四、爱因斯坦和相对论的创建

在介绍爱因斯坦的研究之前，我们先来介绍一下他的成长经历。

家中来的大学生

1879年3月14日，爱因斯坦出生于德国乌尔姆一个小工厂主的家庭，父母都是犹太人。后来他们家迁居到慕尼黑，爱因斯坦在那里度过了他的中、小学生涯。

爱因斯坦小时候说话很晚，父母都担心他智力有问题。他平时不爱与人交流，专注于自己关心的东西。有一次父亲给他带回一只电表，他独自玩了很久，对指针在磁铁影响下的转动很感兴趣。后世研究爱因斯坦的人认为，能够长时间集中注意力，是他的一大特点。

他在学校中沉默寡言，不受老师和同学的喜爱。由于犹太血统和无神论信仰，他常常受到歧视。

爱因斯坦9岁开始上中学。10岁时家中来了一位犹太大学生，叫塔尔梅，是一位学医科的大学生。当时德国的犹太人有一个传统，中产阶级以上的犹太家庭，都会在周末时请一位贫困的犹太大学生到自己家里吃饭，度周末。塔尔梅应邀成为爱因斯坦家的常客。他的出现对小爱因斯坦影响很大。他发现爱因斯坦爱看书，就经常带一些书到爱因斯坦家来。爱因斯坦对所有的书都表现出很大兴趣。他虽然一般不愿与大人交流，对大人谈话的内容也没有兴趣，但对塔尔梅是个例外。他非常欢迎这位大学生，滔滔不绝地与他交谈，问他各种问题，讨论书中感兴趣的内容。科学史学家认为，塔尔梅是小爱因斯坦的第一位启蒙老师。

塔尔梅给他带来一套自然科学丛书，有讲植物的、动物的、矿物的，还有讲化学、物理的，有时还给他带来数学和哲学方面的书。爱因斯坦对所有的书都表现出兴趣，尤其喜欢数学和物理方面的书。其中有的书特别谈到了光的传播特性，谈到光速是最快的速度，而且实验似乎表明光速与光源的运动没有关系。爱因斯坦对这些论述很感兴趣，他后来一直思考光速问题，这个问题的反复思考最终把爱因斯坦引向了相对论的发现。爱因斯坦的父亲发现他爱看书之后，经常在开学前提前给他把课本买好，小爱因斯坦对这些新书爱不释手。他对几何方面的书尤其感兴趣，欧几里得几何的严密结构和推理对他影响很大。爱因斯坦后来发表的狭义与广义相对论，其理论结构都深受欧几里得几何的影响。

有长达五年的时间，塔尔梅是爱因斯坦家的常客，塔尔梅和他带来的科普图书对爱因斯坦的思想启蒙起了重大作用。

对学校教育的反思

与此相反的是，学校教育对爱因斯坦的正面影响不大。德国的中小学教育带有军国主义色彩，老师对学生总是居高临下地讲话。爱因斯坦喜欢自由讨论，厌烦军国主义教育，所以他在学校往往沉默寡言。不过他有时想问老师一些与教学内容无关的问题，那是他在科普书上看到的，以及他自己想到的、与教学内容无关的问题。一问，老师不会，觉得很丢面子，就越发讨厌他。他看科普书后，对《圣经》上的上帝创造世界、创造人的说法产生了怀疑，于是去问老师上帝是否存在，惹得老师非常愤怒。总之，中小学时代的爱因斯坦不受老师和同学的喜爱。

后来，爱因斯坦父亲的工厂经营得不好，只好全家前往意大利投亲靠友。他父亲觉得意大利的科学水平不如德国高，于是就把小爱因斯坦一个人留在了慕尼黑，把他安排进一所优秀中学学习，并托一位远房亲戚照料他的生活。

这所学校同样是军国主义教育，学生不能与老师平等交流。爱因斯坦过得很不舒服，于是去找自己的家庭医生开了一张神经衰弱的证明，想休学半年去与家人团聚，缓解一下精神压力。他还没有把证明拿出来，老师就通知他校长找他。校长建议他退学，因为学校的老师都不喜欢爱因斯坦，觉得他的存在有损学校的声望。据说只有一位老师对爱因斯坦还比较好，不过不是因为看出他有才华，而是觉得他太可怜，大家都看不起他。爱因斯坦一听要他退学，吓了一跳：这怎么跟父母交代啊！后来他一想，这样也好，以后就不用再来这所学校了。于是，他愉快地接受了校长的建议，办好退学手续，翻越风景秀丽的阿尔卑斯山，到意大利去与父母团聚。

阿劳中学

在家里待了一些时候，父母要求他继续上学，以便成年后能找到好一点的工作，能够担起生活的重担。意大利的教育水平不够高，而且爱因斯坦不会意大利语，父母建议他还是回德国学习。可是爱因斯坦不喜欢军国主义的德国，于是他选择了瑞士。瑞士有德语区和法语区，德语区通行德语，和德国差不多，但没有德国的军国主义气氛。于是他决定到瑞士德语区去报考苏黎世联邦理工学院。他喜欢物理，报考了该校的师范系，这是个专门培养大学和中学的数学、物理老师的系。

爱因斯坦第一次没有考上。原因是他中学的课程没有学完，数学、物理成绩还可以，但文科的课程不行。于是学校建议他先到中学去补习一年。物理教授韦伯很喜欢爱因斯坦，觉得这个年龄很小（16岁）的孩子对物理很有兴趣，而且学得还可以，于是鼓励他好好补习，第二年再来考。而且告诉他，如果他愿意，可以在上补习学校的同时来旁听自己的物理课。大学校长则对他说，他只要拿到中学的毕业文凭，就可以入学。

小爱因斯坦来到阿劳中学补习。瑞士的教育风气与德国差别很大，没有军国主义气氛，老师与同学平等讨论。学校还组织各种活动，丰富学生生活。学生享有充分的学习的自由和生活的自由。爱因斯坦在这里度过了愉快的一年补习生活。

他利用宽裕的时间，思考了很多问题，例如以太问题、光的运动问题等。他想了一个追光实验。他觉得，既然光是波动，如果有一个人以光速跟着光跑，这个人似乎应该看到一个不随时间变化的波场。可是谁也没有见过这种情况，这是怎么回事呢？他又想，假如一个手拿镜子的人以光速飞奔，这个人能从前面的镜子中看见自己吗？由于镜子也在以光速运动，自己的脸反射的光能够到达镜子吗？他怎么也想不明白这些问题。此后他经常在空闲的时候思考这些问题，对这些问题的思考，最终把他引向了狭义相对论的发现。

自学为主的大学生涯

第二年，爱因斯坦如愿以偿考上了苏黎世联邦理工学院的师范系。物理教授是韦伯。刚开始爱因斯坦很喜欢韦伯的课，一口气选了他的15门课，但越听越失望。韦伯课程的内容太陈旧，连麦克斯韦电磁理论都不讲。韦伯的课偏重于实用的电工，爱因斯坦感兴趣的却是物理理论。他经常问韦伯一些关于以太、光速的问题。韦伯对他说，这些抽象的东西毫无用处，你好好听我的实用的电工理论，将来很容易找到好工作。然而爱因斯坦的兴趣全然在理论方面，韦伯的话他听不进去。他对韦伯的课越来越失望，韦伯也渐渐厌恶他。后来，爱因斯坦干脆不去听韦伯的课了，自己买了几本物理学家写的书，躲进租住的小阁楼自学。他也不是不去学校，一般下午下课之后他就会去，找班上要好的同学一起喝喝咖啡，问问他们今天的课讲了什么内容，谈谈自己从书上看到的东西；另外就是到实验室去做做实验，验证一下从书本上看到的东西。瑞士大学的实验室对学生是自由开放的，学生可以在课余时间自己来做实验。不过，爱因斯坦不是做实验老师安排的实验，而是做自己想做的实验。实验老师对他很恼火。爱因斯坦做实验时曾经闯过祸，有一次还发生了爆炸，幸好没有出大事。校方给了他警告处分。期末，实验老师给了他个最低分——1分。这样爱因斯坦和韦伯教授及实验老师的关系都搞坏了。

数学教授是闵可夫斯基，爱因斯坦也逃他的课，以至于闵可夫斯基称他为“懒狗”。

他不去听课，考试怎么办呢？没有关系，他们班唯一的女生米列娃和他关系不错，帮他记笔记。这是一个腿有残疾的塞尔维亚姑娘，和他很谈得来。不过米列娃功课一般，考试时只靠米列娃的笔记不够用。爱因斯坦还有一位要好的朋友叫格罗斯曼。格罗斯曼是一位标准的好学生，每天西装革履，对老师有礼貌，功课好，字也写得漂亮。刚上大学时，爱因斯坦是班上成绩最好的学生，格罗斯曼第二。后来由于爱因斯坦老不去听课，成绩就降下去了，格罗斯曼成为班上成绩最好的学生。爱因斯坦每到考试前就向格罗斯曼借笔记，格罗斯曼每次都慷慨借给他。大家都有体会，考试后有人来跟自己借笔记问题不大，考试前来借可比较麻烦，因为自己也正需要看呢。不过，格罗斯曼每次都很痛快地借给爱因斯坦。爱因斯坦拿着格罗斯曼的笔记突击几天，一考就通过了。考完后，爱因斯坦常发表感想：这门课简直太没有意思了。大家想，这样的学习方式，怎么可能觉得课程内容有意思呢？

好不容易熬到了大学快毕业的时候，要做毕业论文了。爱因斯坦想测以太相对于地球的运动速度，韦伯认为他想入非非，不同意。韦伯要爱因斯坦测一些物质的热导率，并让米列娃和他一起测。爱因斯坦又问是否可以测热导率和电导率的关系，韦伯说不行，叫他按自己的要求做，爱因斯坦只好按韦伯的要求做。结果爱因斯坦得了4.5分，米列娃得了4.0分，是班上的两个最低分。格罗斯曼得了5.6分，全班第一，满分是6分。毕业总成绩，爱因斯坦得了4.9分，全班第四，也就是倒数第二（全班一共五个同学），勉强拿到了毕业文凭。米列娃得了4.0分，倒数第一，这个成绩连毕业文凭都拿不到。

爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中除了在阿劳中学那一年的补习班外，他对学校教育没有好印象。

他高度评价阿劳中学的教学：“这个中学用它的自由精神和那些不倚仗外界权势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和创造精神。正是阿劳中学，成为孕育相对论的土壤。”他没有说他的大学是孕育相对论的土壤。

四面碰壁的求职者

1900年，爱因斯坦从苏黎世联邦理工学院毕业了。格罗斯曼和另一个同学被数学教授闵可夫斯基留下来当助教。爱因斯坦想韦伯大概会把自己留下来当助教，但是韦伯不要他。为什么爱因斯坦觉得韦伯会把他留校呢？一个重要的原因是韦伯与西门子公司的总裁是朋友，西门子公司愿意赠送苏黎世联邦理工学院一个现代化的电气实验室，条件是必须让韦伯当主任。苏黎世联邦理工学院当然同意了。所以，韦伯当时正需要人。但是韦伯没有要爱因斯坦，也没有要他的几个同班同学，而是从工科系要了几个毕业生。

爱因斯坦十分失望，于是向一些高校写了求职信，但都石沉大海。1901年，爱因斯坦发表了第一篇论文，是研究毛细现象的。他给著名的物理化学家奥斯特瓦尔德写了一封求职信，并附上自己的第一篇论文。他在信中强调了自己的论文是受到奥斯特瓦尔德工作的启发而完成的，表达了对奥斯特瓦尔德的钦佩，希望能到他那里工作，但没有回音。爱因斯坦的父亲看到儿子的处境，十分难过。他拉下老脸来给奥斯特瓦尔德写了一封信，恳求他考虑自己儿子的求职申请，但是依然没有回音。爱因斯坦知道自己的好友贝索的舅舅在一个大学担任数学副教授，就恳请贝索通过自己的舅舅帮他在那个大学求职，但是依然没有结果。爱因斯坦感叹道：“上帝不仅创造了蠢驴，还给了它一张厚皮。”

爱因斯坦推测求职不顺的原因：“可能是韦伯捣的鬼。”他想，当时的大学不多，每个大学只有一个物理教授，这些物理教授可能都相互认识，收到他求职信的教授一看是苏黎世联邦理工学院的学生，肯定会去写信征求韦伯的意见。爱因斯坦想，韦伯一定没有讲自己的好话。他对别人说：“这肯定是韦伯捣的鬼。”其实他并没有什么真凭实据。另外，爱因斯坦也意识到了自己求职不顺可能和当时人们对犹太人的种族歧视有关。米列娃后来曾在给自己的好友的信中说：“你要知道我的丈夫有一张臭嘴，而且他还是一个犹太人。”

倒霉的事还不止于求职受挫。他与米列娃的恋情也遭到父母的反对。爱因斯坦的父母认为米列娃不仅不是犹太人，而且出身于被压迫民族，还身有残疾，觉得她无论如何也配不上自己的儿子。爱因斯坦对父母的干预很反感，坚持要与米列娃结婚。于是，他与父母的关系处于紧张状态。

专利局——宽松的环境

1902年，终于时来运转。爱因斯坦的好友格罗斯曼的父亲认识伯尔尼发明专利局的局长。格罗斯曼决心尝试帮一下爱因斯坦的忙。他对父亲讲，你那个局长朋友不是老说他想找一些聪明人到他那里工作吗？你看我的同学爱因斯坦不就很聪明吗？你能不能把爱因斯推荐给你的局长朋友？从史料来看，第一个看出爱因斯坦有才华的人就是他的同学格罗斯曼。

格罗斯曼的父亲真的向局长推荐了爱因斯坦。局长与爱因斯坦谈了一下，觉得他还可以。为了场面上过得去，局长大人组织了一个招聘小组，不过，对招聘小组的考查内容，局长做了有利于爱因斯坦的安排。然而，爱因斯坦仍然回答得不够理想。招聘组长建议局长不要他算了。局长只好把爱因斯坦找来，自己亲自再考查一下，他觉得这个年轻人还可以，于是给了他一个三等职员的岗位。本来爱因斯坦是想申请二等职员，但不管怎么说，爱因斯坦还是很高兴，因为总算有了一个正式的工作，而且，专利局的职员是公务员，这是铁饭碗，有一份固定的工资。

这时候，爱因斯坦的父亲病危，他非常可怜自己的儿子，在临终前同意了爱因斯坦与米列娃的婚事。犹太家庭中，男人是家长，父亲同意了母亲不愿意也不行。这样，爱因斯坦的婚姻问题也解决了。

米列娃原来一直埋怨爱因斯坦找不到工作，她说：“没有工作就没有钱，没有钱我们怎么结婚？”现在两道坎都跨过来了。爱因斯坦到专利局上班，并和米列娃结婚，不久他们就有了两个孩子。

专利局的工作很适合爱因斯坦，主要是事情少，比较空闲，爱因斯坦有时间想想自己感兴趣的问题。而且，局长大人很宽容。爱因斯坦经常把自己想看的书和资料带到办公室，放到抽屉里。空闲时，一看周围没有人，他就悄悄拉开抽屉看这些书和资料。其实，局长大人有几次发现了他在看与本职工作无关的东西，但一看那都是些科学书籍，并非无聊的小说之类，所以也就装作没有看见。空闲而宽容的环境，给爱因斯坦的研究带来极大便利，他的思想开始在科学的天空中自由翱翔。

奥林匹亚科学院

爱因斯坦和他的几个朋友组织了一个自由读书的俱乐部（见图1-12），取名“奥林匹亚科学院”。这些朋友包括索罗文、哈比希特、沙旺和斐索，他们不都在专利局工作，其中有学哲学的，有学数学的，有学物理的，有学工程技术的。他们先后出现在这个小组中，每次活动的参加者大都是三个人。爱因斯坦是这个读书俱乐部的核心人物，虽然他年龄最小，但大家还是称他为“院长”。他们读的书有哲学的，科学的，也有文学的。科学方面的书大都是专家写的带有科学色彩的高级科普读物。例如数学家庞加莱的《科学与假设》，短文《时间的测量》（1898年），物理学家马赫的《力学及其发展的历史批判概论》和《感觉的分析》，以及哲学家休谟、斯宾诺莎等人的著作。对这些著作的阅读和自由讨论，对爱因斯坦产生了深远的影响。爱因斯坦成名之后，有些记者不断追问爱因斯坦小时候的情况，试图弄清他成才的原因。爱因斯坦曾回答：“你们为什么老问我小时候的情况，为什么不问一下奥林匹亚科学院呢？”可见，爱因斯坦觉得对自己成才作用最大的是这个自由读书的俱乐部。

图1-12 爱因斯坦与俱乐部成员哈比希特和索罗文

1905年：爱因斯的奇迹年

爱因斯坦1902年进入专利局工作，直到1909年。去专利局之前，他已经在1901年发表过一篇论文，是关于毛细现象的。进入专利局后，1902年他发表了两篇论文，1903年发表了一篇论文，1904年又发表了一篇论文。他发表论文的数目不多，当然，这都是他的业余工作，与专利局的本职工作无关。

1905年，他连续发表了几篇重要论文：3月完成了解释光电效应的论文（6月发表），提出了光量子理论；4月提交了他的博士论文《分子大小的新测定法》；5月完成了解释布朗运动的论文（7月发表）；6月完成了他的划时代论文《论动体的电动力学》，即创立狭义相对论的论文（9月发表）；9月完成了相对论的第二篇论文，给出了著名的公式E = mc2（11月发表）。此后，他还完成了另一篇关于统计物理的论文，投稿后于第二年发表出来。

从今天看来，除去那篇博士论文之外，爱因斯坦在1905年发表的剩下四篇论文都是诺贝尔奖级的，其中最杰出的是关于相对论的论文。他一年之内完成这么多优秀的成果，只有牛顿22岁到24岁之间，在乡下躲避瘟疫的时候取得的成就，可以与之相媲美。那一年半左右的时间，在历史上称为“牛顿的奇迹年”，于是，人们也把1905年称为“爱因斯坦的奇迹年”。

爱因斯坦的教授生涯

爱因斯坦对相对论、光量子理论和统计物理的杰出贡献，逐渐使他誉满全球，开始有大学聘请他去工作。1909年，已经担任苏黎世联邦理工学院数学物理系主任的格罗斯曼，邀请他到母校工作。好友的盛情，自然难以推辞，他从此离开了专利局到高校工作。

爱因斯坦科研搞得非常好，但教学效果不行。一堂课开始时，往往教室挤得满满的，座无虚席。爱因斯坦开讲十几分钟后，人们纷纷起身离去，只剩下十几个人。这十几个人是专门来听课的，其他的人都是仰慕他的盛名前来见见这位奇人的。

爱因斯坦讲课的优点是把自己的思维过程直接展示给学生；缺点是有时候会忘记了自己的公式是怎么证明的，然后抱歉地对同学们讲，他一时想不起公式的证明方法了，不过这个公式他亲自证过，他保证是正确的，然后就往下讲。格罗斯曼有一次悄悄来旁听，从门缝往里一看，讲台上没有人，一扫视，才发现那天只来了一个学生。爱因斯坦和那个学生骑在一条长条桌上，各叼着一个烟斗，在那里讨论。格罗斯曼叮嘱自己的好友，要注意改进教学方法。

爱因斯坦后来曾经应邀在奥匈帝国的布拉格大学讲过课。1914年，在普朗克等人的动议下，德国向他发出了邀请，邀请他担任柏林大学教授、威廉皇家物理研究所所长和普鲁士科学院院士。爱因斯坦虽然对德国印象不好，但那里有那么多的朋友，那么多优秀的科学家，那么高的研究水平，那么高的职位和薪金，所以他还是接受了这一邀请。

当他乘火车到达柏林时，德国物理界的精英全都到车站迎接他。普朗克致欢迎词：“您终于回到了您诞生的国度。”

爱因斯坦在德国有机会与希尔伯特等数学、物理学家交流。1915年他终于提出了广义相对论，达到了他一生成就的顶峰。

1922年，爱因斯坦获得了1921年度的诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评委会宣布，1921年度的诺贝尔物理学奖授予德国的爱因斯坦。但授奖原因并非他的最大成就狭义和广义相对论，而是他解释了光电效应。正当德国人为自己的同胞获得诺贝尔奖而沉浸在欢乐之中时，爱因斯坦私下里对人说：“我什么时候成了德国人了，我兜里揣的是瑞士护照。”的确，他在苏黎世联邦理工学院上学时，就放弃了德国国籍，有几年是无国籍者，大学毕业前才取得了瑞士国籍，此后他一直保留瑞士国籍。爱因斯坦这一番话，真是大煞风景。德国科技部部长不得不出来解释：“在爱因斯坦教授同意担任普鲁士科学院院士的时候，他已经默认自己获得了德国国籍。”爱因斯坦没有再说什么。

在爱因斯坦获得成功之后，曾有一些人出来说：“看，我们的社会有多么的不公，像爱因斯坦这么优秀的人，居然没有一所大学愿意要他，如果他一开始就进入大学工作，肯定会取得更多更大的成就。”

针对这一说法，爱因斯坦的好友、数学家希尔伯特说：“没有比专利局更适合爱因斯坦的工作单位了。”因为那里空闲、宽容，爱因斯坦可以自由支配自己的时间。而在大学工作，则必须完成规定的教学任务和科研任务，科研项目和时间往往也不能自主选择。

1933年，由于希特勒对犹太人的迫害，爱因斯坦不得不借道比利时前往美国。此后他一直在美国普林斯顿高等研究院工作，直到1955年4月18日逝世。

婚姻与家庭

1903年1月6日，爱因斯坦与米列娃在伯尔尼登记结婚，双方的父母和亲属都没有参加，证婚人是爱因斯坦的好友索罗文和哈比希特。仪式简单朴素，他们在一家小餐馆举行了庆祝活动，饭后爱因斯坦和米列娃走回寓所，结婚仪式就算完成了。

爱因斯坦与米列娃的自由恋爱和前半段婚姻是幸福的，他们很快有了两个可爱的儿子。但是爱因斯坦的母亲始终对儿子的婚姻耿耿于怀，她不喜欢米列娃，甚至还曾经直接写信给米列娃的父母，把他们的女儿臭骂了一顿。她还在给自己朋友的信中说：“这位米列娃小姐，给我造成了终身最大的痛苦。”米列娃当然知道婆婆的不满，她在自己的信中也曾提到：“这个老太婆怎么这个样子，其实我没有对她不好，……”

爱因斯坦的亲戚和一些朋友也看不上米列娃，主要是觉得她有残疾。

时间一长，这些因素对爱因斯坦产生了影响。他在感情上与米列娃逐渐疏远，终于在1919年与她离婚。此后，米列娃一直和两个儿子生活在一起。爱因斯坦则大病一场，病中得到他表姐的照料，不久就和表姐结了婚。这位表姐叫爱尔莎，同时是他的堂姐。爱尔莎的母亲和爱因斯坦的母亲是亲姐妹，父亲则与他的父亲是堂兄弟，这桩婚姻可以说是亲上加亲。对爱因斯坦与爱尔莎的婚姻最满意的是他的母亲。

有人说，爱因斯坦对自己的第二段婚姻很满意，非常幸福。但这恐怕不是事实。爱尔莎对爱因斯坦生活上的照料是细致尽心的。不过，她总在外人面前标榜自己是爱因斯坦的夫人，这一点令他不大痛快。当然，在爱因斯坦的心中，与米列娃离婚的阴影始终存在。爱因斯坦的好友贝索去世时，他给贝索夫人的哀悼信中曾提到：“我真羡慕你们的婚姻，你们的婚姻是如此的美满成功，我的两段婚姻都不成功。”爱因斯坦与贝索一家的关系十分密切，贝索夫人的弟弟是爱因斯坦的妹夫。

爱因斯坦与米列娃离婚后，按照承诺把自己获得的诺贝尔奖奖金全部给了米列娃和两个儿子（见图1-13），但这并不能减轻米列娃的痛苦。她和两个儿子都对爱因斯坦很不满意。长子后来成了水利专家。米列娃和小儿子则患了精神病（可能有家族遗传史），在精神病院度过了余生。

图1-13 米列娃与他们的两个儿子

关于米列娃是否对爱因斯坦的科研工作有贡献的问题，曾经有过一些讨论。因为米列娃是爱因斯坦的同班同学，是学物理的，所以当然对他的研究工作能大体看懂。在他们二人的通信中，爱因斯坦大段大段地谈论他的工作，而且二人有一定的交流。爱因斯坦还在信中多次提到这些论文“是我们二人的共同工作”。

爱因斯坦喜欢讲话，米列娃是他的忠实听众，不但耐心听他讲述科研内容，还不时有一些反驳或提问，使爱因斯坦更加兴趣盎然。这些讨论肯定对爱因斯坦有一些启发。而且，她帮助爱因斯坦打字、誉清稿件，承担了主要家务，所以她对爱因斯坦的帮助肯定是很大的。但是，没有证据表明，她有创造性的贡献。有人认为，在最早的几篇论文的手稿上，爱因斯坦的签名上挂有米列娃的姓“玛里奇”，这表明爱因斯坦承认了妻子的贡献。但这是一种误解，瑞士人有一个习惯，男人在结婚后签名时，往往会带上夫人的姓。

爱因斯坦的探索

爱因斯坦也看到了第二朵乌云造成的难题，不过他注意的不是迈克耳孙-莫雷实验和光行差现象的矛盾，而是斐索实验与光行差的矛盾。法国物理学家斐索研究了以太是否被介质（流水）带动的问题，结论是流水似乎部分地带动了以太，但又没有完全带动，这一结论也和光行差现象矛盾。光行差现象表明地球在以太中穿行，即地球这种介质没有带动以太。

爱因斯坦赞同马赫对牛顿“绝对空间”和“以太论”的批判。他接受了马赫的观点，认为根本就不存在绝对空间，也不存在以太。爱因斯坦认识到相对性原理是一条根本性的原理，应该坚持。

爱因斯坦还注意到天文观测的一个结论：没有看到双星轨道发生形变的现象（见图1-14）。宇宙中像我们太阳系这种只有一颗恒星的天体系统是很少的，大多数天体系统都是由两颗恒星或多颗恒星组成的。有两颗恒星的天体系统叫双星系统，有多颗恒星的叫聚星系统。在双星系统中，两颗恒星围绕它们的质心转动。我们观察它们时会发现，它们往往一颗向着我们运动，另一颗背向我们运动。如果光速与光源运动有关，那么朝向我们运动的恒星发出的光速度就会加快，远离我们的恒星发出的光速度就会减慢。这些光在穿越漫长的星际空间到达地球后，我们同时看到的两颗恒星将不是它们“同时”所处的轨道位置，这样我们就会看到恒星围绕它们质心运动的轨道发生形变，不再是椭圆轨道。但是天文观测从来没有发现过双星轨道变形，这说明，恒星发出的光和恒星自身（光源）的运动无关。

图1-14 双星自转示意图

爱因斯坦想起了自己少年时代塔尔梅给他带来的科普书中，有的作者就强调了从来没有发现光速和光源的运动有关的现象。也就是说，似乎光速与光源是否运动无关。现在他发现，天文观测注意到的双星轨道不变形，和那些科普书中的猜测是一致的。

爱因斯坦早就注意到，在麦克斯韦电磁理论中，真空中的光速（电磁波的速度）是一个恒定值c。如果坚持相对性原理，麦克斯韦理论就应该在所有的惯性系中都一样，也就是说真空中的光速在所有惯性系中都是同一个c，与这些惯性系的相对运动速度无关。他又回忆起了自己在阿劳中学时想过的那个追光实验：假如一个人追上光，与光以相同速度跑，那么他将看见一个不随时间变化的波场，可是谁也没有见过这一情况。这说明光相对于任何观测者都是运动的，也许都是同一个速度c。

这时，爱因斯坦的思想产生了一个飞跃：真空中的光速与光源相对于观测者的运动无关，都是同一个值c。他把这个结论称为“光速不变原理”。

光速不变原理和相对性原理一起，成为爱因斯坦的新理论（即现在所说的狭义相对论）的基础。

爱因斯坦走向突破

然而，光速不变原理与伽利略变换冲突，而当时伽利略变换被看作相对性原理的数学表达。

我们从伽利略变换式（1.7）不难得出，即 。

v是S′系相对于S系的运动速度，此式体现的就是中学物理中学到的速度叠加的平行四边形定则。若速度u和u′分别是光速c和c′，则c = c′ + v。它表明，按照伽利略变换，S系和S′系中的光速不同，此结果与光速不变原理冲突。这是怎么回事呢？经过思考后，爱因斯坦认为伽利略变换并不等同于相对性原理，应该坚持光速不变原理和相对性原理，放弃伽利略变换。相对性原理比伽利略变换更基本，应该构建能正确表达相对性原理的坐标变换，来取代伽利略变换。

困扰爱因斯坦时间最长的问题与时间的定义有关，也就是与“同时性”的定义有关。他思考过这样一个例子。如图1-15所示，当一列火车以速度v通过站台时，恰有两个闪电分别击中站台上的A点和B点，静止于AB这段距离中点M的站长同时看到来自A点和B点的闪光。由于光速各向同性，站长认为“闪电击中A”与“闪电击中B”是两个“同时”发生的事件。

图1-15 同时的相对性

然而事件A和事件B也分别对应着火车上的A点和B点。站台上的人认为，闪电“同时”击中A与B时，位于列车上M′点的列车长恰好与站台上M点的站长相遇。由于光信号的传播需要时间，沿着A→B方向行驶的火车，在从闪电击中A、B两点，到闪光传到列车长眼睛的这段时间里，已向车头的方向移动了一段距离。所以，虽然静止于M点的站长会同时看到来自A、B两点的闪光，但列车长将先看到来自车头B的闪光，后看到来自车尾A的闪光。列车长静止于列车AB的中点，他也认为在他所处的惯性系中光速应该各向同性，既然先看到闪电击中B，后看到闪电击中A，他当然认为事件A与事件B不是同时发生的，“闪电击中B”是先发生的事件，“闪电击中A”则是后发生的事件。

这是怎么回事呢？在一个惯性系中“同时”发生的事件，在另一个相对于它运动的惯性系中看居然会不是同时发生的，问题出在哪里呢？

这个问题困扰了爱因斯坦多年，他曾设想放弃光速不变原理，但仍找不到出路。1905年的一天，那是一个天空晴朗的下午，爱因斯坦带着这个问题去找他的朋友贝索讨论。经过一段时间的讨论后，爱因斯坦突然眼前一亮，他的头脑中闪现出了一个亮点：这个问题的解决和时间的定义有关。他激动地对贝索表示感谢，说他的问题已经解决了。贝索感到迷惑，没有明白问题怎么就解决了。

爱因斯坦立刻回家去整理自己的思想，第二天上班时碰见贝索（贝索也在专利局上班），又对他表示了感谢，贝索依然很迷惑。四五个星期之后，爱因斯坦开创相对论的论文《论动体的电动力学》就完成了。在论文的最后，他再次对贝索表示了感谢，他写道：“最后，我想指出，在研究这里讨论的问题时，曾经得到我的朋友和同事贝索忠实的帮助，对他提出的几个有价值的建议，我表示谢意。”

论文发表之后，贝索激动地对爱因斯坦说：“阿尔伯特，你把我带进了历史。”

这个突破的第一步，是爱因斯坦想到了“同时性”的定义与对光速的“约定”（或者说“规定”）有关。

庞加莱在短文《时间的测量》中就指出，想要把位于两点的时钟校准成“同时”或者“同步”，必须首先对信号传播速度有一个“约定”。当时，人们已经知道最快的信号传播速度是真空中的光速。庞加莱建议，首先约定真空中的光速各向同性，这样才能把位于不同地点的钟对好，从而才能有“公共的时间”。爱因斯坦曾经读过庞加莱的这篇短文，所以爱因斯坦在与贝索的讨论中可能想到了庞加莱的这一思想。不过，仅有庞加莱的这一思想还不足以形成突破。由于爱因斯坦坚持相对性原理和光速不变原理（注意，光速不变原理不是指真空中的光速各向同性，而是指真空中的光速与光源相对于观测者的运动无关）。所以这时他在庞加莱思想的基础上又往前走了一大步，认识到在做相对运动的各个惯性系中，每个惯性系都可以定义自己系中的“同时”概念，各个惯性系中的“同时”可以是不同的，这就是“同时的相对性”。光速不变原理必将导致同时的相对性。“同时”不是一个绝对的概念，每个惯性系都有自己的“同时”。在一个惯性系中同时发生的事件，在另一个做相对运动的惯性系中则不同时。“同时的相对性”是爱因斯坦首先想到的，包括庞加莱在内的其他人均没有想到。而这一点，正是建立相对论的关键。

坚持光速不变原理，并认识到这一原理必将导致的同时的相对性，是创建相对论的关键的关键。

相对论的创建

爱因斯坦自幼喜欢读几何书，他深受欧几里得几何的影响。这时，他依据欧几里得几何公理体系，建筑起相对论的大厦。

他首先确认了两条公理：相对性原理和光速不变原理。然后他在这两条公理的基础上推出洛伦兹变换，作为他的理论的核心公式。再从这一核心公式出发， 得出一系列重要的推论，例如同时的相对性、动钟变慢、动尺收缩、质量公式、质能关系等。

爱因斯坦得到的洛伦兹变换与洛伦兹本人给出的变换形式完全一样，但物理解释根本不同。而且，爱因斯坦有以相对性原理和光速不变原理为基础的完整的理论体系，而洛伦兹给出的这个变换是凑出来的，并无更深的理论依据。洛伦兹放弃了相对性原理，认为存在绝对空间和以太。式（1.8）中的S系不是一般的惯性系，而是一个相对于绝对空间和以太静止的优越参考系。S′系则是一般的惯性系，它相对于S系的速度v，就是相对于绝对空间和以太的速度，有绝对意义。爱因斯坦坚持相对性原理，认为根本不存在绝对空间和以太，所以也不存在优越参考系，所有的惯性系，例如式（1.8）中的S系和S′系，都是平等的，它们之间的运动速度v只是相对速度，没有绝对意义。

洛伦兹反对爱因斯坦的解释。为了区分自己的理论和爱因斯坦的理论，他建议把爱因斯坦的理论称为“相对论”，爱因斯坦接受了这一建议。爱因斯坦后来又把他的相对论往前推进了一大步，发展成新的理论。于是，他把原来的相对论称为“狭义相对论”，后来发展创建的新理论叫作“广义相对论”。