来到伯尔尼。

    伯尔尼，瑞士首都，在瑞士中西部、苏黎世西南，位于西部高原中央，莱茵河支流阿勒河两岸，气候温和湿润，冬温夏凉。一个欧洲大陆古老城市、现代精密工业城市。11世纪时有熊出没，故定名为伯尔尼（德语为“熊”之意）。古老建筑物有熊的雕塑，日用品往往以熊作为商标。至今在阿勒河东岸山冈尼德格大桥附近还辟有熊苑，喂养着一些供游人观赏的熊。其老城已被联合国教科文组织列入世界文化名城之列。

    伯尔尼1353年参加瑞士联邦，1848年起为瑞士首都。其电器、印刷机、乐器等制造业驰名天下；并以经营钟表著称，“表都”、“世界钟表厂”闻名于世。许多国际著名组织机构如万国邮政联盟、国际电讯联盟、国际铁路运输总局、国际版权联盟等设此。人口10余万，是一个规模较小、空气清新、环境静谧的城市。市内有古老学府之一的伯尔尼大学，建于1834年，以研究宇宙射线著称。

    从1902年到1909年，爱因斯坦在瑞士专利局工作了7年，并业余从事科学研究，“伯尔尼时期”是他事业上的第一个黄金期和关键时段，几篇光辉夺目、影响深远的科学论文就诞生于此，特别是在人类物理学史上地位崇高的那个1905年。

    在时任瑞士专利局局长海勒的关照下，爱因斯坦被伯尔尼专利局试聘为三等技术专家。收入虽然不高，可他已极为满足，他的名言“对人来说，关键不在于吃什么，而在于想什么”即出自这个时期。有了铁饭碗，爱因斯坦才有闲暇坐下来，写些与本职工作毫无关系的物理学文章。随着在专利局转正，他于1905年在德国哈勒出版的《物理学年鉴》上连续发表了5篇论文。

    但这也是他与米列娃的第一段婚姻的尴尬状态与转折期，这段波折的婚姻并没有得到圆满的结局。爱情的裂痕在他们的婚后生活中逐渐蔓延……

    探讨相对论。

    爱因斯坦生长在物理学急剧变革的年代，通过以他为代表的一代物理学家的努力，物理学的发展进入了一个新的历史时期。

    由伽利略和牛顿建立的古典物理学理论体系，经历了将近200年的发展，到19世纪中叶，由于能量守恒和转化定律的发现、热力学和统计物理学的建立，特别是由于法拉第和麦克斯韦在电磁学上的发现，取得了辉煌的成就。这些成就，使得当时不少物理学家认为，物理学领域中原则性的理论问题都已经解决了，留给后人的，只是在细节方面的补充和发展。

    可是，历史的进程恰恰相反，接踵而来的却是一系列古典物理学无法解释的新现象：以太漂移实验、元素的放射性、电子运动、黑体辐射、光电效应等。在这个新形势面前，物理学家一般企图以在旧理论框架内部进行修补的办法来解决矛盾。但是，年轻的爱因斯坦则不为旧传统所束缚，在洛伦兹等人研究工作的基础上，对空间和时间这样一些基本概念作了本质上的变革。这一理论上的根本性突破，开辟了物理学的新纪元。

    关于光的性质，还有很多谜，直到现在也无法用科学解释。光是怎样产生的？在空间如何传播？光怎样从物质中出现？光是什么，是物质、振动，还是纯能？颜色是否为光必不可少？对于这许许多多的问题，科学家已经作出了部分解释；但归根结底，这些问题尚未解答。不过，20世纪初，在人们了解光、研究光的过程中，带来了物理学的两场革命，这就是相对论和量子论。为建立这两个理论体系，许多科学家都作出了重要贡献，他们都是一些杰出的物理学大师，其中最突出的当然是爱因斯坦。

    爱因斯坦一生中最重要的贡献是狭义相对论、广义相对论。另外，他对宇宙学、用引力和电磁的统一场论、量子论的研究，都为物理学的发展作出了贡献。

    虽然说爱因斯坦正式提出相对论的概念和系统理论是在“伯尔尼时期”的1905年，但是，其实他许多以年来就开始在思考和探讨这个课题了。

    本书在上文中也曾两次提到：1896年（那时他才17岁），爱因斯坦在瑞士阿劳中学补习时，他时常会问自己：“假如我能以光速运动，将出现怎样的结果呢？”这个看起来十分天真、却包含着相对论胚胎的问题，一直纠缠着他，以至于他在与玛丽姑娘的约会中也常常走神。1901年（那年他22岁），爱因斯坦在写给米列娃的信中又说：“如果要把相对运动课题做成功，只有你能帮助我。我是多么的幸福和自豪！”

    实际上，爱因斯坦早在16岁时，就从书本上了解到，光是以很快的速度（30万公里/秒）前进的电磁波。于是他产生了一个奇妙的想法：如果一个人以光的速度前进，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他一定看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着的、却停滞不前的电磁场。但这种事可能发生吗？

    与此相联系，爱因斯坦非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。

    “以太”这个名词源于希腊，用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪，笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光的媒质。其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同，牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为，发光体发射出的，是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉。

    18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展。当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太，也叫光以太。

    与此同时，电磁学得到了蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论--电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。

    直到19世纪末，人们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太。

    但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也被纳入了牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。

    按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度，是一个恒量；然而，按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同。这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？例如，有两辆汽车，一辆向你驶近，一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法显然相悖。我们如何解决这一分歧呢？

    19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现，显示出牛顿力学无比强大的理论威力；电磁学与力学的统一，使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家马克斯·普朗克年轻时，曾向他的老师表示要献身于理论物理学。老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”

    爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里，他广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。

    在10年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦的电磁理论，特别是经过了赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作，发现所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究，爱因斯坦认为，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：以太绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？

    与一般自然科学家不一样，爱因斯坦还是位思想家。他喜欢阅读哲学著作，并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立。对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对论原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式。但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所著的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。

    相对论诞生。

    1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论了这个自己已探索了10年的问题。贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。

    突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，他终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。

    原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过5个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。

    1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这部长篇经典文献，是关于狭义相对论的第一篇文章，它完整地包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。

    狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。著名的尺缩效应、钟缓效应和质增效应都出现在此文中。

    在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果。他以同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式。以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。

    什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件，我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性，我们就得知道信号的传递速度。但如何测出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离，以及信号传递所需的时间。空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间。我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。

    光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大，这样就产生了一个新奇的结论，对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。

    我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲的眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在的位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于处在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。

    也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架，只是把牛顿力学作为低速运动理论的特殊情形包括在内。

    相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。

    相对论揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性，深刻揭露了力学运动和电磁运动在运动学上的统一性，而且还进一步揭示了物质和运动的统一性（质量和能量的相当性），发展了物质和运动不可分割的原理。

    爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加；当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了伟大的质能关系式：E=mc2（见于其同年9月的另一篇论文《物体惯性和能量的关系》，那是前一篇的推论）。质能相当性是原子核物理学和粒子物理学的基础，质能关系式对后来发展原子能事业、原子核能的释放和利用奠定了理论基础，起到了指导作用。

    遗憾的是，1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并没有立即引起科学界的很大反响。天才虽然已经完成了物理学有史以来最伟大的发现，但对物理学界来说，连个教授都不是的爱因斯坦根本就是个物理学青年，而且是游离于专业圈子之外的“业余物青”。

    我们都以为科学都是“以事实为依据，以真理为准绳”的，但实际上科学界经常“以门派为依据，以资历为准绳”。“爱物青”提出的相对论，出生伊始就广遭物理学家的强烈质疑，其中包括英国皇家学会会长汤姆孙勋爵和凭以太实验而名动天下的迈克尔孙教授--该木头脑壳直到1932年还在奋力寻找早已证明并不存在的以太。这些位高权重的科学“大腕”团结起来口诛笔伐，必欲置相对论于死地而后快。可以想见，“爱物青”的研究环境是多么艰难。

    祸不单行，“爱物青”的第二个儿子此时出生，家庭负担骤然加重。“大腕”们不无幸灾乐祸地看到，这个宣称钟表会变慢的离经叛道者，在现实生活中会经常为家里没有钟表而苦恼。

    但是，德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为他的工作可以与哥白尼媲美。正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意。

    神奇的相对论。

    这里不妨再多谈谈这个神奇的“狭义相对论”。

    我们平时常说物质不灭定律，说的是物质的质量不灭；能量守恒定律，说的是物质的能量守恒。

    物质不灭定律和能量守恒定律已经成为现代自然科学的基石；同时，它也从根本上给宗教的唯心主义观点以致命的打击，因为物质是不能凭空创造的，也不能凭空消灭，所以谁也不再相信什么“上帝创造万物”、“上帝创造世界”的反科学的谬论了。另外，它还雄辩地说明，世界上永远不会有“永动机”。想不花费劳动就从大自然中获取能源，是不可能的。

    物质不灭定律和能量守恒定律是自然界的伟大定律，它来自客观实际，又在客观实际中久经考验。多少年来，这两条定律经受了千万次考验，像经得起风吹雨打的宝石一样，闪耀着夺目的光芒。

    虽然这两条伟大的定律早已相继被前人发现，但是许多年来，人们一直以为这是两条风马牛不相关的定律，各自说明了不同的自然规律。甚至有人以为，物质不灭定律是一条化学定律，能量守恒定律是一条物理定律，它们分属于不同的科学范畴。

    但爱因斯坦认为，物质的质量是惯性的量度，能量是运动的量度；能量与质量并不是彼此孤立的，而是互相联系的，不可分割的。物体质量的改变，会使能量发生相应的改变；而物体能量的改变，也会使质量发生相应的改变。

    作为狭义相对论的推论，爱因斯坦提出了著名的质能公式。按照爱因斯坦的理论，如果把1克温度为0℃的水，加热到100℃水吸收了100卡的热量，这时水的质量也相应增加了。按照质能关系公式计算，1克水的质量增加了0.00000000000465克。

    爱因斯坦的质能关系公式，正确地解释了各种原子核反应：就拿氦4来说，它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理，氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子的质量之和。实际上，这样的算术并不成立，氦核的质量比2个质子、2个中子质量之和少了0.0302原子质量单位。

    这是为什么呢？因为当2个氘核（每个氘核都含有1个质子、1个中子）聚合成1个氦4原子核时，释放出了大量的原子能。它生成1克氦4原子时，大约放出了2700000000000焦耳的原子能。正因为这样，氦4原子核的质量减少了。

    这个例子生动地说明：在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时，似乎质量并不守恒，也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而，用质能关系公式计算，氦4原子核失去的质量，恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量。

    这样一来，爱因斯坦就从更新的高度，阐明了物质不灭定律和能量守恒定律的实质，指出了这两条定律之间的密切关系，使人类对大自然的认识又深化了一步。

    没有什么大自然的奥秘是人类所不能认识的；但是，大自然的奥秘又是无穷无尽的。人类永远没有一天能完全认识大自然，没有一天可以完全知道它的奥秘。只有永不知足，才能不断前进。

    定律是客观存在着的。人类虽然不能去“创造”定律，“改造”定律，但是，人类可以去发现定律，掌握定律，利用定律。今天，物质不灭定律和能量守恒守律已经被千百万人所掌握，人们正在利用它们去征服自然，改造自然，揭开大自然的秘密！

    爱因斯坦奇迹年。

    1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例的奇迹。在3月到9月这半年中，他利用在专利局每天8小时工作以外的业余时间，在光、热、电物理学三个领域齐头并进，纵横驰骋，做出了四个有划时代意义的贡献。他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论（先后两篇）这5篇重要论文。真是天才奔涌，一发不可收拾。

    在同一个1905年，3月，爱因斯坦还发表论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，把普朗克教授在1900年提出的量子概念推广到光在空间中的传播情况，文中认为光是由分离的粒子所组成，提出光量子学说和光电效应的基本定律，并在历史上第一次揭示微观物体的波粒二象性（这一关系直到10年后才由密立根给予实验证实），从而圆满地解释了光电效应问题，发展了量子论，为此他在16年后获得1921年度诺贝尔物理学奖。

    此年3月，爱因斯坦将自己认为正确无误的论文亲自送到著名的德国《物理学年鉴》杂志编辑部。他腼腆地对编辑说：“如果您能在你们的年报中找到篇幅为我刊出这篇论文，我将感到很愉快。”这篇“被不好意思”送出的论文，就是《关于光的产生和转化的一个推测性观点》。此后的几篇，他又陆续投寄给了该刊。

    4月，爱因斯坦根据在咖啡馆里关于茶的讨论受到启发，向苏黎世大学（不是他那有眼无珠的母校联邦工业大学）提出论文《分子大小的新测定法》，从而取得哲学博士学位，导师是阿尔弗雷德·克莱纳。此文只有17页，苏黎世大学再次退货，不是因为质量问题，而是因为“太短了！”爱因斯坦只在论文尾巴上加了一句话，论文就被接受了。

    5月，爱因斯坦发表论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》，包括前一篇，有力地提供了原子真实存在布朗运动的证明，而使爱因斯坦成为统计物理学的奠基人。3年后，法国物理学家佩兰以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测，从而无可非议地证明了原子和分子的客观存在。这使得当初最坚决反对原子论的德国化学家、唯能论的创始人奥斯特瓦尔德于1908年主动宣布：“原子假说已经成为一种基础巩固的科学理论。”

    尤其相对论的提出，是爱因斯坦10年酝酿和探索的结果，它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机，改变了牛顿力学的时空观念，揭露了物质和能量的相当性，开创了一个全新的物理学世界，是近代物理学领域最伟大的革命。

    年仅26岁的爱因斯坦，便写下了5篇改变整个20世纪物理学面貌的论文。

    在这短短的半年时间里，“爱物青”在科学上的突破性成就，可以说是“石破天惊，前无古人”。即使爱因斯坦就此放弃了物理学研究，即使爱因斯坦只完成了上述三方面成就中的任何一方面，他也会在物理学发展史上留下极其重要的一笔。爱因斯坦拨散了笼罩在“物理学晴空上的乌云”，迎来了物理学更加光辉灿烂的新纪元。

    因此，1905年被称为“爱因斯坦奇迹年”，100年后的2005年被定为“世界物理年”。这本来是称呼牛顿的1666年的，现在变成了1905年的专用名词。2005年4月18日至19日（那也是爱因斯坦逝世50周年的祭日），全球各国纷纷以“点灯”的方式来纪念这位人类历史上的科学天才。

    谁能解释：这个平庸了26年的犹太青年，为什么突然就有了这些人类历史上的超级科学革命成果？后来的哈维医生没能解释，21世纪的科学也无法解释。我们只好把它归结为天才。

    因为获得了博士学位，1906年4月，爱因斯坦被伯尔尼专利局海勒局长晋升为二级技术员，并涨了工资。此年11月，他完成固体比热的论文，这是关于固体的量子论的第一篇论文。

    1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇著名的论文（即《论动体的电动力学》），以申请自己母校苏黎世联邦工业大学的编外讲师职位，得到的答复却是论文无法理解。虽然在德国物理学界，爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他竟得不到一个大学的中等教职。

    许多有名望的人开始为他鸣不平。1908年，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，并在第二年成为母校的副教授（30岁），正式离开伯尔尼专利局。

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