爱因斯坦＜相对论提出者＞ 江铭辉 五梦网
图1：爱因斯坦是近代最伟大的物理学家，他所提的相对论与牛顿所提出的万有引力定律，为物理界千古以来最伟大的二大发现。
一、 前言
爱因斯坦（Albert Einstein：图1）是近代最伟大的物理学家，他所提的相对论与17世纪物理巨人「牛顿」所提出的万有引力定律，为物理界千古以来最伟大的二大发现。人们除了把他与原子弹连想在一起外，他的狭义、广义相对论及光电效应，对物理的影响更为广大、深远。
二、 幼年时候
图2：爱因斯坦的父母亲
一年后，也就是1880年6月，爱因斯坦全家搬到慕尼黑（Munich），在那里，他的父亲和叔叔一起经营一家小规模的电器工厂，爱因斯坦就在那里度过了他的童年。他幼年时，反应好像有点迟钝，3岁才开始讲话，5岁时入天主教小学就读3年（第一级）。6岁时，在课堂上被老师叫到名字时，竟呆若木鸡，8岁爱因斯坦转学到路透波尔德学堂（Luitpold Gymnasium），继续上小学第二级的课。在9岁时，虽然他口齿尚不伶俐，语言有问题，但他在小学的成绩仍然名列前茅。他
母亲也因为爱因斯坦说话有迟钝，就教他学习小提琴，从此小提琴成了他的终生伴侣，母亲还因觉得学校填鸭式的教育不适合他，便与父亲商量给他请了一位能干的家庭教师。
爱因斯坦5岁的时候，有一天，他生病了，他的父亲送给了他一个口袋型罗盘，他对于罗盘的指针在没有外力下，居然自己能够转动，感到非常号好奇，提出许多问题，问他的父亲到底是什么神秘力量造成指针永远指向北方？爱因斯坦的叔叔雅可布（Jacob）是位技术人员，此时正与哥哥（爱因斯坦的父亲）一起经管发电机及浮光灯工厂。知道这事后认为这孩子头脑很不简单，要加以培养。于是就给年幼的爱因斯坦解释欧几里得的几何原理，同时又在家庭教师的启发和诱导下，爱因斯坦对数学产生了浓厚的兴趣，进步千里。在家人的鼓励下，在他十岁时（公元1889年），一位叫塔姆德（Max Talmud）的医学院学生，便定期到爱因斯坦的家来吃晚餐，借给他关于科学及哲学方面的书籍，和他讨论各种科学及数学，包括康德（Immanuel Kant）的纯粹理性批判（Critique of Pure Reason）和欧几里德的原本，也开始学微积分。塔姆德是一个从波兰来的犹太穷学生。犹太小区的安排塔姆德每周星期四与爱因斯坦吃饭为期六年。在此期间，塔姆德全力教导爱因斯坦，许多通俗有趣的课程。
11岁时，因为德国法律规定，必须在家接受中宗教教育，他也非常虔诚，每天在上、下学时，写些圣歌，边走边唱，不过一年后就不再感兴趣。
1894年，爱因斯坦的家族，经营生意失败，父母亲只好离开慕尼黑越过阿尔卑斯山，先到意大利的米兰，几个月后再迁移到帕维亚（Pavia），当时只有15岁的爱因斯坦，继续留在慕尼黑以完成学业。爱因斯坦想念父母亲和小妹，也痛恨自己一个人留在慕尼黑，而他自认是数学天才，也激怒老师。其中一位老师更因为爱因斯坦坐在教室后排，时常露出微笑，认为有损其老师尊严，要爱因斯坦不要上他的课。
在思亲及讨厌上课下，1895年春天，他16岁，便私自辍学去意大利与家人团聚。他的辍学使爱因斯坦非常担忧自己如果继续留在德国，依德国法律规定，他17岁时就会被强迫入伍。家里的人对他擅离学校感到非常失望和生气。不过爱因斯坦答应家人会好好用功，以便参加瑞士苏黎世理工学院（Swiss Federal Institute of Technology Zurich）的入学考试，他还说他想放弃德国的国籍，成为瑞士的公民。虽然他的数学和自然科学的成绩很好，但因其他学科的成绩太差而未被录取。该校校长推荐他去瑞士北部德语区阿劳（Aarau）州立中学补习一年。他非常喜爱这所中学。学校的自由精神和不崇尚权威的精神，给爱因斯坦留下了难忘的印象。求学期间，他住住宿在约斯特.恩特勒（Jost Winteler）教授的家里，他爱上了教授的女儿玛丽（Marie）。（爱因斯坦的妹妹玛雅（Maja）后来嫁给了恩特勒的儿子，保罗。）在阿劳时，爱因斯坦研究麦克斯韦（Maxwell）的电磁理论。
三、瑞士苏黎世理工学院读书
在准备考试期间，爱因斯坦写下一篇「我的志愿」，文中他说：「……我之所以学习数学与物理，是想象我将来会成为自然科学的老师，所以选择其中关于理论的部分。我会订出这样的计划是有原因的，因为抽象的、及数学思考乃是我最大的兴趣……。每个人都会挑自己的专长去作，而且以科学为职业，也是有相当的独力自主，这点令我感到非常高兴。」16岁的爱因斯坦脑子里经常被一个问题困扰羞，"如果人和光走得一样快，那么光看起来是个什么样于呢?"这虽然是个无法回答的问题，但他却为之不懈地思考了10年。
1896年2月，17岁时，他获准脱离德国国籍。1901年获瑞士国籍。
这年暑假后，他从阿劳中学毕业获得一张文凭，这张文凭使爱因斯坦免掉入学考试，直接进入苏黎世理工学院就读4年，以便获得文凭，将来当数学、物理教师。而玛丽. 恩特勒也搬到瑞士的奥斯博格（Olsberg）当起老师。这时，父亲的事业又亏本了，全家又迁回米兰，他依赖每月100瑞士法郎的学校补贴，过生活。
爱因斯坦深入地钻研他所酷爱的物理学，阅读了著名物理学家基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）、亥姆霍兹（Hermannvon Helmholtz）和赫兹（Henrich Hertz）的著作，麦克斯韦的电磁理论和马赫（Ernst Mach）的力学，并且经常去理论物理学教授的家中求教，另一方面，他用大部分时间去物理实验室做实验。但实验时，爱因斯坦总是不按教授们给规定的程序和方法去做，教授非常反感。有一位教授韦伯（Heinrich Weber）就曾语带尖刻地对他说：「你是个聪明的孩子，可是你有一个很大的缺点，你不接受别人教你的任何事。」
在大学学习期间，他有幸结识几位优秀的数学教授，如闵科夫斯基（Hermann Minkowski）、胡尔维兹（Adolf Hurwitz）等，又因他执着于独立思考，不拘生活小节而引起某些教授们的不满。以致1900年毕业时同班三个同学想留校任助教，而唯独他未能如愿。
在这四年的学习时间中，他最要好的同学是格罗斯曼（Marcel Grossmann）。有一位匈牙利来的女同学米列娃.玛立奇（Mileva Marić），她是班上6位同学中，唯一的女生。常常和爱因斯坦一起研读，在接下来的几年里，爱因斯坦和玛立奇的友谊发展到爱情，他们一起看爱因斯坦所喜欢的课外物理学，但是在1900年，爱因斯坦获得了苏黎世理工学院教学文凭，但玛立奇却在数学部分的函数论考试不及格。
四、专利局里担任第三级科技专员
爱因斯坦毕业了，也具有教师的资格，他必须工作。由于他和韦伯教授之间的冲突，使他无法在母校觅得教职，所以他写信给另外两所著名大学的教授，希望谋得一个职位，不料却得不到任何回音。这样过了一年后，他才在一所私立学校获聘一年，虽然这并不是他所期望的，不过爱因斯坦却喜欢这份工作。
教书之余，爱因斯坦还是继续从事研究的工作。也替科学杂志写文章。1901年，他向苏黎士大学提出一篇论文，可是苏黎士大学拒绝授与他博士学位，他感到非当失望。这对爱因斯坦而言，就好像是整个科学界都联合起来否定他似的。
这时候，好朋友格罗斯曼再次对他伸出援手。格罗斯曼的父亲是瑞士位有名望且广受尊崇的人士，他向一位在伯尔尼（Bern）担任专利局局长的朋友推荐爱因斯坦，1902年6月，也就是爱因斯坦毕业两年之后，他终于找到一份合适的工作，在专利局里担任第三级科技专员，专门审查并登录由瑞士发明家们所送来的专利申请案件。 爱因斯坦很喜欢在专利局所从事的工作，因为工作本身就具有科学性，除此之外，他还有很多空余时间可以继续作自己喜欢的研究工作。专利局的薪资刚开始时的年薪是3500瑞士法郎，这是学生时代，他父母所给生活费的三倍，而且不久他又升等为第二级科技专员。他的顶头上司非常喜欢他，也赏识他的能力。曾经这样描述他:「局里头最受人敬重的专员之一。」，这样他从1902年6月至1909年10月，总共在瑞士联邦专利局工作七年，这是他一生中最愉快的时期，也是他的科学生涯最富于创造力的时期。
五、结婚
爱因斯坦有了固定工作之后，有能力成家了。在苏黎世理工学院就读，他认识了塞尔维亚女同学米列娃.玛立奇（Mileva Marić）（图3），玛立奇是位十分聪颖的女性，有着一颗追根究底的心和强烈的个性。她和爱因斯坦的处境类似，也是逃到瑞士寻求庇护的。玛立奇的家庭原籍希腊，而她则是在匈牙利长大成人。
在当时．接受高等教育的妇女并不多。而在这些妇女之中，也只有心意最坚决的人，才会选择传统上主要都是由男性学习的数学和物理等科目，著名的科学家也只有居里夫人等寥寥几人而已。因此玛立奇在这方面称得上是个奇女子。
爱因斯坦和玛立奇时常见面，且就科学上的问题进行讨论。不久之后，他们开始通信，信中互相提出新的想法并讨论彼此的理论。似乎在爱因斯坦毕业不久之后，他们就有结婚的打算。不过，他们却面临着来自因斯坦家庭的反对，尤其是爱因斯坦的母亲，她一直就不喜欢玛立奇。1903年1月，就在爱因斯坦所敬爱的父亲过世后不久，爱因斯坦不顾母亲反对，举行了婚礼。开始时，这对年轻的夫妇似乎非常快乐，成为父亲后，爱因斯坦也很高兴。他的第一个儿子汉斯（Hans Albert Einstein）于1904年5月诞生，另一个儿子则出生于1910年7月。
图3：爱因斯坦的妻子米列娃.玛立奇
六、提出狭义相对论、光电效应、布朗运动公式
爱因斯坦在专利局工作之前，就已经开始在当时顶尖的科学刊物上发表论文了。进专利局后，从1903年起，和另外二位年轻的科学家组成了「奥林匹亚学院(Olympia Academy)，他们时常见面，讨论有关于物理、哲学和文学各方面的问题。他们也一起吃饭。根据爱因斯坦日后的回忆，那真是一段快乐的时光，有一份不错的工作和一群支持他的朋友，一位聪慧的太太，随时都能在工作上协助他，还有个儿子。
1901年，爱因斯坦的论文在麦管的毛细管力（capillary forces of a straw）发表在著名物理年鉴（Annuals of Physics）。1905年4月30日，爱因斯坦26岁时，他在阿弗雷德.克莱纳（Alfred Kleiner，实验物理学教授）指导下，完成了他的论文中。被授予苏黎世大学的博士学位。他的论文题目是「一种新的分子大小测定」。就在同一年，这被称为爱因斯坦的奇迹年，他发表了四份开创性的论文，包括光电效应，布朗运动，狭义相对论、等价的物质和能量，这是把他带到通知学术世界。
1. 狭义相对论、等价的物质和能量
狭义相对论有二个基本原理，一是光速在真空中永远是以每秒钟29.9792458万公里前进。一是所有物体的运动是相对的。利用这二个原理，爱因斯坦发现时间、长度和质量都会改变，同时他也发现质量和能量还可以互换的等价物质和能量，并导出方程式即：E＝mc2，E代表能量，m代表能量，c代表光速（每秒钟29.9792458万公里）。由此可算出，1公克质量的消失，所放出的能量，可以供一只100瓦特的电灯泡使用约300万小时。这个方程式解释了太阳及恒星能量的来源。并且使人类进入了原子时代。核能发电厂和原子弹，就是利用原子核质量变化时所释放出的能量。
从狭义相对论的这二个基本原理所推出的时间、长度和质量改变，我们也得出许多有趣的推论，譬如：运动中的时间会变慢，如等速直线飞行的宇宙飞船，以每秒钟29.97万公里前进光速飞行，那么这条高速飞行的宇宙飞船，经过1年后，地球就经过40年，一年后（宇宙飞船的时间），宇宙飞船回到地球，宇宙飞船的人只增加1岁，而他的兄弟若还活着至少增加了40岁。运动中的物体其长度会缩短，质量会变大，一个在地球上60公斤的航天员，在每秒29.9万公里的宇宙飞船，质量就变成822公斤。
狭义相对论的应用是在高速运动的物体，特别是物体的速度接近光速时。因为在一般生活中，我们面对的物质速度都比光速小很多，所以时间、长度和质量的改变，都很小，看不出来。所得的计算结果和牛顿力学得出结果一样。
2. 布朗运动
公元1827年，英国植物学家劳伯‧布朗 (Robert Brown) 利用一般的显微镜观察悬浮于水中的花粉粒时，发现花粉粒会做连续快速而不规则的随机移动，这种移动称为布朗运动。接着生物学家发现悬浮于液体或空气中直径小于 0.04 公分的粒子都会产生布朗运动。譬如，当阳光射进暗室时，我们很容易从光束中观察到灰尘粒子在空气中产生布朗运动的现象。爱因斯坦 (Einstein) 于1906年发现，不管粒子的运动有多么不规则，布朗运动仍可以用机率律来分析，其研究说明了粒子在一段时间内之位移是根据常态分配的。爱因斯坦是第一个以物理原理和数学方程式解释布朗运动现象，可说是布朗运动动力论的先驱。
3.光电效应
１９０５年，爱因斯坦发表了论文＜关于光的产生和转化的观点＞，提出光量子理论和光电方程式。因为密立根实验证实了他的光电方程，并且光量子理论开始被人们接受并，因此1921年得诺贝尔奖。
光到底是波还是粒子，自古以来争论不休，今日的说法是光既是波，也是粒子。有一个现象：光照射到金属表面时，电子从金属表面逸出的现象称为光电效应。有趣的是，若说光电效应是证明光的粒子性，但发现这一效应却是研究电磁波波动性的赫兹在1887年时偶然发现的。他用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波，另一套充当接收器。他发现当紫外光照在负电极上时，放电就比较容易发生。他写了论文叫：《紫外线对放电的影响》发表，之后引起了许多物理学家的注意。
后来，俄国学者斯托列托夫确认了这个事实。在光电效应中光照射在电极板，由电极板发射出来的电子叫做光电子。赫兹的助手勒纳利用各种频率的光照射钠汞合金板，对光电效应现象进行了系统的研究。他发现光电效应具有三个主要性质：一、每种金属表面都存在一个最低的频率，频率小于某种的入射光，不管其强度有多大，都不能发生光电效应。二、是射出光电子的动能和入射光的频率有关，和入射光的强度无关。三、只要入射光的频率大于其某一频率，无论它多微弱，都立即会引起光电子反射，这三个主要性质用光的古典波动理论根本无法解释。
１９０５年，爱因斯坦发表了论文＜关于光的产生和转化的观点＞，成功的解释了光电效应。他以勒纳利总结的光电效应性质作为光是微粒的根据，并且，提出了光的量子假说。他说，一束单色光，就是一束以光速运动的粒子，这些粒子称为光子，每个光子都有一定的能量，它是频率乘以普朗克常数，也就是频率为ν的光，其光子能量为E＝hν ，h为普朗克常数。光束的能量就是这些光子能量的总和，一定频率的光，光子的数量越多，光的强度就越大，光电效应是由于金属中的自由电子吸收了光子能量而从金属中逸出而发生的。这个假说愉１９１６年被实验所证实。
七、周游各国
1908年他已被公认是著名的科学家，这时伯尔尼大学（University of Bern）聘他为讲师，从此他才有缘进入学术机构工作。1909年离开专利局，任苏黎世大学理论物理学副教授。1911年任布拉格查理士大学理论物理学教授（Charles University in Prague），1912年任母校苏黎世联邦工业大学教授。1914年，应普朗克（Max Planck）和能斯脱（Walther Hermann Nernst）的邀请，回到德国后，被任命为德皇威廉物理研究所的所长（从1914年到1932年）和柏林洪堡德大学教授，他的合同有一项特别条款，就是他不受大多教学义务的束缚，并且成为会员的普鲁士科学院。
在应普朗克和能斯脱的邀请，回到德国任职时，他的太太和儿子也跟着去柏林，但没有住多久，她们又回到苏黎世，因为他的太太喜欢住在苏黎世。爱因斯坦于是于1914年与太太分居。并于1919年离婚。爱因斯坦事后承认离婚是他的错。
1914年8月1日，徳国向英、法、俄宣战，发生第一次世界大战，此时瑞士宣布中立。所以对爱因斯坦本身不受影响。不过他是个厌恶战争所造成生命损失，以及战争对于参战国家的科学及文明的破坏，1915年爱因斯坦和许多来自各处的知名人士，签署了一份「告欧洲人民书」的宣言。在宣言中，他们呼吁每个人应该珍惜「欧洲的文化」，成立国家联邦，合作，和平相处。
八、广义相对论的提出
狭义相对论虽然是物理学的一次大革命，但它不是完美的物理体系，它只适用在「等速直线运动的物体」，对于加速度的物体，只好再发明「广义相对论」来解释，在广义相对论里，爱因斯坦也提出二个原则，第一条是「等效原理」即一个加速度运动物体，物体会自动改变运动状态。比如在火车加速起动时，人会向后仰，好像有外力把他向后拉，这叫「惯性力」。爱因斯坦认为万有引力和加速运动的惯性力，并没有区别，效果完成一样。譬如我们在电梯内量体重，会发现电梯起动向上时，体重会增加，煞车时体重会减少。广义相对论原则的第二条是广义的相对原理，即在一个加速运动中的物体，可以看作是一个接受引力的等速运动的物体。依此原理，爱因斯坦宣称：「在巨大物质的万有引力下，光线也是弯曲的。」地球表面是个球面，在二个机场之间，飞行的飞机，不是直线，而是曲线，这是很容易了解的。可是说，光在万有引力下，会弯曲，人们就不相信。爱因斯坦不但肯定光线经过质量很大的物体（如太阳）时会弯曲，而且计算出偏差的角度。
1911年，他根据他的新理论广义相对论计算，光线从另一颗恒星射出时，由太阳的引力会弯曲及弯曲的角度。这个预言，于1919年11月7日日全食时，由英国天文学家爱丁顿（Sir Arthur Eddington）等人的观测结果所证实，全世界为之轰动（图4）。国际媒体争相报导使爱因斯坦世界闻名。英国著名的泰晤士报上面写着：「革命的科学－新论宇宙－牛顿思想推翻了」，同时也招来了德国和其他国家的沙文主义者、军国主义者和排犹主义者的恶毒攻击。
图4：光线从另一颗恒星（或地球）射出时，由太阳的引力会弯曲及弯曲的角度。
从牛顿「万有引力」与爱因斯坦「广义相对论」观的看来，根据万有引力的法则，宇宙的所有天体，彼此都有万有引力，而保持均衡。也就是天体在一样的分布密度中持续到无限。换言之，万有引力倡导一个三维「无限空间的宇宙论」。「广义相对论」则认为「宇宙是有限，但无尽头」，如果有人从地球上出发一直往前走，一定会沿着时空的弯曲面不知不觉回到了自己的地球上。如果想藉用超强力望远镜看宇宙的尽头，将会看见自己的背影，但是在看见自己背影之前，得花上十几亿年的时间（光绕封闭宇宙一圈所须的时间）。（图5）
图5：封闭的宇宙直径相当于4亿光年，如果想藉用超强力望远镜看宇宙的尽头，将会看见自己的背影。
九、诺贝尔物理奖
1916年，爱因斯坦被任命为德国物理协会的主席（1916年至1918年）。1920年，应洛兰兹（Hendrik Antoon Lorentz）和埃伦菲斯特（Paul Ehrenfest）的邀请，爱因斯坦兼任荷兰莱顿大学（Leiden University）特邀教授。
由于相对论仍被认为有些争议，而爱因斯坦解释了光电效应，对世人贡献很大，因此于1921年颁给他诺贝尔物理奖。此外，他还获得了1925年英国皇家学会颁发的科普利奖章。
1933年1月纳粹上台，爱因斯坦是科学首要的迫害对象，幸而当时他在美国讲学，未遭毒手，3月他回欧洲后避居比利时，9月9日发现受盖世太保跟纵，星夜渡海到英国，10月转赴美国普林斯顿，任新建的高级研究院教授，直至1945年退休。1940年，爱因斯坦取得美国国籍。1939年，他获悉铀核裂变及其链式反应的发现，在匈牙利物理学家西拉德（Leo Szilard）推动下，爱因斯坦上书给罗斯福总统，建议研制原子弹，以防德国占先。第二次世界大战结束前夕，美国在日本投掷原子弹，爱因斯坦对此强烈不满。战后，他为反对核战争的和平运动的开展，进行了不懈的斗争。
1952年，以色列为了感谢爱因斯坦过去对于犹太人的帮助和促进国际和平与合作所作的努力，一致希望他能够担任以色列的第二任总统。这是一项殊荣，不够爱因斯坦那时已73岁了，同时体力也不行，他知道自己并不适合从事政治，于是委婉拒绝。
十、伟人的去世
1955年4月18日因主动脉瘤破裂，爱因斯坦逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不举行丧礼，不筑坟墓，不立纪念碑，骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使这个地方成为圣地，供人朝圣。爱因斯坦在科学上的成就是空前的，他也是一位出色的业余小提琴家，并且博览群书。大家问他什么是成功的最高原则，他说：「如果A代表成功，则A＝X＋Y＋Z，X是努力工作，Y是游戏，……」那Z是什么呢？大家好奇的追问，答案是：「闭起你的嘴，尽量少说话。」