相邻的巴登-符腾堡州，坐落于多瑙河畔，其人口构成中仅有2%为犹太人，爱因斯坦就是其中一员。不过，爱因斯坦的父母都不是十分狂热的宗教信徒。

爱因斯坦出生时，他的父亲赫尔曼32岁，母亲玻琳则正值21岁的美好年华。玻琳出生在一个富裕的家庭，她的父亲是一名粮食批发商。赫尔曼则称得上是一名自由思想家，他对此亦十分自豪。爱因斯坦在后来的回忆中称，父亲是一位“十分温和且充满智慧的人”。

随和的赫尔曼是一名电气工程师，“对数学有着浓厚的兴趣”，玻琳是一位琴艺精湛的钢琴家，且个性鲜明。爱因斯坦似乎是从父亲那儿继承了技术能力，又在母亲的言传身教下，培养了不屈不挠的坚韧品格。

据说爱因斯坦直到三岁才学会说话，之后他有了一个古怪的爱好，喜欢自言自语。“他所讲的每一个句子……他都会轻声地对自己重复一遍。”他的妹妹玛娅（图1.1）回忆道。家里的女佣还因此给他取了一个绰号，叫他“小呆瓜”。

图1.1 爱因斯坦与他的妹妹玛娅

爱因斯坦与科学的初次邂逅缘于父亲赠予他的一件袖珍罗盘仪。彼时，年幼的爱因斯坦十分好奇，指南针指针所指的方向到底是如何被真空里那双“无形的手”影响的？“这个经历对我产生了深远的影响，”爱因斯坦回忆道，“在世间可见的事物背后，必定隐藏着某些可追溯的规律。”

10岁那年，爱因斯坦的父母将他送进在慕尼黑享有盛誉的路易波尔德中学就读。这所学校管理严苛，规矩甚多，教学方式十分机械，只会让学生死记硬背，因此，爱因斯坦对这所中学满怀憎恶。而对于老师们而言，爱因斯坦就如同一个噩梦—他聪明、傲慢、无趣、固执，并且从不将所谓的师者权威放在眼里。

12岁时，在好奇心的驱使下（在往后的岁月里，这股好奇心逐渐升温，并最终演变成为探索万物规律的毕生追求），爱因斯坦开始学习犹太教教义，并成了一名虔诚的信徒，不过时间很短，很快便转移了兴趣。当时，爱因斯坦的家人资助了一名贫困的犹太裔学生，叫麦克斯·塔尔梅，他向爱因斯坦介绍了许多有关科学与数学的通俗科普读物以及一些哲学著作。

“通过阅读（这些科普读物），我很快便意识到，《圣经》中所叙述的那些故事不可能是真的，”爱因斯坦如是总结道，“正是这一点催生了我之后对各类权威的怀疑，而这种批判反思的态度也伴随了我终生。”

15岁时，由于爱因斯坦总是扰乱课堂以及对老师不敬，路易波尔德中学的校长忍无可忍开除了他。一年之后，连高中学业都还未全部完成的爱因斯坦竟报名参加了瑞士一所师范院校的入学考试。这所高校正是位于苏黎世的瑞士联邦理工学院，它的师范类专业被视为中欧最好的专业，为周边地区输送了大量优秀的数学与科学教师。

在法语、化学与生物这三个科目的考试中，爱因斯坦均未及格，因为对这几个科目，他未曾用心苦学，不过在数学和物理考试中，他成绩优异，名列前茅。基于此，瑞士理工学院的校长推荐并安排爱因斯坦前往瑞士阿劳的一所先进的非宗教中学就读。一年之后，即1896年，爱因斯坦（图1.2）再一次参加了瑞士理工学院的入学考试，并成功被物理与数学专业录取。

此时的爱因斯坦对其大学生活又有怎样的反应呢？他抱怨设置的课程过时落后，连麦克斯韦方程组这一揭露电场与磁场之间关系的新进理论都没有教授。于是，这位叛逆的年轻人—据爱因斯坦后来亲口讲述的—“开始频繁逃课，然后蜗居在家中自习理论物理，心无旁骛，如痴如醉。”

图1.2 年轻的阿尔伯特·爱因斯坦

干扰我学习的唯一障碍，就是我所接受的教育。

—阿尔伯特·爱因斯坦

爱因斯坦以4.91分的平均成绩从瑞士理工学院毕业，满分成绩为6.0分，因而他的成绩仅为B-。爱因斯坦的班上共有六名毕业生，他排名第五，而他那位性格忧郁内向的塞尔维亚女友米列娃·玛丽克则名列最末，且未获准毕业。

时间来到1900年7月，此时，这位21岁的大学毕业生正忙着四处应聘，但爱因斯坦过往放肆无礼的课堂表现成了其求职路上的绊脚石，比如他的物理教授海因里希·韦伯就写下了许多对他十分不利的评语。爱因斯坦处处碰壁，难以找到一份理想的工作，很快便陷入了财务危机。

此后两年间，爱因斯坦一直在求职的道路上苦苦挣扎，好在他的大学同窗—数学家马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossman）向他伸出了援手。马塞尔的父亲与瑞士专利局的主管是旧交，他为爱因斯坦在专利局谋得了一个工资尚算可观的职位，于是，爱因斯坦进入专利局成了一名技术员，而他的专业也正好能够满足这个岗位的要求—一个能够看懂电磁学领域相关发明专利的物理学人士。

我现在干得挺好的，我现在是个光荣的联邦雇员，

整天只须用墨水笔签签写写，到月底就能拿到稳定的薪水。

—爱因斯坦写给友人的信

这就是那个即将成为我们这个时代最伟大的科学家之一的人，而彼时的他只是一个三级技术员（最低的等级），日复一日地在桌前审阅着不计其数的专利申请。那一年是1902年，23岁的爱因斯坦还是一如既往，一有空闲便埋头钻进物理研究之中。

“我很享受专利局的那份工作，因为它涉及的内容十分多样化，”爱因斯坦回忆道，“而且，我每天只须花两三个小时就能完成一天的工作量，余下的时间我都可以用来干我自己的事情。如果有人经过，我就迅速地把笔记本塞到抽屉里，然后假装认真工作。”

同年，爱因斯坦的父亲赫尔曼不幸离世，这是“我所经历过的最沉重的打击”，爱因斯坦追忆道。临终之际，赫尔曼终于勉强同意了爱因斯坦与其女友米列娃·玛丽克的婚事，1903年初，他们携手走入婚姻殿堂—但他们的家庭成员没有任何一位出席婚礼。

这对新婚夫妇在伯尔尼开始了平静的家庭生活，并在第二年迎来了他们的第一个儿子汉斯·阿尔伯特。初为人父的爱因斯坦很喜欢为儿子制作玩具，许多年之后，他的儿子依然清晰地记得父亲曾用家里的零碎物件为他做了一辆缆车。“那应该是我拥有的最好的玩具之一了，而且它还能动，”汉斯回想道，“他只用一些绳索和小火柴盒，就能做出世界上最美妙的东西。”

1900～1904年，爱因斯坦在欧洲权威的物理学期刊、德国的《物理学年鉴》（Annalen der Physik）上发表了5篇物理学论文，但都没有引起学界的关注。他写给妹妹玛娅的信件中真切地流露了他对自己未来究竟是否能够取得成功的犹疑与彷徨。

不过，在这一时期，伟大思想的种子已经在年轻的爱因斯坦心底悄然扎根、萌芽，而滋养这颗种子的土壤就是与时间相关的重大科学疑难问题。

1900年，一套全新自然法则的诞生

20世纪初期，绝大多数物理学家都是站在伽利略、牛顿和麦克斯韦（图1.3）这三位巨人的肩膀上开展研究的。智慧过人的托斯卡纳科学家伽利略在1638年发表的论文中奠定了经典力学的根基—力是如何影响物体的运动的。他首次提出了自由落体运动的数学公式。

大约50年后，伟大的英国天才艾萨克·牛顿横空出世。他的研究在某种程度上可视为伽利略思想的一种延续，他在力学、光学和万有引力等领域提出了许多极具开拓性的理论，同时，他还发明了微积分。他于1687年发表的《自然哲学的数学原理》一书被公认为是物理学历史上最具影响力的著作之一。

时光又匆匆走过了两个世纪。英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦一手缔造了经典物理学的第三个核心架构。1864年，他发表了一篇在其学术生涯中具有重要地位的论著—《电磁场的动力学理论》，将电场与磁场统一起来，正式创立了电磁学理论。

世纪之交（1900年），科学界迎来了春天。首先是艾萨克·牛顿所提出的几大物理定律取得了空前的成功，两百年之后，基于牛顿理论的种种预测—从气体及日常物体的运动情况，到太阳、行星、月亮及彗星的运行轨迹，再到地球的扁球体形状及地球上潮汐的起落规律—终于一一得到验证。

在牛顿定律难以覆盖的领域，麦克斯韦的理论体系发挥了重大作用。麦克斯韦方程组为人们掌握电场与磁场的本质奠定了坚实的基础，而且事实证明，它所做出的预测是十分伟大的—它揭示了光实质上是一种电磁波。到19世纪末期，科学家们进一步明确了热量与能量之间的关系，光学、化学以及分子理论等领域也取得了许多振奋人心的进展。

图1.3 经典物理学巨匠

在当时的许多人看来，物理学的基础框架似乎已经建构完毕。1900年，物理学家威廉·汤姆孙（亦称为开尔文勋爵）宣称：“如今的物理学领域已经不会再有什么新的发现了，余下的仅是更加精确的测量工作罢了。”在量子力学的创立者之一马克斯·普朗克立志成为物理学家之初，他的导师就曾劝告他“尽早换一个新的研究领域，因为物理学领域的研究工作已经基本结束了”。

不过，还是存在那么一些“反常现象”是当时的科学理论无法解释的。1887年，海因里希·赫兹注意到，若用紫外线光束照射金属表面，金属表面会很快失去它所携带的电荷，即金属的电性质会发生改变。当时，没有人能为这个奇特的“光电效应”提供一个合理的解释。9年之后，亨利·贝可勒尔（Henri Becquerel）发现，铀盐会持续不断地发出某种未知辐射，那时，对于这种所谓的放射现象的运作原理，人们不得而知。

受热物体只会发出某几种特定颜色的光，比如烧红了的火棍就只泛红光，对于这一现象，无人知晓其根源所在。著名的迈克耳孙-莫雷实验则否认了以太（ether，人们想象中的可传播光的介质）的存在。同时，人们对水星运行轨道的测算结果也与牛顿的预测有少许不同。

在众多令科学家束手无策的“反常现象”中，有一个与本书的讨论密切相关，那就是牛顿定律与麦克斯韦理论之间存在的固有分歧—一个有关匀速运动所产生的影响的根本性冲突。

犹如地震之初的微弱振动，经典物理学领域的变革轰鸣已然隐隐作响。20世纪初期的科学家们为探寻这些反常现象背后的深层原因所做出的种种努力，将最终促成一套全新自然法则的诞生。这些新生理论散发着诡异而绮丽的光辉，对人们关于真实本身的最基本假定提出了质疑，这些理论包括：

·量子力学

·狭义相对论

·广义相对论

量子力学是由20世纪早期包括爱因斯坦在内的若干物理学家共同创立的，显然，它已大大超出了本书的讨论范畴—须用另一整本书才能清楚阐明其缘起及内涵。

与量子力学不同，狭义相对论和广义相对论的瑰丽世界只有一位造世主，他就是阿尔伯特·爱因斯坦。

无论是在苏黎世那段时常旷课的日子，还是在伯尔尼专利局工作的空隙，抑或是在家中陪伴妻子米列娃和儿子汉斯·阿尔伯特的空闲时间，爱因斯坦的脑子里无时无刻不充斥着各个物理谜题。终于，人类迎来了科学历史上的“奇迹之年”，在那一年，爱因斯坦向世界公开了他多年研究的成果。

奇迹在一支铅笔、一沓白纸之间

1905年，26岁的阿尔伯特·爱因斯坦在《物理学年鉴》第17卷上（图1.4）公开发表了三篇论文，这三篇论文旨在解决一些其他科学家未曾注意到的物理学矛盾，并为人类提供一个看待所谓真实的全新视角。爱因斯坦写信给友人道，这些论文都是他在空闲时间完成的。这三篇论文分别涉及：

图1.4 《物理学年鉴》第17卷的封面

此书刊登了爱因斯坦闻名于世的三篇关于光电效应、布朗运动以及狭义相对论的论文。

光电效应定律—在这篇具有开创性意义的论文中，爱因斯坦提出了光量子假说，以解释光电效应的发生原理。爱因斯坦以马克斯·普朗克的构想为基础，大胆断言，光既具有波的性质，也具有粒子的性质。爱因斯坦认为这一假设“极具革命性”，而事实上也的确如此。普朗克和爱因斯坦的研究成果为量子力学的诞生奠定了坚实的科学根基。

布朗运动—科学家们早在至少一百年前便已观察到，悬浮于水中、小如尘埃的微粒会持续不停地进行不规则运动，但他们却始终无法解释这种运动产生的原因。爱因斯坦提出，这类运动产生的根源在于个体水分子的热振动—这是对原子与分子的真实存在性的首次有力证明。

狭义相对论—在这篇论文中，爱因斯坦提出了一个颠覆性的概念，即空间与时间是相对的。传记作家罗兰·克拉克称其为“人类历史上最伟大的科学论文之一……它推翻了人类长期以来对时间和空间的既有观念，伦敦《泰晤士报》甚至认为它是‘对人类常识的冒犯’”。

爱因斯坦认为，这篇有关狭义相对论的论文“目前仅是一个较为粗糙的初稿……对有关空间和时间的理论作了稍许修改”。

爱因斯坦没有实验室，因此，其论文提及的所有实验他都未曾亲自做过。他有的，仅是指间的铅笔以及一沓白纸。他是一个真真正正的理论物理学家，所有关于光电效应、布朗运动以及相对论的理论假设皆为纯粹的思维产物。

爱因斯坦之所以能在科学领域取得如此不凡的成就，其性格特质所发挥的作用丝毫不亚于他卓越的科研能力。他的独立自主、倔强执着以及对普遍思想的排斥虽然在学生时代给他造成了不小的麻烦，但对于他之后取得的众多革命性突破却是至关重要的。

爱因斯坦究竟是如何做到这一切的？这位籍籍无名的专利局雇员是怎样发现时空相对性的？爱因斯坦即将踏上通往狭义相对论的伟大征途，而这条道路的起点便始于伽利略、牛顿和麦克斯韦构筑的物理学世界—他们的成就以及他们的分歧。

而这将是第二章主要讲述的内容。

阿尔伯特·爱因斯坦（1897—1955）