愛因斯坦＜相對論提出者＞ 江銘輝 五夢網
圖1：愛因斯坦是近代最偉大的物理學家，他所提的相對論與牛頓所提出的萬有引力定律，為物理界千古以來最偉大的二大發現。
一、 前言
愛因斯坦（Albert Einstein：圖1）是近代最偉大的物理學家，他所提的相對論與17世紀物理巨人「牛頓」所提出的萬有引力定律，為物理界千古以來最偉大的二大發現。人們除了把他與原子彈連想在一起外，他的狹義、廣義相對論及光電效應，對物理的影響更為廣大、深遠。
二、 幼年時候
圖2：愛因斯坦的父母親
母親也因為愛因斯坦說話有遲鈍，就教他學習小提琴，從此小提琴成了他的終生伴侶，母親還因覺得學校填鴨式的教育不適合他，便與父親商量給他請了一位能幹的家庭教師。
11歲時，因為德國法律規定，必須在家接受中宗教教育，他也非常虔誠，每天在上、下學時，寫些聖歌，邊走邊唱，不過一年後就不再感興趣。
1894年，愛因斯坦的家族，經營生意失敗，父母親只好離開慕尼黑越過阿爾卑斯山，先到義大利的米蘭，幾個月後再遷移到帕維亞（Pavia），當時只有15歲的愛因斯坦，繼續留在慕尼黑以完成學業。愛因斯坦想念父母親和小妹，也痛恨自己一個人留在慕尼黑，而他自認是數學天才，也激怒老師。其中一位老師更因為愛因斯坦坐在教室後排，時常露出微笑，認為有損其老師尊嚴，要愛因斯坦不要上他的課。
在思親及討厭上課下，1895年春天，他16歲，便私自輟學去意大利與家人團聚。他的輟學使愛因斯坦非常擔憂自己如果繼續留在德國，依德國法律規定，他17歲時就會被強迫入伍。家裡的人對他擅離學校感到非常失望和生氣。不過愛因斯坦答應家人會好好用功，以便參加瑞士蘇黎世理工學院（Swiss Federal Institute of Technology Zurich）的入學考試，他還說他想放棄德國的國籍，成為瑞士的公民。雖然他的數學和自然科學的成績很好，但因其他學科的成績太差而未被錄取。該校校長推荐他去瑞士北部德語區阿勞（Aarau）州立中學補習一年。他非常喜愛這所中學。學校的自由精神和不崇尚權威的精神，給愛因斯坦留下了難忘的印象。求學期間，他住住宿在約斯特.恩特勒 （Jost Winteler）教授的家裡，他愛上了教授的女兒瑪麗（Marie）。（愛因斯坦的妹妹瑪雅（Maja）後來嫁給了恩特勒的兒子，保羅。）在阿勞時，愛因斯坦研究麥克斯韋（Maxwell）的電磁理論。
三、瑞士蘇黎世理工學院讀書
在準備考試期間，愛因斯坦寫下一篇「我的志願」，文中他說：「……我之所以學習數學與物理，是想像我將來會成為自然科學的老師，所以選擇其中關於理論的部分。我會訂出這樣的計畫是有原因的，因為抽象的、及數學思考乃是我最大的興趣……。每個人都會挑自己的專長去作，而且以科學為職業，也是有相當的獨力自主，這點令我感到非常高興。」16歲的愛因斯坦腦子裡經常被一個問題困擾羞，"如果人和光走得一樣快，那麼光看起來是個什麼樣于呢?"這雖然是個無法回答的問題，但他卻為之不懈地思考了10年。
1896年2月，17歲時，他獲准脫離德國國籍。1901年獲瑞士國籍。
這年暑假後，他從阿勞中學畢業獲得一張文憑，這張文憑使愛因斯坦免掉入學考試，直接進入蘇黎世理工學院就讀4年，以便獲得文憑，將來當數學、物理教師。而瑪麗. 恩特勒也搬到瑞士的奧斯柏格（Olsberg）當起老師。這時，父親的事業又虧本了，全家又遷回米蘭，他依賴每月100瑞士法郎的學校補貼，過生活。
愛因斯坦深入地鑽研他所酷愛的物理學，閱讀了著名物理學家基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）、亥姆霍茲（Hermannvon Helmholtz）和赫茲（Henrich Hertz）的著作，麥克斯韋的電磁理論和馬赫（Ernst Mach）的力學，並且經常去理論物理學教授的家中求教，另一方面，他用大部分時間去物理實驗室做實驗。但實驗時，愛因斯坦總是不按教授們給規定的程序和方法去做，教授非常反感。有一位教授韋伯（Heinrich Weber）就曾語帶尖刻地對他說：「你是個聰明的孩子，可是你有一個很大的缺點，你不接受別人教你的任何事。」
在大學學習期間，他有幸結識幾位優秀的數學教授，如閔科夫斯基（Hermann Minkowski）、胡爾維茲（Adolf Hurwitz）等，又因他執著於獨立思考，不拘生活小節而引起某些教授們的不滿。以致1900年畢業時同班三個同學想留校任助教，而唯獨他未能如願。
在這四年的學習時間中，他最要好的同學是格羅斯曼（Marcel Grossmann）。有一位匈牙利來的女同學米列娃.瑪立奇（Mileva Marić），她是班上6位同學中，唯一的女生。常常和愛因斯坦一起研讀，在接下來的幾年裡，愛因斯坦和瑪立奇的友誼發展到愛情，他們一起看愛因斯坦所喜歡的課外物理學，但是在1900年，愛因斯坦獲得了蘇黎世理工學院教學文憑，但瑪立奇卻在數學部分的函數論考試不及格。
四、專利局裡擔任第三級科技專員
愛因斯坦畢業了，也具有教師的資格，他必須工作。由於他和韋伯教授之間的衝突，使他無法在母校覓得教職，所以他寫信給另外兩所著名大學的教授，希望謀得一個職位，不料卻得不到任何回音。這樣過了一年後，他才在一所私立學校獲聘一年，雖然這並不是他所期望的，不過愛因斯坦卻喜歡這份工作。
教書之餘，愛因斯坦還是繼續從事研究的工作。也替科學雜誌寫文章。1901年，他向蘇黎士大學提出一篇論文，可是蘇黎士大學拒絕授與他博士學位，他感到非當失望。這對愛因斯坦而言，就好像是整個科學界都聯合起來否定他似的。
這時候，好朋友格羅斯曼再次對他伸出援手。格羅斯曼的父親是瑞士位有名望且廣受尊崇的人士，他向一位在伯恩（Bern）擔任專利局局長的朋友推薦愛因斯坦，1902年6月，也就是愛因斯坦畢業兩年之後，他終於找到一份合適的工作，在專利局裡擔任第三級科技專員，專門審查並登錄由瑞士發明家們所送來的專利申請案件。 愛因斯坦很喜歡在專利局所從事的工作，因為工作本身就具有科學性，除此之外，他還有很多空餘時間可以繼續作自己喜歡的研究工作。專利局的薪資剛開始時的年薪是3500瑞士法郎，這是學生時代，他父母所給生活費的三倍，而且不久他又升等為第二級科技專員。他的頂頭上司非常喜歡他，也賞識他的能力。曾經這樣描述他:「局裡頭最受人敬重的專員之一。」，這樣他從1902年6月至1909年10月，總共在瑞士聯邦專利局工作七年，這是他一生中最愉快的時期，也是他的科學生涯最富於創造力的時期。
五、結婚
愛因斯坦有了固定工作之後，有能力成家了。在蘇黎世理工學院就讀，他認識了塞爾維亞女同學米列娃.瑪立奇（Mileva Marić）（圖3），瑪立奇是位十分聰穎的女性，有著一顆追根究底的心和強烈的個性。她和愛因斯坦的處境類似，也是逃到瑞士尋求庇護的。瑪立奇的家庭原籍希臘，而她則是在匈牙利長大成人。
在當時．接受高等教育的婦女並不多。而在這些婦女之中，也只有心意最堅決的人，才會選擇傳統上主要都是由男性學習的數學和物理等科目，著名的科學家也只有居里夫人等寥寥幾人而已。因此瑪立奇在這方面稱得上是個奇女子。
愛因斯坦和瑪立奇時常見面，且就科學上的問題進行討論。不久之後，他們開始通信，信中互相提出新的想法並討論彼此的理論。似乎在愛因斯坦畢業不久之後，他們就有結婚的打算。不過，他們卻面臨著來自因斯坦家庭的反對，尤其是愛因斯坦的母親，她一直就不喜歡瑪立奇。1903年1月，就在愛因斯坦所敬愛的父親過世後不久，愛因斯坦不顧母親反對，舉行了婚禮。開始時，這對年輕的夫婦似乎非常快樂，成為父親後，愛因斯坦也很高興。他的第一個兒子漢斯（Hans Albert Einstein）於1904年5月誕生，另一個兒子則出生於1910年7月。
圖3：愛因斯坦的妻子米列娃.瑪立奇
六、提出狹義相對論、光電效應、布朗運動公式
愛因斯坦在專利局工作之前，就已經開始在當時頂尖的科學刊物上發表論文了。進專利局後，從1903年起，和另外二位年輕的科學家組成了「奧林匹亞學院(Olympia Academy)，他們時常見面，討論有關於物理、哲學和文學各方面的問題。他們也一起吃飯。根據愛因斯坦日後的回憶，那真是一段快樂的時光，有一份不錯的工作和一群支持他的朋友，一位聰慧的太太，隨時都能在工作上協助他，還有個兒子。
1901年，愛因斯坦的論文在麥管的毛細管力（capillary forces of a straw）發表在著名物理年鑑（Annuals of Physics）。1905年4月30日，愛因斯坦26歲時，他在阿弗雷德.克萊納（Alfred Kleiner，實驗物理學教授）指導下，完成了他的論文中。被授予蘇黎世大學的博士學位。他的論文題目是「一種新的分子大小測定」。就在同一年，這被稱為愛因斯坦的奇蹟年，他發表了四份開創性的論文，包括光電效應，布朗運動，狹義相對論、等價的物質和能量，這是把他帶到通知學術世界。
1. 狹義相對論、等價的物質和能量
狹義相對論有二個基本原理，一是光速在真空中永遠是以每秒鐘29.9792458萬公里前進。一是所有物體的運動是相對的。利用這二個原理，愛因斯坦發現時間、長度和質量都會改變，同時他也發現質量和能量還可以互換的等價物質和能量，並導出方程式即：E＝mc2，E代表能量，m代表能量，c代表光速（每秒鐘29.9792458萬公里）。由此可算出，1公克質量的消失，所放出的能量，可以供一只100瓦特的電燈泡使用約300萬小時。這個方程式解釋了太陽及恒星能量的來源。並且使人類進入了原子時代。核能發電廠和原子彈，就是利用原子核質量變化時所釋放出的能量。
從狹義相對論的這二個基本原理所推出的時間、長度和質量改變，我們也得出許多有趣的推論，譬如：運動中的時間會變慢，如等速直線飛行的太空船，以每秒鐘29.97萬公里前進光速飛行，那麼這條高速飛行的太空船，經過1年後，地球就經過40年，一年後（太空船的時間），太空船回到地球，太空船的人只增加1歲，而他的兄弟若還活著至少增加了40歲。運動中的物体其長度會縮短，質量會變大，一個在地球上60公斤的太空人，在每秒29.9萬公里的太空船，質量就變成822公斤。
狹義相對論的應用是在高速運動的物體，特別是物體的速度接近光速時。因為在一般生活中，我們面對的物質速度都比光速小很多，所以時間、長度和質量的改變，都很小，看不出來。所得的計算結果和牛頓力學得出結果一樣。
2. 布朗運動
西元1827年，英國植物學家勞伯‧布朗 (Robert Brown) 利用一般的顯微鏡觀察懸浮於水中的花粉粒時，發現花粉粒會做連續快速而不規則的隨機移動，這種移動稱為布朗運動。接著生物學家發現懸浮於液體或空氣中直徑小於 0.04 公分的粒子都會產生布朗運動。譬如，當陽光射進暗室時，我們很容易從光束中觀察到灰塵粒子在空氣中產生布朗運動的現象。愛因斯坦 (Einstein) 於1906年發現，不管粒子的運動有多麼不規則，布朗運動仍可以用機率律來分析，其研究說明了粒子在一段時間內之位移是根據常態分配的。愛因斯坦是第一個以物理原理和數學方程式解釋布朗運動現象，可說是布朗運動動力論的先驅。
3.光電效應
１９０５年，愛因斯坦發表了論文＜關於光的產生和轉化的觀點＞，提出光量子理論和光電方程式。因為密立根實驗證實了他的光電方程，並且光量子理論開始被人們接受並，因此1921年得諾貝爾獎。
光到底是波還是粒子，自古以來爭論不休，今日的說法是光既是波，也是粒子。有一個現象：光照射到金屬表面時，電子從金屬表面逸出的現象稱為光電效應。有趣的是，若說光電效應是證明光的粒子性，但發現這一效應卻是研究電磁波波動性的赫茲在1887年時偶然發現的。他用兩套放電電極做實驗，一套產生振盪，發出電磁波，另一套充當接收器。他發現當紫外光照在負電極上時，放電就比較容易發生。他寫了論文叫：《紫外線對放電的影響》發表，之後引起了許多物理學家的注意。
後來，俄國學者斯托列托夫確認了這個事實。在光電效應中光照射在電極板，由電極板發射出來的電子叫做光電子。赫茲的助手勒納利用各種頻率的光照射鈉汞合金板，對光電效應現象進行了系統的研究。他發現光電效應具有三個主要性質：一、每種金屬表面都存在一個最低的頻率，頻率小於某種的入射光，不管其強度有多大，都不能發生光電效應。二、是射出光電子的動能和入射光的頻率有關，和入射光的強度無關。三、只要入射光的頻率大於其某一頻率，無論它多微弱，都立即會引起光電子反射，這三個主要性質用光的古典波動理論根本無法解釋。
１９０５年，愛因斯坦發表了論文＜關於光的產生和轉化的觀點＞，成功的解釋了光電效應。他以勒納利總結的光電效應性質作為光是微粒的根據，並且，提出了光的量子假說。他說，一束單色光，就是一束以光速運動的粒子，這些粒子稱為光子，每個光子都有一定的能量，它是頻率乘以普朗克常數，也就是頻率為ν的光，其光子能量為E＝hν ，h為普朗克常數。光束的能量就是這些光子能量的總和，一定頻率的光，光子的數量越多，光的強度就越大，光電效應是由於金屬中的自由電子吸收了光子能量而從金屬中逸出而發生的。這個假說愉１９１６年被實驗所證實。
七、周遊各國
1908年他已被公認是著名的科學家，這時伯恩大學（University of Bern）聘他為講師，從此他才有緣進入學術機構工作。1909年離開專利局，任蘇黎世大學理論物理學副教授。1911年任布拉格查理士大學理論物理學教授（Charles University in Prague），1912年任母校蘇黎世聯邦工業大學教授。1914年，應普朗克（Max Planck）和能斯脫（Walther Hermann Nernst）的邀請，回到德國後，被任命為德皇威廉物理研究所的所長（從1914年到1932年）和柏林洪堡德大學教授，他的合同有一項特別條款，就是他不受大多教學義務的束縛，並且成為會員的普魯士科學院。
在應普朗克和能斯脫的邀請，回到德國任職時，他的太太和兒子也跟著去柏林，但沒有住多久，她們又回到蘇黎世，因為他的太太喜歡住在蘇黎世。愛因斯坦於是於1914年與太太分居。並於1919年離婚。愛因斯坦事後承認離婚是他的錯。
1914年8月1日，徳國向英、法、俄宣戰，發生第一次世界大戰，此時瑞士宣布中立。所以對愛因斯坦本身不受影響。不過他是個厭惡戰爭所造成生命損失，以及戰爭對於參戰國家的科學及文明的破壞，1915年愛因斯坦和許多來自各處的知名人士，簽署了一份「告歐洲人民書」的宣言。在宣言中，他們呼籲每個人應該珍惜「歐洲的文化」，成立國家聯邦，合作，和平相處。
八、廣義相對論的提出
狹義相對論雖然是物理學的一次大革命，但它不是完美的物理體系，它只適用在「等速直線運動的物體」，對於加速度的物體，只好再發明「廣義相對論」來解釋，在廣義相對論裡，愛因斯坦也提出二個原則，第一條是「等效原理」即一個加速度運動物體，物體會自動改變運動狀態。比如在火車加速起動時，人會向後仰，好像有外力把他向後拉，這叫「慣性力」。愛因斯坦認為萬有引力和加速運動的慣性力，並沒有區別，效果完成一樣。譬如我們在電梯內量體重，會發現電梯起動向上時，體重會增加，煞車時體重會減少。廣義相對論原則的第二條是廣義的相對原理，即在一個加速運動中的物體，可以看作是一個接受引力的等速運動的物體。依此原理，愛因斯坦宣稱：「在巨大物質的萬有引力下，光線也是彎曲的。」地球表面是個球面，在二個機場之間，飛行的飛機，不是直線，而是曲線，這是很容易了解的。可是說，光在萬有引力下，會彎曲，人們就不相信。愛因斯坦不但肯定光線經過質量很大的物體（如太陽）時會彎曲，而且計算出偏差的角度。
1911年，他根據他的新理論廣義相對論計算，光線從另一顆恆星射出時，由太陽的引力會彎曲及彎曲的角度。這個預言，於1919年11月7日日全食時，由英國天文學家愛丁頓（Sir Arthur Eddington）等人的觀測結果所證實，全世界為之轟動（圖4）。國際媒體爭相報導使愛因斯坦世界聞名。英國著名的泰晤士報上面寫著：「革命的科學 －新論宇宙 －牛頓思想推翻了」 ，同時也招來了德國和其他國家的沙文主義者、軍國主義者和排猶主義者的惡毒攻擊。
圖4：光線從另一顆恆星（或地球）射出時，由太陽的引力會彎曲及彎曲的角度。
從牛頓「萬有引力」與愛因斯坦「廣義相對論」觀的看來，根據萬有引力的法則，宇宙的所有天體，彼此都有萬有引力，而保持均衡。也就是天體在一樣的分佈密度中持續到無限。換言之，萬有引力倡導一個三維「無限空間的宇宙論」。「廣義相對論」則認為「宇宙是有限，但無盡頭」，如果有人從地球上出發一直往前走，一定會沿著時空的彎曲面不知不覺回到了自己的地球上。如果想藉用超強力望遠鏡看宇宙的盡頭，將會看見自己的背影，但是在看見自己背影之前，得花上十幾億年的時間（光繞封閉宇宙一圈所須的時間）。（圖5）
圖5：封閉的宇宙直徑相當於4億光年，如果想藉用超強力望遠鏡看宇宙的盡頭，將會看見自己的背影。
九、諾貝爾物理獎
1916年，愛因斯坦被任命為德國物理協會的主席（1916年至1918年）。
1920年，應洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz）和埃倫菲斯特（Paul Ehrenfest）的邀請，愛因斯坦兼任荷蘭萊頓大學（Leiden University）特邀教授。
由於相對論仍被認為有些爭議，而愛因斯坦解釋了光電效應，對世人貢獻很大，因此於1921年頒給他諾貝爾物理獎。此外，他還獲得了1925年英國皇家學會頒發的科普利獎章。
1933年1月納粹上台，愛因斯坦是科學首要的迫害對象，幸而當時他在美國講學，未遭毒手，3月他回歐洲後避居比利時，9月9日發現受蓋世太保跟縱，星夜渡海到英國，10月轉赴美國普林斯頓，任新建的高級研究院教授，直至1945年退休。1940年，愛因斯坦取得美國國籍。1939年，他獲悉鈾核裂變及其鏈式反應的發現，在匈牙利物理學家西拉德（Leo Szilard）推動下，愛因斯坦上書給羅斯福總統，建議研製原子彈，以防德國佔先。第二次世界大戰結束前夕，美國在日本投擲原子彈，愛因斯坦對此強烈不滿。戰後，他為反對核戰爭的和平運動的開展，進行了不懈的鬥爭。
1952年，以色列為了感謝愛因斯坦過去對於猶太人的幫助和促進國際和平與合作所作的努力，一致希望他能夠擔任以色列的第二任總統。這是一項殊榮，不夠愛因斯坦那時已73歲了，同時體力也不行，他知道自己並不適合從事政治，於是委婉拒絕。
十、偉人的去世
1955年4月18日因主動脈瘤破裂，愛因斯坦逝世於普林斯頓。遵照他的遺囑，不舉行喪禮，不築墳墓，不立紀念碑，骨灰撒在永遠對人保密的地方，為的是不使這個地方成為聖地，供人朝聖。愛因斯坦在科學上的成就是空前的，他也是一位出色的業餘小提琴家，並且博覽群書。大家問他什麼是成功的最高原則，他說：「如果A代表成功，則A＝X＋Y＋Z，X是努力工作，Y是遊戲，……」那Z是什麼呢？大家好奇的追問，答案是：「閉起你的嘴，盡量少說話。」