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第一章 照耀历史的业绩
引言
1955年4月18日1时25分，一颗伟大的心脏停止了跳动。阿尔伯 特·爱因斯坦与世长辞。
巨星陨落，全球悲恸。
电讯传遍世界：
“当代伟大的物理学家爱因斯坦逝世，终年76岁。”
山河为之动哀，天地为之震惊！
到处都是悼词：
“世界失去了最伟大的科学家。”
“人类失去了最伟大的儿子。”
到处都是颂词：
“爱因斯坦开创了物理学的新纪元。”
“爱因斯坦改变了人类对世界和宇宙的认识。”
众多的刊物，重登了法国物理学家郎之万在1931年对爱因斯坦的评 价：
“在我们这一时代的物理学史中，爱因斯坦将位于最前列。
他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他究竟是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构中。”
在当日下午爱因斯坦的遗体火化时，他的遗嘱执行人奥托·纳坦朗诵了歌德悼念席勒的诗句表达了对殒落巨星的崇敬和赞颂：
我们全都获益不浅，
全世界都感谢他的教诲；
那专属他个人的东西，
早已传遍广大人群。
他像行将陨灭的彗星，光华四射，
把无限的光芒同他的光芒永相连结。
爱因斯坦的骨灰撒入空中，和宇宙、天地、小河、人类融为一体。
人们深切地怀念着他。唁电和唁函，从世界各个角落飞往普林斯顿：来自学术团体，来自国家元首和政府首脑；来自著名科学家，也来自普通的人民群众。他享而无愧，因为他改变了人类对宇宙的认识，开拓了科学造福于人类的无限广阔的前景；他为争取光明，为人类的进步进行了不屈不挠的毕生斗争。
爱因斯坦在我们的全球上树立了一个伟大的形象。作为20世纪最伟大的物理学家和富于探索精神的哲学家、思想家，他被人们当做智慧、理性的象征。他为人类留下了很多，很多：
他作为物理学家和科学家，在诸多领域树立了科学的里程碑。他创立的相对论，震撼了经典物理学的大厦，像光彩夺目的火箭在物理学上空划出一道强烈的光泽，照亮了广阔的物理学未知领域。如果没有爱因斯坦，原子能发电站、宇宙飞船、今日的科学文明时代，或许还在探索之中。
他作为哲学家和思想家，在世界观、人生观、社会观、科学观、经济观、教育观、道德观、宗教观等诸多方面提出了精辟见解，留下了许多启迪人们的思想财富。他是一位不倦的伟大探索者。正如狄拉克所说：
“爱因斯坦的工作从根本上带有开创性的特征。他从意想不到的方向打开新的思路，他创造了奇迹。”
他作为社会的一个成员，人们把他称为和平和自由的伟大战士，而他自己渴望成为一个世界公民。他坦诚，极富正义感，对邪恶势力从不低头；他具有很强的人格力量。如波普尔所描述的，可以这样说：同他在一起感到很自在；不能不信任他，不能不无保留地信赖他的直率、他的和蔼、他的判断力、他的智慧和几乎是孩子般的天真。
毫无疑问，在20世纪科学家和思想家的画卷中，爱因斯坦为人类的物质文明和精神文明作出了伟大贡献；他的科学成果的深远意义和他的思想、人格的历史影响，至今仍无法估量；可以说，爱因斯坦，就是科学、智慧、公正、善良、真理的化身。他的品格与天地日月相争辉，他的科学和思想贡献，人类将万世景仰。他的伟大而光辉的形象永远铭刻在世人心中。
爱因斯坦走了，但他留下了不朽的足迹。请记住爱因斯坦这句话：“死去的我们将在我们共同创造的保留于我们身后的事物中得到不朽。”
1.升起的一颗科学巨星
踏上人生之路
法国著名小说家斯汤达尔在一本才气横溢的小说中，一开头就以法国人的自豪感写道：“1796年5月15日，波拿巴将军身先士卒，带领着他那支刚越过洛迪桥的年轻的军队进入米兰，使全世界知道，在相隔许多世纪以后，凯撒和亚历山大后继有人。”在整整一个世纪之后，一位年轻的异国人又来到这座意大利的名城米兰，不久又使全世界知道，在相隔许多世纪之后，物理学的巨人伽利略和牛顿又后继有人。世人除非有非凡的洞察力，否则难以看出这位刚越过阿尔卑斯山从德国慕尼黑来的15岁少年，是知识领域中未来的征服者，是一颗将以其明亮的光辉照耀整个物理学的科学巨星。他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）。
爱因斯坦1879年3月14日生于德国慕尼黑附近一个著名的小城镇乌尔姆，他的父亲在那里拥有一家电气工厂。双亲都是犹太人。出生一年后，父亲的工厂倒闭了，只好举家迁到慕尼黑。靠着阔亲戚的帮助，他的父亲又重新办起了工厂。在这座德国南方的第一大城市，历史悠久、守旧的大都会，爱因斯坦全家度过了充满苦涩和艰难的14年。
童年时代的爱因斯坦似乎是个迟钝的孩子，学会说话比一般孩子晚得多。他独来独往，时常故意躲开小伙伴，即使同亲人在一起，他也只是一个沉默的听众。谁要是破坏了他独处的心境，一向沉静的他会突然爆发出激烈的情绪。他喜爱一个人默默地做那些需要耐心和坚韧的游戏，比如用薄薄的纸片搭房子，不成功绝不罢休。他少言寡语，可他那双明亮的棕色大眼睛却又分明闪烁着聪明智慧的光辉。好像他从小就习惯于用一种沉默的独立思维去面对周围的世界。
在小学里，爱因斯坦除了空想的天才，并没有表现出什么特殊的才能。他念的中学是慕尼黑一所声名昭著的古典式预科学校，学校里那种呆板机械的教学方式完全不合他的口味。古典教育变成了死记硬背拉丁语和希腊语语法，而历史变成了枯燥乏味的大事记。教师们仿效军官的样子，而学生看起来像士兵。爱因斯坦后来在回忆这段生活时说：“对我来说，小学老师好像是士官，而中学老师好像是尉官。”学校教条式的教育抑制了他的才能。那些死记硬背的功课，全都引不起他的兴趣。他的成绩不好，老师们责备他“不守纪律，心不在焉，想入非非”。一个教师说：“爱因斯坦，你永远不会有什么出息。”而另一位教师干脆建议爱因斯坦离开学校，因为他出现在教室里有损于学生的尊严。有一次，爱因斯坦的父亲到学校去，问训导主任自己的儿子将来应该从事什么职业。这位主任直截了当地回答：“做什么都没有关系。你的儿子将是一事无成的。”
爱因斯坦早就不满这种专横、强制的教育了，他独立的个性促使他很早就开始了自己的知识探索。
爱因斯坦四五岁的时候，有一天父亲拿来一个小罗盘给他玩。他将罗盘拿在手中，不管怎样转，那根细细的红色磁针一直指着北边。他惊讶了，感到从未有过的惊奇。他想，一定有什么东西深深地隐藏在这件奇异的事物的后面。这给爱因斯坦幼小的心灵留下了一个极深刻而持久的印象，唤起了他强烈的探索自然奥秘的好奇心。
爱因斯坦进中学以后，有一天他的叔叔雅各布工程师给他谈起了数学：“阿尔伯特，代数可是一门有趣的科学！就像打猎一样有趣。那头藏在树林里的野兽，你把它叫做X，然后一步一步逼近它，直到把它逮住！”“几何嘛，那更有趣了。你看……”雅各布叔叔在纸上画了一个直角三角形，并写了一个公式，对他说：“这就是大名鼎鼎的毕达哥拉斯定理。你会证明吗？”爱因斯坦被迷住了，一连三个星期，他双手支着脑袋，坐在自己的小书桌旁苦苦思索。最后，居然被他证明出来了。他第一次体验到了发现真理的快乐。
在这以后，一位爱因斯坦家里的常客，来自俄国的大学生塔尔梅，送给爱因斯坦一本《圣明几何学小书》。爱因斯坦心醉神迷，竟一口气读完了。欧几里得几何的清晰优美，数学证明的明晰性和毋庸置疑的可靠性，给他造成了一种难以形容的印象。
数学使爱因斯坦经历了另一种性质完全不同的惊奇，他对人的思维有能力了解自然感到叹服。这个12岁的孩子在不可思议的感受中迷上了数学，并使他踏上了独立研究和思索的道路。
从12岁到16岁，爱因斯坦通过自学熟悉了基础数学和微积分，阅读了布赫纳的《力和物质》和伯恩斯坦的大部头的《自然科学通俗读本》等科学著作。从这些卓越的通俗读物中，他了解了整个自然科学领域里的主要成果和方法。蓬勃发展的自然科学为少年的爱因斯坦展现出自然界的神奇和和谐。当爱因斯坦的中学同学们还在墨守成规地死死啃着教条的知识和为初等数学绞尽脑汁时，他却早已在高等数学的海洋里遨游，并已奠定了充实的自然科学知识基础了。
1894年6月，面临破产的爱因斯坦的父亲接受了一位意大利人的建议，将家和工厂搬到了意大利的米兰。几个月之后，早已对德国死板的教条式教育深恶痛绝的爱因斯坦，毅然退学，启程来到了米兰，与家人团聚。到意大利的最初几个月，他享受到了完全的自由，兴致勃勃地独自徒步漫游了意大利北部，尽情领略异乡美丽的风光。他应该安排好自己的命运了。他虽然退了学，但他并没有丧失对科学的热爱。他的志愿已定：数学和理论物理吸引了他。他决定通过正式途径继续他的科学事业。于是，他向有名的瑞士联邦工业大学提出入学申请。由于他半途退学，没有拿到中学毕业文凭，必须要接受该大学的入学考试。1895年秋天，通过母亲的关系，他获准参加联邦工业大学的入学考试，结果没有考上。原来他没有好好复习功课，德文、法文、动物学、植物学这些需要背诵记忆的功课都考得不好。幸好，他的数学和物理成绩十分出色，赢得了教授们的称赞。校长建议他到瑞士的一所州立阿劳中学再读一年，以补上除数学和物理以外的几乎其他全部学科。1896年秋天，爱因斯坦顺利地在阿劳中学拿到了毕业证书。10月29日，他被免试录取到联邦工业大学的教育系。其实，这个教育系实际应称为物理数学系，因它是专门培养物理和数学教师的。
从1896年10月到1900年8月，爱因斯坦在联邦工业大学度过了4年大学生活。在大学，他选修了数学、物理以及哲学、历史、经济和文学方面的一些专门课程，但却很少去听物理和数学的主要讲课。杰出电工学家韦伯所讲授的物理课的内容他早已熟悉，他宁可自己直接去攻读物理学大师麦克斯韦、基尔霍夫、波尔茨曼和赫兹的著作。数学是由胡尔维茨、闵可夫斯基这样一些杰出的研究者讲授的，同样未能引起他的兴趣。原因是他已逐渐改变了对数学的看法。他觉得数学分支太多、太细，每一个分支都能吮吸掉一个人的全部时间和精力。他担心他永远也不会有眼光去判定哪一个分支是最基础的。那时他会处于布里丹驴子的境地：因为无法决定吃面前的哪一捆干草而饿死。然而物理学不同，尽管物理学也分为若干领域，其中每一个领域也都能吞噬掉一个人短暂的一生，可是在这个领域里，他认为他很快就学会了识别出那种能导致深邃知识的东西，而把其他许多东西撇开不管，把许多充塞脑袋，并使它偏离主要目标的东西撇开不管。在学生时代，爱因斯坦还不清楚，在物理学中，通向更深入的基本知识的道路是同最精密的数学方法联系着的。
在大学里，爱因斯坦很快发现，要做一名优秀的学生，必须要集中精力学好所有的课程，必须要遵守秩序，循规蹈矩有条有理地记好笔记，并且自觉地做好作业。而他自感到，这些特性正是他最为欠缺的，他不愿意为此多花精力，他要把他的时间集中用到学习那些适合于他的求知欲和兴趣的东西上。他于是抱着某种负疚的心情，满足于做一个中等成绩的学生。他“刷掉了”很多课程，而以极大的热忱在家里向理论物理学的大师们学习。因此他除了数学和物理学之外，其他成绩平平。好在，按瑞士的教育制度大学只有两次考试。更为幸运的是，爱因斯坦有位最要好的同学马塞尔·格罗斯曼，他正好具备爱因斯坦所欠缺的那些品质，并且慷慨地同这位桀骜不驯的同伴分享他那细微而条理分明的笔记。所以爱因斯坦能够坦然地按照自己的路子走下去，并且从格罗斯曼的笔记里适当地往脑子里填塞一些东西而顺利地通过考试。
1900年爱因斯坦从联邦工业大学毕业以后，几乎有两年时间，就像他早年作为一个“差生”的历史所预计的那样，没有什么成就。他申请当助教，但助教的位置给了别人。在这段时期里，他在知识分子的圈子里找些临时工作以维持生计。瑞士一所中学里有位教师服两个月的兵役，他就补缺去代课。他也曾在一所私立的寄宿学校当补习老师，还曾替苏黎世联邦观象台做过一些计算工作，而一直未能立即投身到物理学的研究中去。
最后，到1902年春，爱因斯坦的好朋友，留校当了助教的“无可挑剔的学生”格罗斯曼帮了他的忙。格罗斯曼的父亲把爱因斯坦推荐给瑞士伯尔尼专利局局长，经过一番严格的考试，他被任命为专利局三等技术员，干起了专利审查员的工作。这使他解除了经济上的困难，也提高了他的工作兴趣，并时时激发他的科学想象力。除了8小时的工作，他有充分的空余时间来思索宇宙之谜了。
在伯尔尼专利局的7年业余时间里，这位年轻的专利审查员创造了举世瞩目的科学奇迹。他简直把20世纪中理论物理发展的主要方向都勾划出来了，开创了物理学的一个新时代。
物理学上空的乌云
爱因斯坦真是生逢其时！在联邦工业大学学习和进入伯尔尼专利局工作的那些年，他跨越着一个动荡的激动人心的世纪之交，而这也正是他思想活跃、青春勃发的年代。物理学历史的发展正经历着一个令人困惑、危机四伏，并预示着一场伟大的革命即将到来的时期。当历史的需要呼唤一位伟人出现时，他正以矫健的步伐走向历史舞台了。
历史的车轮进入19世纪下半叶，由牛顿奠基，并经过数代物理学家的艰苦努力，一座庄严雄伟、美丽壮观而又动人心弦的经典物理学的殿堂骄傲地耸立起来了。大至恒星和星系，小至分子和原子，遍及声、热、光、电磁，物理学似乎都已给出了完满的解释。正如美国著名物理学家迈克尔逊在1894年所说：“虽然任何时候也不能担保，物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹，但是似乎十分可能，绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了，下一步的发展看来主要在于把这些原理认真地应用到我们所注意的种种现象中去。”在19世纪70年代，当普朗克进入慕尼黑大学向自己的老师约里表示，决心献身于理论物理学时，约里回答说：“年轻人，你为什么要断送自己的前途呢？要知道，理论物理学已经终结。微分方程已经确立，它们的解法已经制定，可供计算的只是个别的局部情况。可是，把自己的一生献给这一事业，值得吗？”面对着经典物理学的完美的大厦，几乎所有的物理学家都心满意足了，他们思考着往后的研究怎样去追求更高的精确性和在小数点后更多的位数去寻找物理学的真理。
正当物理学家们还沉浸在沾沾自喜之中的时候，新的发现和新的实验事实就开始接二连三地冲击经典物理学的大厦了。
1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了惊人贯穿能力的X射线；1896年法国物理学家贝克勒耳发现了铀元素具有放射性；1897年英国的汤姆孙和荷兰的塞曼通过测定阴极射线的荷质比确证了电子的存在；1898年居里夫妇又发现了放射性极强的新元素钋和镭；1902年卢瑟福和索迪根据对放射性进行的实验研究提出了元素嬗变理论……新的物理事实展示了物质结构隐藏着更深层的秘密。与此同时，黑体辐射、光电现象、原子光谱等一系列实验事实与经典物理学的理论产生了尖锐的对立。
在历史跨入新世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老开耳芬勋爵于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的讲演，并以这次讲演为基础撰写了题为“悬浮在热和光动力理论上空的19世纪的乌云”的文章，刊登于1901年7月出版的《哲学杂志》和《科学杂志》合刊上。文章一开头，开耳芬写道：“动力学理论断言热和光是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论。它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动的呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说。”
19世纪末的物理学界根深蒂固地确立了一种思想，认为有一种到处存在的、能穿透一切的介质，它充满所有物质的内部和它们之间的空间，惠更斯把这种介质称为宇宙以太。以太是传播光波的基础。由于遥远的星光可以传播到地球，所以以太应当充满整个宇宙。因为光是横波，所以作为传播光的介质，以太应具有固体的性质；同时由于光速非常大，所以不得不认为以太的弹性系数极大，它应当是绝对刚性的。而另一方面，宇宙天体包括地球和太阳等在运动过程中似乎又并没有受到以太的阻力，因此又必须假定它的密度几乎为零，或者如开耳芬勋爵所假定的那样以太有着类似胶状物质的性质，但这样就会同以太具有绝对刚性的假定发生矛盾。如果以太不阻碍物质的运动，说明以太和物质粒子之间没有任何相互作用，可是当光穿过玻璃或水时速度又变了，这又得假定以太同物质之间有着相互作用。此外，还得要求以太具有绝对透明的性质……总之，以太到底是什么东西，它有什么性质？这本身就充满着混乱和矛盾。
关于“第二朵乌云”，开耳芬在文章中简单回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该理论所遇到的困难，特别指出了一些理论计算值与实际观测值之间的偏离。他说：“事实上，玻耳兹曼—麦克斯韦学说的偏差比我们列举的还要大。”并断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼—麦克斯韦学说。”
经典物理学遭遇到了一场深重的危机，而危机正是科学革命的前夜。尽管开耳芬勋爵只提到了两朵乌云，实际上19世纪物理学的上空几乎已是乌云密布了。然而这位在物理学史上素以保守著称的英国爵士，似乎以超人的洞察力揭示的两个难题，竟与此后物理学上两个伟大的理论革命有着密切的联系。
大放光彩的一年
1905年作为物理学史上光辉灿烂的一年，永久载入了科学史册。在这一年，爱因斯坦完成了6篇使科学领域发生巨变的划时代论文，其中3篇发表在德国莱比锡出版的《物理学杂志》的同一卷上。1905年的第一篇论文，他是在26岁生日（3月14日）之后的第3天完成的。它证明光是由不连续的微小颗粒或者叫做光量子的微粒所组成的。今天，量子原理几乎影响了所有的物理学分支，它阐明了自然界中连续体所具有的基本的微粒状态。在3篇论文中，爱因斯坦提出了一种测量分子大小的新方法，并证实布朗运动显示原子是存在的，大大推动了原子理论和统计力学的发展。而其余两篇论文，爱因斯坦创立了狭义相对论，引起了物理学思想和观念的革命，开创了物理学的新纪元。他几乎同时在相对论、光量子理论和分子运动论这三个不同领域里齐头并进，并取得具有重大意义的成果。自从23岁的伊萨克·牛顿在1665年到1666年由于鼠疫流行而避居乡间期间，发明微积分并发展了引力理论以后，科学界一直没有取得过如此丰硕的创造性成果。
1905年快过去100年了，我们即将跨越一个新的世纪之交。我们回首这要过去的一个世纪，物理学取得了惊人的进展，这些进展是与一个伟大的名字爱因斯坦分不开的。1949年获得诺贝尔奖的法国物理学家戴布劳格利说过一段话：“20世纪上半叶取得了物理学上最惊人的突破，这成为科学史上辉煌的一章。就在这短短的几十年中，物理学中耸立起两座丰碑，它们在今后几个世纪中将一直巍然屹立着，这就是相对论和量子理论。相对论是阿尔伯特·爱因斯坦富有创造力的思想的成果。量子理论的首块基石由普朗克奠定，但量子理论中的最重要的进展也应归功于爱因斯坦。”而爱因斯坦在这两个伟大理论中的贡献，正是发端于他在1905年所写的论文。
在1905年短短的几个月中，爱因斯坦创造了如此丰富的科学研究成果，确实是科学史上的奇迹。更令人钦佩的是，所有这些贡献竟是一个在学术机构大门以外默默无闻工作于伯尔尼专利局的年轻小职员做的。他在完成本职工作的前提下，完全靠利用业余时间自己摸索，没有任何的学术联系，甚至和这一行的前辈也基本上没有接触，更没有名师指导。若干年以后，他在与自己的学生利奥波特·英费尔德谈起自己的科学经历时说，一直到30岁左右，他还从来没有见到过一位真正的理论物理学家。英费尔德曾风趣地补充说：“除非是在镜子里。”然而爱因斯坦成功了。这需要多么大的毅力！他付出了多么大的代价！正如爱因斯坦自己在1933年所写的那样：“一旦这种想法的正确性得到了承认，最后成果就水到渠成了。任何聪明的大学生理解这些成果都不会有什么困难。但是，在一个人茅塞顿开、恍然大悟之前，在黑暗中探索他能感受到但又表达不出的真理的那些年代里，那种强烈的求知**，那种时而有信心时而又产生疑虑的心理变化，只有亲身经历的人才能知道是什么滋味。”
2.科学道路上的新起步
分子存在吗
爱因斯坦最初发表的几篇论文，都是关于分子运动论和热力学方面的。1902年的《热平衡的运动和热力学第二定律》和1903年的《热力学基础理论》两篇论文，他是在不知道玻尔兹曼和吉布斯已经发表而且事实上已经把问题彻底解决了的早期研究工作的情况下，独立地搞出了统计力学这门学科。他还以玻尔兹曼和吉布斯都做不到的方式认真地对待这门学科，把它作为最终证明物质的原子本性的理论基础。他研究统计理论有一个明确的目的，就是要用来测定分子的实际大小，并尽可能地确证有确定的大小的原子的存在，以解决当时科学思想战线上争论最激烈的问题：原子和分子究竟是否存在？
1827年的一天，英国植物学家布朗坐在显微镜前，观察撒在水里的花粉。他注意到，飘浮在水中的植物花粉一刻也不静止，而是像跳一种
“塔兰台拉”舞那样无规则地跳来跳去，仿佛被某种看不见的力量踢来踢去似的。他当即在实验报告中记下了这个奇怪的现象，他无法进行解释，所以一直没有发表。布朗去世后，人们才在他的文件堆里找到这份躺了近40年的实验报告。后来，人们以发现者的名字把这种微粒的无规则行为称作布朗运动。
在这之后好多年，科学家一直都不能解释微粒的这种极度紧张的行为。无数学者为解释这种现象的奥秘，作了种种徒劳的努力。到了19世纪80年代，法国物理学家古伊提出了一种看法。他认为，花粉粒子或其他物质的粒子是受到周围分子的撞击而作这种不规则的布朗运动的。看不见的分子运动引起了看得见的花粉运动。
一些人反对这种解释，因为他们根本否定分子和原子的存在。他们问：“存在原子吗？存在分子吗？多大？什么样子的？”何况古伊的解释在当时不仅缺少数学基础，而且没有任何的实验证明。
爱因斯坦相信世界是物质的，相信原子和由原子组成的分子是存在的。但是，怎样才能用最有力的证据证明原子和分子的存在呢？在他从联邦工业大学毕业以后那些失业的日子里，他就开始思索这一问题了。以前在工业大学的物理实验室里，爱因斯坦也曾经在显微镜下观察过布朗运动。已经过了多年，但是那种奇妙的现象：粒子不规则的、永不止息的运动，仿佛仍在眼前。怎样解释这种神奇的现象呢？他对热力学规律与分子力学的不可分割性有强烈的印象，在他的心目中，热力学并不否定粒子的运动，而且热力学是间接地运用和确证物质的原子和分子运动规律的广阔领域。他想，按照原子论，一定会有一种可以观察到的悬浮微粒的运动，这就是布朗运动。他进一步分析，如果分子运动论原则上是正确的，这一点他毫不怀疑，那末，那些可以看得见的粒子的悬浮液就一定也像分子溶液一样，具有能满足气体定律的渗透压。按照热力学的气体动力学理论，这种渗透压与分子的实际数量有关，亦即同一克当量中的分子个数有关。如果悬浮液的密度并不均匀，那末这种渗透压也会因此而在空间各处有所不同，从而引起一种趋向均匀的扩散运动，而这种扩散运动可以从已知的粒子迁移率计算出来。另一方面，这种扩散过程也可以看作是悬浮粒子因热骚动而引起的、原来不知其大小的无规则位移的结果。通过把这两种考虑所得出的扩散通量的数值等同起来，他想，就一定可以得到这种位移的统计定律即布朗运动定律。于是，他用自己独立发展的将统计和力学结合起来的新的统计力学的方法，深入研究悬浮粒子在流体中的运动，分析原子和分子的运动及其与热之间的关系，计算出布朗运动的规律，得到了关于布朗运动的精确的数学理论。1905年4月和5月，他把这一研究成果写成两篇论文：《分子大小的新测定法》和《热的分子运动论所要求的静液中悬浮粒子的运动》。其中，前一篇论文是他向苏黎世大学申请博士学位的论文，当年以单行本在伯尔尼出版，后一篇论文则在当年莱比锡的《物理学杂志》上发表。在这两篇论文中，爱因斯坦从理论上科学地阐明了布朗运动产生的原因，并从悬浮粒子位移的平均值推算出单位体积中流体的分子数目，提出了一种通过观察布朗运动测定分子实际大小的新方法。爱因斯坦在第二篇论文的最后，向实验物理学家呼吁，希望他们能用实验证实他的这一理论。
法国物理学家佩兰作出了响应。3年后，他用极精细的实验证实了爱因斯坦的理论，计算了分子的大小。由于这项工作，佩兰荣获了1926年的诺贝尔奖。
这一铁的事实，迫使最顽固的原子论反对者奥斯特瓦尔德和马赫也不得不服输，声称“改信原子学说”了。一时甚嚣尘上的反原子论终于宣告彻底破产，爱因斯坦成功了。
辐射之谜
爱因斯坦对于布朗运动的理论研究，成功地继承了过去分子物理学的工作，并使它获得完满结果。他在光学理论方面的研究成果是同已经作出的发现分不开的。不过，他的这一研究，一开始就具有革命性。它意味着科学史上的一次飞跃：量子物理学的大门打开了。
19世纪末的西欧各国，由于城市和企业人工照明的发展，以及测量高温炉膛温度等的生产需要，人们对热辐射的物理现象进行了大量的研究。在实验中，科学家们发现，热辐射的辐射能及其按波长的分布是随温度变化的。为了从理论上解释这一实验事实，人们进而研究黑体辐射问题。物体不仅能发出热辐射，也能吸收热辐射；白色物体吸收热辐射的本领最弱，黑色物体吸收热辐射的本领最强。吸收热辐射本领最强的物体同时也是发射热辐射本领最强的物体。人们把百分之百地吸收热辐射的物体称为绝对黑体或理想黑体，简称黑体。在相同温度下黑体与其他任何物体相比，能够发出最强的热辐射。人们发现，黑体有一个重要特性，即不论它是由什么材料组成的，也不管它是什么形状，在相同温度下都能发出同样形式的光谱，也就是说光谱分布只与温度有关。因此，黑体是研究热辐射规律的理想辐射体。实验表明，黑体辐射能量按波长的分布曲线存在峰值，而与这种峰值能量相应的波长随着温度的增加而向短波移动。在实验室的温度下，黑体的这种峰值能量辐射在光谱上先是发出红光，然后随着温度的增加而变为桔红、黄、白，最后变为蓝光。就是说，温度越高，光谱中峰值辐射频率就越高。
起初，对于黑体辐射的辐射能量与绝对温度及辐射波长的关系，物理学家们都力图用经典物理的理论来解释。1896年，德国物理学家维恩，根据热力学的普遍原理和实验数据给出的公式：
在短波区域内与实验符合得很好，但在长波区域所给出的结果则低于相应的实验曲线。英国物理学家瑞利1900年在谈到维恩公式时说，这个公式从理论上看“似乎只不过是猜测”，而从实验方面来看，“好像也相当难以接受”。他想在更可靠的基础上导出分布式。瑞利证明，如果能量均分定理能够用于以太振动模型，那末黑体辐射分布就肯定与维恩公式不同。他运用统计力学、热力学和经典的电磁理论，推导出一个辐射公式，后经物理学和天文学家金斯修正，被称为瑞利—金斯公式：
它适合于波长较长的低频部分，但在波长较短的高频部分，它不仅与实验结果相矛盾，而且按照他们由这一公式推出的积分辐射公式，甚至得出在短波区域内，黑体辐射的分布曲线随着波长的减短而极快地单调上升，以至总的能量趋向于无穷大的荒唐结论。这个失败被称为“紫外灾难”。
从表面看来，维恩、瑞利和金斯的公式说明不了新的实验结果，似乎是他们给出的公式有错误。但是科学史表明，他们应用经典物理理论得出的公式，其推导过程是极其严谨、周密和合乎逻辑的。很显然，问题的实质是理论本身的缺陷，因而使许多物理学家在应用经典物理的理论去解释黑体辐射的能量分布时，便感到束手无策而陷入了窘境。
德国物理学家普朗克长期从事热力学的研究。1899年，他从热力学推导出维恩公式。但当他得知维恩公式在长波区与实验结果有很大偏离，而1900年瑞利提出的公式仅在长波部分与实验结果相符，在短波部分却又失效时，便立即尝试用内插片去建立新的辐射公式，使其在长波区和短波区分别同瑞利公式和维恩公式相一致。当时他得到的新公式被称为普朗克公式：
1900年10月19日普朗克在德国物理学会上公布了自己的公式。德国的物理学家鲁本斯当晚就把普朗克公式同自己的实验数据作了比较，发现两者完全符合，第二天就把这个比较结果告诉了普朗克。普朗克听到这个消息很受鼓舞，认为自己的公式同实验结果符合得如此之好绝非偶然，“如果可以把它仅仅看作是一个侥幸揣测出的内插公式，那么它的价值也只是有限的。由于这个缘故，从它于10月19日被提出之日起，我即致力于找出这个等式的真正物理意义”。为了揭开这个谜，普朗克进行了艰巨而深入的研究工作。以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为基础的经典物理学的所有方法，他都试过了，都失败了。经过56天的紧张探索，他终于发现，这个关系式之所以不能从经典物理的理论推导出来，根本原因是经典物理关于能量均分的原理建立在电磁辐射能量连续的观念上，只要作一个简单的假设，一切问题就会迎刃而解。于是他果敢地放弃了经典物理的概念，而提出了一个截然不同的新概念，并以此为基础构筑了一个新的科学假说。
在这之后的一个深秋的夜晚，普朗克教授像往常一样在别墅附近的树林里散步，他向陪着他散步的儿子说：“今天，我作出了一个假设，它和牛顿的发现一样重要。”教授说完这句话，两手一摆，显得非常遗憾。他的声音有点激动，这是很少有的。教授激动，倒不是因为研究有了进展，而是因为这个假设事关重大：它和现有的全部物理学观念格格不入。而且他受过严格的经典物理学的训练，他太爱牛顿，太爱经典物理理论了。
1900年12月14日，普朗克在柏林的物理学例会上，发表了题为《正常谱中的能量分布法则的理论》的论文，报告了自己的研究成果。普朗克在假说中设想，物质中具有振动着的带电粒子，称线性谐振子。由于谐振子带电，所以能与周围的电场交换能量。他提出，谐振子在交换能量的过程中，它吸收或发射的能量不是连续的，而只能是一份一份地进行。这一份一份的能量是一个最小能量单元的整数倍。这个最小的、不可再分的能量单元称为能量子，它的数值为用量子，后来叫做普朗克常数，它是微观世界的基本标志。根据这个假定，普朗克胜利地从理论上推出了普朗克公式。
由于普朗克对他的经验公式所作的推导和论证，其立论根据与经典物理相违背，所以当他宣布这一发现时，大多数科学家投之以冷淡的一笑。普朗克当时似乎也并不了解自己新发现的深远意义，用他后来的话说，这不过是“孤注一掷的行动”，“实际上并没有对它想得太多”。令人深思的是，他的假设是大胆的，但他的基本思想又偏于保守，他并没有把他的新概念、新理论坚持下去，在往后整整14年里，几度观望徘徊，多次力图削足适履，重新把他的新理论纳入经典的范围，只是最后才不得不坚信量子假说的正确性。
虽然普朗克在量子理论问题上有过徘徊甚至倒退，然而量子概念的革命意义是巨大的，它标志着一个伟大的时代——量子物理学的时代的到来。普朗克的历史功绩是不朽的。
光的微粒说与波动说之争
在普朗克提出量子假设之后，有四年多的时间，似乎并未引起人们的兴趣。然而在伯尔尼的瑞士专利局工作的年轻职员爱因斯坦，一看到普朗克的论文，就敏锐地看到了量子概念所隐含的普遍意义。1905年3月，正当普朗克犹豫彷徨之际，爱因斯坦就写了一篇题为《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》的论文。在这篇论文中，他把普朗克针对谐振子能量所作的量子假设大胆地引进光辐射的研究中去。爱因斯坦在思想方法上没有任何保守性，他很少顾及权威和因袭的教条，因而进一步发展了普朗克的思想，迈出了勇敢的一步。他认识到，正确运用普朗克的假说，光的理论便会焕然一新。
在光的理论方面，从17世纪以来就交织着牛顿的微粒说和惠更斯的波动说之间的斗争。牛顿在其第一部完整的光学著作《光学》中提出，光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流。他用光的微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于牛顿的微粒说简单，又能通俗地解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。然而光的微粒说在解释某些光学现象时也遇到了困难。比如，它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前进，为什么光线并不是永远都走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播。为了解释这些现象，与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯提出了与微粒说相对立的波动说。他把光和声波、水波相类比，认为光是一种机械波动，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播。波动说不但对上述困扰微粒说的问题给出了解释，而且也解释了光的反射和折射现象。两种学说各有物理事实的支持，互不相让。然而由于波动说当时还很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以并未得到广泛的拥护。加上牛顿权威的影响，微粒说在19世纪之前一直占上风，并几乎使得波动说在很长时间内销声匿迹。
19世纪初，英国物理学家托马斯·扬在暗室中做了一个举世闻名的光的干涉实验；而法国物理学家菲涅耳也设计了一个实验证实了光的衍射现象。这两个著名实验的成功，证明光确实是一种波，它只有用波动说才能解释，而微粒说对此则无能为力。
给微粒说以致命打击的，是对光速值的精确测定。牛顿和惠更斯在解释光的折射现象时，对于水中光速的假设是截然相反的。牛顿根据微粒说认为，光在水中速度大于在空气中的速度；惠更斯根据波动说则认为，光在水中的速度应小于在空气中的速度。19世纪中叶，法国物理学家斐索和傅科，分别采用高速旋转的齿轮和镜子，先后精确地测出光在水中的传播速度。实验指出，光在水中比在空气中传播得慢。这对波动说是一个极大的支持，波动说获得了新生。
正当波动说捷报频传的时候，光的电磁理论的建立又使其锦上添花。19世纪60年代，麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律，建立起完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在。经过准确计算，麦克斯韦发现，电磁波的传播速度等于光速，电磁波与波动说所认为的光速一样是横波。由此他指出，光是一种电磁现象，光波是一种波长较短的电磁波。这就是光的电磁说。到了80年代，德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。利用光的电磁说，对于以前发现的各种光学现象，都可以作出圆满的解释。这使得波动说在与微粒说的论战中，取得了无可争辩的胜利。
光的波动说的疑难
正当波动说欢庆辉煌胜利、踌躇满志地坚信光就是一种波动的时候，意外的事情发生了。置波动说于死地的新的实验事实，如以太存在的否定和光电效应的发现，像晴天霹雳从天而降。
以太是波动说作为光波传播的介质而提出来的。前面曾说过，把以太看作是光传播的介质，这本身就充满着混乱和矛盾。然而物理学家们始终不愿轻易放弃以太存在的想法。为了验证以太的存在，寻找物体相对于以太的绝对运动，许多物理学家做了各式各样的实验。其中最著名的是迈克尔逊—莫雷实验。这个实验是根据麦克斯韦死前提出的设想设计出来的。麦克斯韦指出，如果地球相对于静止的以太运动，那末，沿地球运动方向发出一个光信号到一定距离又反射回来，在整个路程往返所需的时间应稍小于同样的光信号沿垂直于地球运动的方向发射到相等距离往返所需要的时间。1881年美国物理学家迈克尔逊利用他发明的干涉仪，用光的干涉方法来检验这种在互相垂直的两个方向传播的时间。1887年他同莫雷合作，进一步改进了这个实验，提高了实验的精确度。实验原理如图1所示。干涉仪的两臂l1和l2相等。单色光源S发出的光束行至半透明的玻璃片A，分成互相垂直的两股，其中一股透过A射到反射镜D，反射回到A，然后被反射进入望远镜E；另一股光速被A反射到反射镜B，又被B反射回到A，然后透过A也进入望远镜E。先假定地球携带干涉仪以速度V向AD方向运动，那末由于V的存在，将使通过ABAE与ADAE的两股光束产生一个时间差△t，在望远镜中将会看到干涉条纹；然后将仪器旋转90°，使l垂直于地球运动的方向，此时两个路线上光传播的时间差为△t′。△t′—△t为时间差的变化，这个时间差的变化将会引起干涉条纹的移动。根据计算，这种移动相当于可见光波长的0.4倍。因此在望远镜中应该看到干涉条纹的明显移动。
虽然实验本身达到了很高的精度，但在实验中，迈克尔逊和莫雷并未观察到预期的干涉条纹的移动。这个实验被许多人重复，但都得出相同的结果，这一结果称为“零”结果。它否定了以太风，也证明地球周围根本不存在什么以太。没有以太，光波或电磁波又是如何传播的呢？这是波动说难以克服的困难。
迈克尔逊—莫雷实验的意义远不止于此，它还激发了物理学中另一个更加伟大的革命。
光量子论——光的波粒二象性
引起波动说另一个难以克服的困难的物理事实是光电效应的发现。历史在这里似乎开了一个玩笑，发现光电效应的正是那须用实验验证麦克斯韦电磁波理论的德国物理学家赫兹。
所谓光电效应，就是物质（主要是金属）在光的照射下，从表面释放出电子的现象。所释放的电子叫做光电子。例如，在验电器上安装一块擦得很亮的锌板，并使它带负电。验电器的指针便张开一个角度；然后用紫外光照射锌板，验电器的指针立即合拢，表示锌板所带的负电荷已经失去。假如原先使锌板带正电，重做上面实验，则不发生指针合拢现象。大量实验证明，在光的照射下从金属板上跑出来的负电荷就是电子。进一步的实验指出，光电效应的发生，只跟入射光的频率有关。对一定的金属来说，存在一个特定的频率，只有用比这个频率高的光来照射，才能引起光电子的发射；而如果用频率较低的光来照射，则无论光多强，照射的时间多长，都不能使金属放出电子。同时，从金属板释放出的光电子，其速度或能量随着入射光频率的增高而增大，与入射光的强度无关，入射光的强度只影响释放出光电子的数目的多少。另外，只要入射光的频率足够高，不管它强度多弱，都有光电现象产生。
光电效应用光的波动说无法理解。按照光的波动理论，光波的能量是连续的，只跟光波的振幅即强度有关，而与光的频率无关。就是说，无论什么频率的光，只要强度足够大，都应能释放出光电子，而且光的强度越大，释放出的光电子的能量也越大。而事实却与此相反。波动说陷入了不可解脱的困境。
爱因斯坦受普朗克量子概念的启示，在1905年的那篇著名的论文中，大胆提出了光量子假说。这源于他的一个思想，这就是世界统一性的思想。在他看来，在当时的物理理论中，物体是由一个一个原子组成的，是不连续的，而光（电磁波）却是连续的。在原子的不连续性和光波的连续性之间有着令人不解的深刻矛盾。他不满足于普朗克把能量的不连续性局限于辐射的吸收和发射的特殊性上。他相信光同原子一样也有粒子性，光不仅在吸收和发射时是不连续的，而且光在空间的传播也是不连续的，光就是以光速运动着的粒子流。按照他所提出的光量子假说，光是由光量子（后来简称光子）这种粒子组成的，光的能量是不连续的，同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是这一假说成功地解释了光电效应，并给出了光电效应的爱因斯坦方程。这一方程给出了电子动能与光频率之间的基本关系式，即：
光量子论提出后，几乎遭到所有老一辈物理学家（其中也包括普朗克）的反对，一些年轻物理学家也无法接受。美国物理学家密立根起初也不相信光量子论，企图以实验来否定它。他花了10年功夫去检验爱因斯坦的光电效应公式，但实验结果却与他最初的愿望相反。1915年他不得不断言爱因斯坦光量子论的正确性，宣告他的实验证实了爱因斯坦的光电效应公式，并由该公式精确地测定了h的值，这个结果与普朗克辐射公式给出的h值符合得很好。对光量子论的另一个有力的支持是美国物理学家康普顿的工作。1922—1923年间，康普顿研究了X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。根据古典电磁理论，入射波长与散射波长应该相等。而康普顿的实验却发现，除有波长不变的散射外，还有大于入射波长的散射存在。这种波长改变的散射现象称为康普顿效应。光的波动说无论如何也不能解释这种效应。康普顿发现这种效应时也不相信光量子理论，经多方探索，他终于认识到这种效应只能用光量子论来解释。康普顿效应被看成是光量子假说的判决实验，被认为是光量子存在的确凿证据。
光量子论的提出和证实，在某种意义上复活了光的微粒说，但这不是简单地回到牛顿的发射论。爱因斯坦提出光量子论有着更深刻的思想，他认为光的粒子性和波动性都各自反映了光的本质的一个侧面。1909年，爱因斯坦参加了德国自然科学家协会在萨尔斯堡举行的大会，第一次会见了普朗克，并在会上作了“论我们关于辐射的本质和结构的观点的发展”的报告。他论证说，未来的光学理论“可以认为是光的波动论和发射论的某种综合”。爱因斯坦提出光量子论，赋予光以波粒二象性，把光的微粒说和波动说在一个更高的基础上统一起来了。
爱因斯坦于1905年提出光量子论之后，1906年他又把量子概念扩充到物体内部粒子的振动上去，解决了低温时固体的比热同温度变化的关系问题。1916年他所撰写的论文《关于辐射的量子理论》，是量子论发展第一阶段的理论总结。它从玻尔的原子结构假说出发，用统计力学的方法导出了普朗克的辐射公式。文中所提出的受激辐射理论，是本世纪60年代蓬勃发展起来的激光技术的理论基础。1924年，法国物理学家德布罗意在爱因斯坦光量子理论和光的波粒二象性思想的启发下，推广了爱因斯坦在光量子理论中推出的公式（P为动量，λ为波长），提出了物质波理论。这是量子物理学发展中的一个重要成就，德布罗意因此荣获了1929年的诺贝尔物理学奖。与此同时，当德布罗意物质波理论刚提出，爱因斯坦就用它来处理单原子理想气体，同玻色一起建立了玻色—爱因斯坦量子统计理论。这些工作，促成了电子波的实验证实，也推动了薛定谔波动力学的建立。
3.物理学上的时空革命
狭义相对论的创立
在爱因斯坦于1905年发表在德国《物理学杂志》上的几篇论文中，
《论动体的电动力学》是物理学中具有划时代意义的历史文献。这篇论文宣告了相对论的创立。而相对论是爱因斯坦一生中最重要的科学贡献。在这篇论文中，爱因斯坦提出了狭义相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。这一理论把牛顿力学作为低速运动理论的特殊情形包括在内，它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，对空间和时间这样一些基本概念作了本质上的变革；它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。这一在物理理论上的根本突破，开辟了物理学的新纪元。
爱因斯坦狭义相对论思想的产生，最早源于他16岁时一直困扰着他的一个问题。在他1895年进入阿劳中学上学时，他已比与他同龄的中学生掌握了更多的物理方面的知识。他对探索自然奥秘有着无比浓厚的兴趣，时常一个人静静地思考一些科学特别是物理学方面的问题。一天，他突然想到这样一个问题：假如一个人以光速跟着光波跑，那末他就处在一个不随时间而改变的波场之中。也就是说，应该看到这条光线就好像一个在空间振荡而停滞不前的电磁场。然而看来不会有这种事情。这个问题他一直想搞清，为此沉思了10年。
1896年爱因斯坦进入苏黎世联邦工业大学以后，继续思考着关于运动物体的光学特性的问题。对于当时物理学中流行的光是通过以太这种特殊的介质来传播的观点，一开始他也是毫不怀疑的。但他想，光通过以太的海洋传播那末地球也应是在以太中运动的，反过来说，以太应有相对于地球的运动。这应该可以通过实验来加以验证。因此他就去查阅有关这方面的资料。可是他查遍了他所能找到的物理学文献，都没有关于找到以太的明确的实验证据。于是他想亲自来验证一下。为此，他设计了一个使用两个热电偶的实验：用几面镜子，把来自同一个光源的光反射到两个不同的方向，一个与地球运动方向平行，另一个则方向相反。如果假设在两条光束之间存在能量差，那末就能用两个热电偶测出所产生的热量的差别，从而检测出地球相对于以太运动而引起的光速的变化。可是他的老师不支持他，他也没有机会和能力建造这种设备，事情就这样不了了之。后来，当他正在学校思考以太流的问题的时候知道了迈克尔逊实验的“零”结果。他很快意识到，如果承认迈克尔逊实验的“零”结果符合事实的话，那末认为地球相对于以太运动的想法就是不正确的，应该抛弃以太这个顽结。但是，如果没有以太充满整个宇宙空间，也就不可能有什么绝对的静止和绝对的运动了，因为物体不可能相对于虚无运动。所以他认为，只能是谈一个物体相对于另一个物体，或者一个参照系相对于另一个参照系的相对运动。处于这两个参照系中的观察者都有同等的权利说：“我是静止的，对方在运动。”如果没有宇宙以太作为物体在空间中运动的公共参照系，我们就无法探测到这一运动。所以迈克尔逊的实验没有探测到地球相对于以太的运动，也就不足为奇了。
迈克尔逊—莫雷实验的“零”结果也震动了当时的物理界。物理学 家们提出了各种各样的假说企图解释这一奇怪的结果。但是各种解释都 不能令人满意，许多人仍然坚信以太的存在，迈克尔逊本人也是如此， 洛伦兹也是如此。据说迈克尔逊一直到临死还因他未能找到以太而深感 遗憾。洛伦兹用修补的方法来挽救旧理论，他取消了以太的其它各种力 学性质，但却留下了以太惟一的性质即不动性，仍赋予与以太相对静止 的坐标系以特殊优越的地位。这位荷兰物理学家于1892年在阿姆斯特丹 科学院提出了收缩假说，即认为迈克尔逊实验中，处于地球运动方向的
解释迈克尔逊—莫雷实验的结果。同时推论，所有固体穿过静止以太时，都会在运动方向上产生同样比例的收缩。在后来的工作中，洛伦兹又人为地引进了“当地时间”这个辅助量，建立了从静止的以太坐标系到其它惯性坐标系的变换式，即著名的洛伦兹变换式，不过他并不理解这个变换式的物理意义。彭加勒、拉摩、伏格特等人也提出了一些接近于相对论的重要思想。
正当洛伦兹和彭加勒等人在为解决迈克尔逊—莫雷疑难而纷纷提出各种假说和观点时，爱因斯坦也在他那伯尔尼专利局的办公室中思考着电磁现象和光学中的疑难。即使推着婴儿车在伯尔尼的街上慢慢行走，他也在想着问题，时不时地停下来掏出几张纸片，匆匆记下一些符号和数字，又塞进口袋中去。除了看过洛伦兹1895年写的一篇论文之外，他对彭加勒等人的工作几乎一无所知。他在走着一条自己的路。
爱因斯坦在工业大学上学时，最使他着迷的就是麦克斯韦理论。当时老师在课堂上并不讲授这些内容，因此他除了在物理实验室外，其余时间就通过亥姆霍兹、玻耳兹曼、赫兹等人的著作如饥似渴地学习麦克斯韦的理论。现在他发现，麦克斯韦电动力学即电磁场方程应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，也就是说，麦克斯韦方程在静止系中是正确的，而在相对于静止系匀速运动的系统中就不正确了。他曾花了不少时间企图修正麦克斯韦方程，可是没有取得成功。他还试图用麦克斯韦和洛伦兹的电动力学方程来处理斐索关于菲涅耳拖动系数的实验，可是同样遇到了问题。他相信这些方程是正确的，它们恰当地描述了实验事实。他也相信，既然没有绝对静止，那末这些方程在运动参考系中应当和在所谓静止参考系中一样有效，可这样会导致光速不变的概念。而这个概念又和力学中使用的速度相加定律相矛盾。为什么这两个概念相互矛盾呢？问题在什么地方呢？他觉得这个问题解决起来很难，几乎用了一年时间，他试图解决这个问题，但一无所得。
对于洛伦兹等人提出的收缩假说，爱因斯坦认为，它们是以承认存在一种静止的不动的光以太为基础，而且引进这种假说虽然可以在形式上消除理论同迈克尔逊—莫雷实验的矛盾，但是这看来只是一种拯救理论的人为方法。他不满意这种做法。他认为，迈克尔逊实验等这一类企图证实地球相对于以太运动的实验的失败是必然的。同时，他相信麦克斯韦和洛伦兹的电动力学方程式是正确的，因为不存在什么绝对静止，绝对静止这个概念不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性。倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于电动力学和光学的定律也一样适用，这是一条基本的原理即相对性原理。同时，也应很自然地承认另一条原理，即光速不变原理。以这两条原理作为公设，再根据静体的麦克斯韦理论，他想，应该足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力学。可是怎样才能最后解决这个问题呢？
米歇尔·贝索是爱因斯坦在伯尔尼专利局的一位非常要好的同事和朋友。贝索在哲学、社会学、医学、技术、数学和物理学方面有渊博的知识，而且他具有接受新思想和给它增加某些非常重要的欠缺的线条的惊人能力。爱因斯坦称他是在全欧洲都找不到的“新思想更好的共振器”。有了什么问题，爱因斯坦很喜欢与贝索进行交锋和讨论。在一个非常晴朗而美好的日子，爱因斯坦带着他一直苦苦思索的问题去找贝索，他对贝索说：“最近我在研究一个困难的问题，今天找到这里来，是想和你一起攻破这个问题。”于是他和贝索讨论了这个问题的各个方面。第二天早晨起床时，突然一个思想的闪光飞过他的脑海，“对于一个观察者来说是同时发生的两个事件，可是对别的观察者来说，就不一定是同时的”。他抓住这一灵感经过仔细分析，终于找到了问题的关键。接着他又赶快到贝索那里，没有打招呼就直说：“谢谢你。这个问题我已经完全解决了。”爱因斯坦最后解决问题的突破口是对时间概念的分析。他想到，时间是不可能绝对地定义的，在时间和信号速度之间一定存在着不可分割的联系。用这个新的概念，他才感觉到第一次有可能完全解决所有困难。他认为，为了摆脱困难，只需要准确地表述时间概念就行了。“需要认识的仅仅是人们可以把洛伦兹引进的，他称之为‘当地时间’这个辅助量直接定义为‘时间’。如果我们坚持上述时间的定义，并把伽利略的变换方程用符合新的概念的变换方程来代替，那么洛伦兹理论的基本方程就符合相对性原理了。这样，洛伦兹和斐兹杰惹的假说就像理论的必然结果”。在5个星期之内，他就完成了这篇光辉的论文《论动体的电动力学》。他建立了新的时间概念，从狭义相对性原理和光速不变原理出发，推出洛伦兹变换，顺利地创立了狭义相对论。在这之后，他又写了一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，发表于同年的《物理学杂志》上。这项研究是对前一研究的一个重要补充，它导致了一个非常有趣的结论，这个结论为以后的原子能的利用奠定了理论基础。那末，狭义相对论告诉了我们什么呢？
空间和时间的统一性
自古以来，空间和时间都被看成是两个完全无关的独立实体，伟大的牛顿在其《自然哲学之数学原理》中写道：
绝对空间就其本性来说与外界任何事物毫无关系，它永远是同一的、不动的。
绝对的、起初的数学时间本身按其本性来说是均匀流逝的，与外界任何事物无关。
牛顿关于空间的定义暗示着对于空间中的运动存在一个绝对参照系，而他的时间定义则意味着存在一个绝对的计时系统。但是实验证明了光速的不变性，这就打破了绝对的空间和绝对的时间。
我们设想有一列很长的火车，以恒速在轨道上行驶（参见图2）。我们可以把铁路路基看作是一个特定的参考物体，在这列火车上旅行的人们也可以很方便地把火车当作刚性参照物体，他们参照火车来观察一切事件。因而，在铁路线上发生的每一个事件，也在火车上某一特定的地点发生。那么，我们考虑一下，对铁路路基来说是同时的两个事件（例如A、B两处雷击），对于火车来说是否也是同时的呢？
当我们说A、B两处雷击相对于路基而言是同时的，这意思是：在发生闪电的A处和B处所发出的光，在路基A→B这段距离的中点M相遇。但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点。令M′为行驶中的火车上的A→B这段距离的中点。从路基上判断，当雷电闪光发生的时候，点M′自然与点M重合，但是M′以火车的速度向图中的右方移动。如果坐在火车上M′处的一个观察者并不具有这个速度，那么他就总是停留在M点，雷电闪光A和B所发出的光就同时到达他这里，也就是说正好在他所在的地方相遇。可是实际上这个观察者正在相对于铁路路基朝着来自B的光线以此，这个观察者将先看见自B发出的光线，而后才看见自A发出的光线。所以，把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论，即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。这样就得到一个结果：在一个系统中相隔一定距离同时发生的两个事件，当我们从另一个相对于它作相对运动的系统来观察时它们是不同时发生的。同时具有相对性，每一个参考物体都有它本身的特殊的时间，除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体而言，否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义。
我们再进一步设想，如果列车上有一位乘客先吃水果后吃饭。那么这两个事件对于列车来说都是发生在同一地点（同一个座位上），但时间不同。然而从站在路基旁的一个观察者看来，这个乘客吃水果和吃饭则是发生在不同地点的事件了。这个极普通的事实说明：一个系统中在同一地点但在不同时刻发生的事件，从另一个相对于它作相对运动的系统去观察时则是发生在不同地点的。
因此，我们从上述简单例子可以看出，空间和时间至少部分地可以相互转变，对一个系统来说，单单在空间（或时间）上分开的两个事件，当我们从另一个相对于其运动的系统观察时，它们之间会有一定的时间（或空间）间隔。
爱因斯坦证实，两个事件之间的时间间隔在不同的惯性参照系中（所谓惯性参照系是指使所有的牛顿运动定律特别是惯性定律有效的参照系）测量结果会不同，甚至两个在一般情况下完全一致的时钟在两个不同参照系中的运动速率也会不同，即“嘀嗒”之间的时间不一样。爱因斯坦的结论是时间膨胀，即快速运动的系统中一切物理过程都要变慢。相对性时钟变慢的数值由下式确定：
其中，t为相对静止的系统中的时间间隔，t为相对于该系统以速度运动的系统中的时间间隔，C为光速。
爱因斯坦还指出：不仅时间会膨胀，而且长度会缩短。相对性长度缩短的数值由下式确定：
其中，L为相对静止的系统中所测量的物体的长度，L为相对于该系统以速度运动的系统中所测量的该物体的长度。即快速运动的系统中，一切物体都要在运动方向上缩短。
相对论力学
从运动系统观察到的时间膨胀和长度缩短来源于相对论性的坐标变 换。
让我们考虑两个坐标系（x，y）和（x′，y′），它们彼此相对运动的速度是，并从它们的原点O和O′彼此重合的时候开始在两者中计算时间。现在设想在带撇的坐标系中一个固定不动的物体P，其位置到原点O′的距离是X′。在不带撇的坐标系中，这个物体在时刻t的x坐标是多少呢？即它到原点O的距离是多少呢？若按经典力学，答案是很简单的，经过时间间隔t后，两个坐标系原点分开了vt的距离，所以
在爱因斯坦以前，这两个今天称作“伽利略坐标变换”的公式被认为是一个常识。但是，空间距离部分地转换为时间间隔的可能性，要求我们用两个比较复杂一些的公式来代替这些看上去很普通很自然的式子。可以证明，为了满足光速不变性的要求和狭义相对性原理，旧的伽利略变换必须改为一组新的变换，即洛伦兹变换：
它们是由德国物理学家洛伦兹在迈克尔逊—莫雷实验的结果发表后不久导出的，但当时被洛伦兹和其他物理学家多少看成是一种纯娱乐性的数学游戏。正是爱因斯坦首先认识到，洛伦兹变换实际上反映了物理实在，它要求我们对旧的时间和空间观念进行彻底的变革。
相对论力学的另一个重要推论是，运动粒子的质量不再像牛顿力学中那样总保持为常数，而是随着速度的增大而增加的。影响运动物体质量的因子与影响长度缩短和时间膨胀的因子是一样的，一个以速度v运动的物体的质量由下式表示：
式中m0是所谓“静止质量”，即对于驱使原来处于静止的物体运动的力的惯性反抗力。随着物体速度的增大而接近光速时，速度的增加就 变得越来越困难，当v＝c时，反抗进一步加速的阻力就变无限大。这一 公式说明，任何物体都不可能比光运动得更快，因为事实上，由于惯性 反抗力的增大，使物体加速到以光速运动所需要的能量将变为无限大。
质能相当关系 ＝E mc2
爱因斯坦在他的 《物体的惯性同它所含的能量有关吗》一文中，运用狭义相对论的原理导出了一个关系式：
E＝mc2这称为质能关系式，它反映了质量和能量的相当性，从而揭示了物质和运动之间不可分割的联系。
我们可以用一个比较简单的方法导出这一关系式。
E＝mc2
物理学中很早就知道，被镜面反射的光对镜子会施加一定的压力。其强度不大，放在一支蜡烛前面的镜子不至于被其光推倒，但太阳光却能推动趋近太阳的彗星的气体，使之形成一条明亮的尾巴。俄国物理学家列别捷夫在1899年通过实验证明了光压的存在，并证明了光压在数值上等于反射光能量的两倍除以光速，即：
在镜面上反射的光对镜子施以压力，这类似于用一根水管子将水流 射到放在前面的一块板子上，而对板子所施加的压力。按照经典力学定 律，质点流对板壁所施加的压力等于它们的动量的变化率。如果用m代 表单位时间水流所传送的水的质量，V是水流的速度，则动量的变化为2 mv，因为它是从+my变到- mv。
如果对一束在镜面上反射的光应用同样的论据，那末就必须认为光 有一机械动量，它等于单位时间内落在镜面上的“光的质量”m乘以光速 c。因此光压可以写成：
这一爱因斯坦“质能等价定律”说明，经典物理学中“不可称重的”辐射能量与普通可以称重的质量是等同的。由于C2是一个很大的数，所以即使是一块很小的质量，其所含的能量也是可观的。这为核能的释放和利用提供了理论基础。
质量与能量的相当关系不仅适用于辐射能量，而且适用于所有其他形式的能量。例如电场和磁场都成一种可称重的物理实在，热也有可称
重的质量，一公斤水在100℃时比同样数量的冷水重10克。
爱因斯坦关于质量和能量等价性的发现，简化了物理守恒定律的内容。长期以来，彼此分立的质量守恒和能量守恒定律，现在可以合并为一条定律：对于一个封闭物质系统来说，质量和能量的总和在所有过程中不变。
四维世界
数学家闵可夫斯基曾是爱因斯坦在联邦工业大学上学时的老师。当年爱因斯坦经常逃课，闵可夫斯基骂他“懒胚”。当爱因斯坦《论动体的电动力学》发表以后，闵可夫斯基很快理解了，并看到了这篇论文的深刻意义。他实在没有想到，曾被他骂作“懒胚”的学生，现在竟写出了如此深刻的论文。闵可夫斯基是搞数学的，他从数学的角度认真地思考爱因斯坦的理论，结果得到一种非常美妙的描述狭义相对论的数学方法。
闵可夫斯基的论文在1907年发表。第二年夏天，在科隆举行的“德国自然科学家和医生协会”第80届年会上，他做了一个报告，宣传相对论的思想，题目是“空间和时间”，其中有一段著名的话：
“先生们！我要向诸位介绍的空间和时间的观念，是从实验物理学的土壤中生长起来的，这就是它们力量的所在。这些观念是带有革命性的。从现在起，空间自身和时间自身消失在阴影之中了，现实中存在的只有空间和时间的统一体。”
闵可夫斯基的报告引起了与会者的巨大反响。可惜3个多月后，疾病就夺去了他年仅44岁的生命。去世前，他万分遗憾地说：“在发展相对论的年代里死掉，真是太可惜了。”
闵可夫斯基所提出的思想是将时间作为三个空间坐标之外的第四个坐标，这样，一个系统相对于另一个系统的运动，可以看成是这个四维坐标架的转动。由此就可以很清晰地刻画狭义相对论的原理和相对论效应。
爱因斯坦的狭义相对论把长度缩短看作是观察者从一个运动的系统去观察物体时所看到的一种表观的空间收缩。空间的收缩和时间的膨胀对于两个处于相对运动状态的系统来说是对称的。空间距离一缩短，时间间隔就加长，这有点像一根具有给定长度L的棒的垂直投影和水平投影的情况一样。如果棒是水平放着的，则其垂直投影为零，而水平投影是L。如果棒是垂直放着的，其垂直投影是L，而水平投影是零。如果这根棒放在一定的角度θ，则垂直投影和水平投影不为零。由毕达哥拉斯定理我们有：
这使闵可夫斯基想到用四维坐标来描述狭义相对论。
为了把时间当作合法的第四个坐标，首先就要考虑用与三个空间坐标相同的单位来度量它，闵可夫斯基把时间乘以光速即C达到了这一要求。需要考虑的第二个问题是，空间坐标三者之间都是可以自由交换的，如果我们把一只箱子转过90°，它的长度就变为高度。对于时间坐标和空间坐标，这样完全的交换就不能存在。否则，一架时钟就会变成一把米尺或者一把米尺就变成时钟了。因此，若要把时间看作第四个坐标的话，不仅要把它们乘以光速，而且还要乘上另一个因子，使得四维坐标系的和谐性既不遭到破坏，而时间坐标又会在物理上与三个空间坐标不
闵可夫斯基画了一个图，现称为“闵可夫斯基图”（如图3所示）。这里因为不可能在平面上画出四维坐标的示意图，所以略去第三个空间坐标2，而代之以新的时间坐标ict。这张图上的每一点各代表一个事件，即发生在确定地点、确定时间的某一事件。同时发生的事件用一些垂直于时间轴的平面上的点来代表。发生在同一地点但不同时间的事件，都处于平行于时间轴的直线上。张开90°的锥面称为“光锥”，它相当于能够用光信号来联系的事件。例如，A点（事件）代表一个发射光波的闪光，则B点就相当于处在空间某处的物体被该光波照亮的事件。
如前所述，当我们从一个运动系统观察空间和时间间隔时，可以在几何上解释为一个四维坐标架的转动，将时间轴转动了一定的角度（如图3中的虚线及其字母）。但是，因为物
体运动的速度绝不能超过光速，所以ict轴所转动的角度θ绝不能大于90°。这样，我们可以把事件分为两种不同的类型。
像E和F所表示的这样的事件，它们的连线EF与时间轴所成的角度小于90°。这两个事件之间的时空间隔称为类时间隔，因为我们总可以找到一个运动坐标系，它相对于原来坐标系运动的速度恰好使得这两个事件处在新的时间轴上，使它们在新坐标系中空间间隔缩短为零。例如，我们乘车参加一个城市上午举行的游行，下午驱车到另一个城市看长跑比赛，就地球这个坐标系而言，游行和长跑比赛是在不同地点不同时间发生的两个事件。但如果我们把坐标系换成汽车上的坐标系，则上述两个事件实际上可看作发生在同一地点，空间间隔为零了。
像C和D这样的事件，连线CD与时间轴之间的角度大于90°。这种情况下，我们不能从第一个事件到达第二个事件，除非我们运动得比光速还快。例如光从水星运动到冥王星大约需要5小时多，我们不可能在水星上出席一点钟的舞会而在同一天的四点钟到冥王星上看电影。但是，我们总可以选择一个适当的旅行速度，把这两个事件的时间差缩短为零，使它们在我们所选择的时空坐标系中是同时发生的。这种成对事件的时空间隔称为类空间隔，因为通过适当方式的运动，我们可以把时间差缩短为零。
从闵可夫斯基图来看，时空连续统（光锥）分成三部分：“现在”、“过去”、“将来”。所有处在光锥上部的事件（t＞0），都是未来的事件，因为不论我们怎么运动，在看到它们之前都要经过一定的时间。我们可以影响未来的事件，但不受它们的影响。同样，所有位于光锥下部的事件（t＞0），都是过去的事件，因为我们无论运动得多快也不能看到它们。这些过去的事件能够影响我们，但我们不能影响它们。在光锥上部和下部之间，是称之为“现在”的部分。其中所包括的事件，或者在我们看来是同时的，或者可以使其是同时的，只要我们从一个运动速度比光速小的参照系去观察它们。
现在再来看四维坐标系。假定我们在时刻t=0从空间坐标的原点X=0，y=0，和z=0送出一个光信号。在时刻t时，这个光信号达到某个位置，其空间坐标是x、y和z，根据毕达哥拉斯定理，它到坐标原点
闵可夫斯基的工作对于促进人们充分认识狭义相对论的意义和推动狭义相对论的传播，起到了重要的作用，它后来还成为通向广义相对论的一个必不可少的步骤。
迎接挑战
爱因斯坦创立的狭义相对论对经典物理理论和人们的传统观念产生了巨大的冲击，不要说一般人，就是物理学家们也大多表示怀疑不理解，甚至反对。就连对相对论的创立作出过贡献的洛伦兹和彭加勒等人也对爱因斯坦的思想不理解。洛伦兹一直到生命的终结也不肯放弃以太的概念，彭加勒则说爱因斯坦“所走的道路之中大多数是死胡同”。
就在爱因斯坦提出狭义相对论不久，德国著名实验物理学家考夫曼写了一篇论文，说他对高速电子所做的实验，得到的结果和相对论有矛盾。这对爱因斯坦无疑是个挑战。物理学界都在等待爱因斯坦对考夫曼的论文作出答复。可是爱因斯坦对自己的理论像孩子一样自信，他相信相对论是伟大的自然规律的写照，如果相对论的公式和考夫曼的实验发生了冲突，那末错误肯定不在相对论一边。他没有理会考夫曼的挑战。而最后事实说明，考夫曼的实验装置有毛病。
也有人提出了一个“双生子佯谬”的问题。这个问题是这样的；假设两个完全一样的双生子生下来以后，在一定的年龄时，将双生子中的一个比如说A以高速送往宇宙空间，这样相对论效应便会显而易见。由于年龄的增大是一有赖于时间的过程，那末留在地球上的双生子B很快就会发现时间流逝对于A来说会变慢，也就是说，双生子A会比双生子B年轻。然而从双生子A来说，他知道一切运动都是相对的，因此，他认为处于运动的是双生子B，这样按照相对论，双生子B会更年轻一些。要明确确定到底哪一个双生子更年轻，一个方法就是让双生子A乘着高速宇宙飞船飞回地球，来进行比较。人们问到爱因斯坦，究竟哪一个双生子更年轻？爱因斯坦稍加思索之后，回答说，双生子A当然会年轻一些。问题在于两位双生子的经历是不同的，这从闵可夫斯基图可以明显地看出来，因此当他们重聚时，年龄会有区别。当然，彻底解决这一问题，还要依靠爱因斯坦后来创立的广义相对论。
要使一种变革传统观念的新思想或新理论为人们普遍所接受，往往需要一个相当长的过程，这在科学史上是不乏其例的。爱因斯坦的论文发表以后，大约经过了4年光景才开始较多地引起人们的关注。然而，
《论动体的电动力学》这篇论文的理论并不深奥，数学运算也更为简单，以致德国著名数学家希尔伯特说：“在我们数学的哥廷根大街上任何一个男童的四维几何知识都比爱因斯坦多。尽管如此，在这方面成绩卓著的却是爱因斯坦，而不是数学家。”问题就在于，爱因斯坦具有超人的对自然奥秘的深刻洞察力，敢于冲破传统的创造精神和深信宇宙完美和谐的坚定信念。
虽然爱因斯坦的狭义相对论思想提出后并未被大多数物理学家所理解和接受，但却有几位思想深刻的著名物理学家一下就看到了《论动体的电动力学》的重大意义，他们很快意识到了爱因斯坦思想的革命性，对爱因斯坦的相对论给予了极大的支持。其中包括普朗克、郎之万、劳厄、玻恩、闵可夫斯基等人。在他们的大力宣传下，加上不断得到实验事实的支持，爱因斯坦的相对论逐渐被人们所普遍接受，以致很长一段时间，“相对论”成了一个时髦的名词。
普朗克教授的支持
在支持和拥护爱因斯坦相对论的人中，值得一提的是反对爱因斯坦的光量子理论而却对相对论抱有极大热情的普朗克教授。
普朗克是德国《物理学杂志》的编辑委员。一天，当他在柏林大学的家中养病的时候，印刷厂送来了《物理学杂志》的清样，上面登载着爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，他随手翻了翻，立即被爱因斯坦的思想吸引住了。他忘记了医生的忠告，急忙移到书桌边，全神贯注地读了起来。过了好一刻，这位素以严格稳重著称的教授猛然跳起来，叫道：“简直是哥白尼！作者是什么人？他在哪儿？”普朗克的心里怎么也平静不下来，他马上按杂志提供的地址给从未见面的爱因斯坦写了一封信。普朗克写道：“你这篇论文发表以后，将会发生这样的战斗，只有为哥白尼的世界观进行过的战斗才能与它相比……”
爱因斯坦没有收到这封信，他和妻子带着小孩到塞尔维亚省亲去了。一直到爱因斯坦重新回到伯尔尼才见到普朗克的信。他心里非常高兴，马上给普朗克教授写了一封回信，感谢教授对自己的关心，也谈到自己在专利局的工作，当然谈得最多的还是物理学。这封回信使普朗克很感慨，爱因斯坦给物理学带来了革命，可是，这位物理学的革命家，却在专利局里干些琐事，连在大学里教书的机会都没有！
普朗克非常想见到爱因斯坦，1907年7月6月，他写信给爱因斯坦：
“明年我可能到瑞士度假。虽然还很遥远，可是想到能和你见面，心里很高兴。”
这一年，苏黎世联邦工业大学的克莱纳教授写信给爱因斯坦，建议他向伯尔尼大学申请“编外教师”的职位。按照当时的规定，先要当一段时间没有薪水的“编外讲师”，才有资格被任命为教授。爱因斯坦听从了这一建议，向大学当局提出了申请，并且把《论动体的电动力学》单行本送到了物理系。可是没有成功。第二年，克莱纳再次写信给爱因斯坦，教这个“大孩子”怎样行事。更多的人为爱因斯坦鸣不平。普朗克也为此写了推荐信。暑期，“德国自然科学家和医生协会”理事拉登堡来到伯尔尼和爱因斯坦讨论问题，并访问了伯尔尼大学，他对校方说：
“瑞士教授联合会中竟然没有爱因斯坦，这使我惊奇。”终于，1908年10月23日，一封印有伯尔尼州徽的公文送到了专利局，通知爱因斯坦，他有权在州立伯尔尼大学选讲自己的课程。
1908年至1909年冬季，爱因斯坦仍在专利局工作，并兼任编外讲师。1909年7月，他第一次获得学术荣誉，日内瓦大学授予他名誉博士称号，并邀请他参加350周年校庆活动。同年9月，他又到萨尔斯堡参加“德国自然科学家和医生协会”第81届年会。这是他第一次应邀做学术报告，也是第一次和物理学界的同行们相会。大家已把他列入巨人们之列，他在巨人中寻找普朗克。他把双手向普朗克伸去，创立量子论和创立相对论的两双手终于紧紧握在一起了。
10月，从萨尔斯堡回来后，爱因斯坦辞别了贝索，辞别了专利局的哈勒局长和同事们。苏黎世联邦工业大学，他的母校，终于向他敞开了大门，聘请他为副教授。
1911年初，从奥匈帝国波希米亚省的省会布拉格发来了聘书，聘爱因斯坦为布拉格德国大学的正教授。那儿待遇高，工作条件好，开普勒在那里工作过，而他所赞赏的哲学家和物理学家马赫是这所大学的第一位校长，他接受了。按照规定，在宣布委任之前，需要有被荐人的推荐信。普朗克又给了爱因斯坦一个很大的支持，他在推荐信中写道：“如果爱因斯坦的理论被证明是正确的，这个我想没有问题，那末他将被认为是20世纪的哥白尼。”
1911年秋天，爱因斯坦带着全家从苏黎世来到了布拉格，担任了布拉格大学的编内正教授。
不久，在物理学发展史上有重大意义的索尔维会议在布鲁塞尔召开了。这个会议是比利时化学家和工业家、百万富翁索尔维接受德国著名物理化学家能斯特的建议组织召开的。会议邀请了20多位世界各国最杰出的物理学家，给他们订了头等来回客票，在大都会饭店包了几十间头等客房和两个会议大厅，并外加每人1000法郎的礼金。爱因斯坦也接到了请柬，以奥匈帝国皇家大学教授的身份来到了布鲁塞尔。
世界上从来没有这么多的“智慧”聚集在一起，这儿真是群星灿烂！大家纷纷做学术报告，并自由交换对当时“物理学危机”的意见。普朗克的头顶几乎全秃光了，他握住爱因斯坦的手，显得有些兴奋，亲切地向爱因斯坦介绍：“德国来了能斯特、维恩，法国来了居里夫人、郎之万和彭加勒，英国来了卢瑟福和金斯，荷兰来了洛伦兹和昂内斯……”
在索尔维会议上，物理学家们对相对论也进行了热烈的讨论。虽然在这次会议上，相对论并未被充分的理解，但是世界认识了爱因斯坦。
索尔维会议之后，在物理学的同行中，访问爱因斯坦或邀请他去访问的人越来越多。欧洲的许多大学都向爱因斯坦发出讲学邀请，甚至大洋彼岸美国的哥伦比亚大学也发来邀请。苏黎世联邦工业大学终于不敢怠慢自己的学生了，他们请爱因斯坦回母校主持一个新开设的数学物理学讲座。
面对这么多的邀请，爱因斯坦选择了母校。因为他的妻子米列娃不喜欢布拉格，她想念苏黎世，而爱因斯坦对母校也有一种依恋之情。1912年秋天，爱因斯坦回到了母校，聘书的期限是10年。他见到了学生时代最要好的朋友格罗斯曼，格罗斯曼此时也在母校担任教授。
在第一届索尔维会议上，爱因斯坦给普朗克留下的印象太深了。普朗克深深感到，这位年仅32岁的爱因斯坦教授，正站在天才的顶峰上，不愧是当代的物理学的泰斗。回到柏林以后，普朗克开始从事一项困难的工作，他要把爱因斯坦请到柏林来。普朗克和能斯特，这两位德国物理学界的台柱人物，联名向上司报告：只有把爱因斯坦请来，柏林才能成为世界上绝无仅有的物理学研究中心。
1913年夏天，这两位年过半百、德高望重的权威学老，风尘仆仆地来到了苏黎世，拜访年轻的爱因斯坦，向他发出诱人的邀请。爱因斯坦将被委任为威廉皇帝物理研究所的所长并把他选进普鲁士科学院任院士，还聘他担任柏林大学的教授。而且许诺，爱因斯坦有讲课的权力，但是没有讲课的义务。讲多讲少，讲什么内容；讲多少时间，都由他自便。大学里的一切事务，他都不必过问。
爱因斯坦有些犹豫，他不愿离弃苏黎世和平宽容的环境，也不愿去同柏林的军事、傲慢和伪善的环境打交道。然而，柏林有一批世界杰出的物理学家和数学家，有那样优越的使他能全身心投入研究的条件。结果普朗克和能斯特还是说服了他，但还不是最后同意。又经过几天认真地思考，爱因斯坦终于接受了邀请。1913年7月10日，在普鲁士皇家科学院学部全会上，爱因斯坦以44票对2票，荣膺为正式院士。这以后，他除了几次外出出访和讲学外，一直在柏林工作了近20年。
4.探索引力与宇宙之谜
独创的引力理论
在狭义相对论发表以后，爱因斯坦科学研究的主流就在于探索更广泛的理论，这就是广义相对论。
爱因斯坦第一次考虑广义相对论是在1907年。这个思想是突然产生的。爱因斯坦建立狭义相对论以后，他对狭义相对论并不满意，因为这个理论只局限于彼此作相对运动的参考系，而不能用于参考系的一般运动。他力图突破这种限制，设法解决在一般情况中的相对论问题。1907年约翰·斯塔克要爱因斯坦为《放射性年鉴》写一篇关于狭义相对论的专题论文。在写这篇文章时，他忽然想到，几乎所有自然规律都可以在狭义相对论的框架内加以讨论，而唯独引力定律不行。最令他不满意的是，虽然狭义相对论对惯性和能量之间的关系已经作了明确的阐述，但是对惯性和重量或引力场能量之间的关系并没有阐述清楚。他意识到这个问题不可能在狭义相对论的框架内得到解决。如何下手呢？
有一天，忽然有了突破。爱因斯坦在伯尔尼专利局，正坐在一把椅子上，突然一个想法打动了他：如果一个人自由下落，他就不会感觉到自己的重量。他吃了一惊。这个简单的思想实验对他有极深刻的影响，它把爱因斯坦引向了引力理论。他坐在椅子上继续思考：一个下落的人被加速，那么他的感觉和判断就都发生在加速的参考系中。他决定把相对论扩展到有加速度的参考系。他感到，这样做就有可能同时解决引力问题。一个正在下落的人感觉不到自己的重量，因为可看作在他的加速度参考系中有一个新的引力场，它抵消了地球的引力场。在加速度的参考系中，看来需要一个新的引力场。
爱因斯坦作了进一步的思考，将思考的结果写入发表在德国《放射学和电子学年鉴》1907年第4卷的《关于相对性原理和由此得出的结论》一文中。在该文的第五部分“相对性原理和引力”中，他一开始就提出一个问题：“是否可以设想，相对性原理对于相互作加速运动的参照系也仍然成立？”也就是说，应该成立一条“广义相对性原理”：即所有参考物体K、K′等不论它们的运动状态如何，对于描述自然现象（表述普遍的自然规律）都是等效的。惯性参照系不应该是自然界中的一种具有特殊地位的参照系。
同时，在该部分，他明确地提出了“等效原理”：引力场同参照系的相当的加速度在物理学上完全等价。所谓等效原理，即认为从时空小范围来看，一个没有引力场的匀加速运动的坐标系同有引力场的惯性系是等价的。也就是说，可以在任何一个局部范围内找到一个坐标系，使引力在其中被消除。其合理性可以通过一个理想电梯实验来说明。比如，一个人处于密闭的电梯内，在地球引力场内让电梯处于静止或匀速运动的状态，此时电梯是一个有引力场的惯性系，电梯内的人受到引力作用，使他的脚同地板间产生的压力等于他的重量。另外再设想若不存在地球引力场，而使密闭的电梯以与重力加速度数值相等的加速度向上运动，此时电梯是一个没有引力场的非惯性系，电梯里的人在惯性力的作用下使他的脚同地板间也产生一个压力，其数值显然也等于他的重量。处于上述两种情况的人将无法区别电梯到底是处于加速运动状态还是处于引力场中。假使处于地球引力场中的电梯绳索断了，那么电梯将作自由落体运动，这时处于密闭电梯中的人将看不到任何引力存在的现象，即处于失重状态。这说明，可以通过选择某种坐标系，在局部范围内使引力完全消除。这个理想实验也说明，任何可以归属于加速参照系的效应都可被看作是一种引力效应。
爱因斯坦在这篇文章中对广义相对论的思考还是初步的，一些细节仍有些含糊。等效原理只是帮助他讨论了引力对电磁场的个别效应。大约3年时间，爱因斯坦又醉心于新电子论的研究，想解决电子和电磁场的联接问题，但情况并不顺利，他于是又转向引力论。
1911年6月，爱因斯坦在《关于引力对光传播的影响》一文中进一步阐明了光在引力场中弯曲的必然性。这可以通过下面的理想实验来说明（参见图4）。
设有三个结构完全相同的密闭实验室：惯性实验室、加速实验室和引力实验室。假定在各实验室的同一部位有光线射入，先看惯性实验室，根据狭义相对论，光在惯性系中是以不变的光速作直线运动，因此在这个实验室中的人看到的光线是平直的。再看加速实验室，由于实验室在向上加速，那么原来在惯性系中看来是平直的光线，在加速实验室中看来就要是弯曲的了。根据等效原理，加速实验室等价于引力实验室，因此，如果光线进入处于引力场中的实验室，其中的人也就应该很自然地看到光线的弯曲。爱因斯坦预言，光线经过太阳附近时要受到0.83″的偏转，对木星来说，是这个值的1/100，他迫切希望天文学家能作出检验。爱因斯坦在该文中还明确提出了惯性质量与引力质量等同，即惯性质量与引力质量具有同一性这个概念。这是等效原理的一个很自然的结论。他想把这一概念安插到一个更为一般的结构中去，但没有完全取得成功。因为这时他还没有放弃牛顿的引力理论，只是在它上面添加了一些个别的新原理，拼凑起一个正确与错误的混合物，以致虽然很接近问题的答案，但毕竟还不是。尽管爱因斯坦的这篇论文还不成熟，但它却像黑色的夜空中划过的一道光亮，成为他最终通向广义相对论的桥梁。这篇文章是他在布拉格期间最重要的成就。
后来，爱因斯坦意识到，合理的引力理论只能希望从广义相对性原理来得到，即使一切坐标系，不管是惯性坐标系还是加速坐标系，都是平权的，客观真实的物理规律在任意坐标变换下形式不变（称为广义协变）。这样，他才接近了广义相对论的门槛。而要打开大门，他还缺乏必要的数学工具。在大学时，他一定程度上忽视了数学。要处理有关加速度参考系的问题，欧几里得几何学是不适用的，那末用什么样的几何呢？
1912年他回到苏黎世，问题才解决，他的朋友、数学家格罗斯曼帮助了他。爱因斯坦在伯尔尼专利局工作时，难于看到数学论文，格罗斯曼就曾经帮助过他，向他提供过不少数学文献资料。这次，格罗斯曼与爱因斯坦多次长谈，并把爱因斯坦引进了数学方法的园地。他们在里奇和勒维·契维塔的绝对微积分以及黎曼几何中找到了合适的数学工具。就这样，爱因斯坦经过艰苦的摸索和无数的辛劳，终于在1913年和格罗斯曼完成了《广义相对论和引力理论纲要》的论文。其中物理部分由爱因斯坦执笔，数学部分由格罗斯曼执笔。广义相对论的大门终于打开了。在这篇论文中，爱因斯坦引入了更广泛的坐标系，使用了非线性坐标变换，推导出引力场中的质点运动方程。不过，他所得到的引力场方程和引力场存在时的电磁场运动方程还是不完整的。
1913年秋，爱因斯坦从苏黎世前往维也纳出席自然科学家会议。他在这个会议上作了一个关于广义相对论的比较通俗的报告。尽管理论还未最终完成，但爱因斯坦等不及了。
1915年，是爱因斯坦在探索广义相对论的道路上富有成果的一年。他先发表了一篇《用广义相对论解释水星近日点运动》的论文，不用任何特殊假设就成功解释了水星在近日点的运动：每100年大约转43″。他还纠正了1911年计算光线经过太阳附近时弯曲的错误数值0.83″，新结果比原先大1倍即1.7″。这年11月，爱因斯坦终于完成了他的广义相对论的集大成论文《广义相对论的基础》，该文发表于1916年的德国《物理学杂志》上。在这篇论文中，他终于得到了正确的引力方程式。从此，他暂时结束了从1907年以来对广义相对论所进行的艰苦卓绝的探索。
根据广义相对论，现实的有物质存在的空间不是平直的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。空间弯曲的程度取决于物质的质量及其分布状况，空间曲率体现了引力场的强度，引力只不过是空间弯曲的效应，它是一种假想的力。从广义相对论的观点看来，地球绕太阳运动是由于太阳的巨大质量使太阳周围的空间发生弯曲，使地球走着一条弯曲的轨道，并不是因为存在什么神秘的超距作用的引力。光线的弯曲即说明了空间的弯曲，因为光线就是空间的短程线。
生活在三维空间里，怎样理解空间的弯曲呢？爱因斯坦指出，可以借助二维空间的类比来理解。一个生活在二维表面上的生物如何判断它所处的面是平坦的还是弯曲的呢？一个有效的方法就是在面上画三角形，如果它们画出的三角形三内角之和是180°，那末它们所处的面就是平面，如果大于180°，它们所处的面就是球面，如果小于180°，则它们活动于其上的面就是马鞍形曲面。三维空间的判断是类似的，看其是否是欧几里得空间，一个可能的方法就是测定光线的运动。
广义相对论的验证
广义相对论的验证在当时有三个。一个是水星近日点的运动。1859年，法国天文学家勒维烈发现水星近日点绕太阳运动的速度和牛顿力学估计的每百年差43″。勒维烈曾把这一误差解释为存在一颗“火神星”，由于“火神星”的影响造成的。许多天文学家试图发现这颗所谓的“火神星”，但都以失败而告终。43″的差异成了一个不解之谜。而广义相对论创立后，这个谜得到了合理的解释。根据广义相对论的计算，水星近日点本来就应当有43″的运动，根本不存在什么火神星。
广义相对论的第二个验证是引力频移。由广义相对论固有时间与引力位势的关系可知，当光在引力场中传播时，它的频率会发生变化，从巨大质量的星球射到地球上的光线的光谱线将向红端移动（即引力红移），而从地球射到质量巨大的星球表面的光的光谱线则向紫端移动，故统称为引力频移。1924年，美国天文学家亚当斯通过对天狼星伴星的光谱线进行观测，证实了这一预言。
另一个是对广义相对论预见引力场将使光线发生弯曲的验证，这一验证带有戏剧性。爱因斯坦在1911年的论文中，对光线在引力场中的弯曲作了明确的预言。1914年，德国天文学家组织了一支考察队前往俄国克里木半岛，想在日全食时进行观察，试图验证这一预言。不幸第一次世界大战爆发，考察队员全被俄国人当作战俘扣留，使验证未能实现。这一不幸对广义相对论倒成了一件幸运的事，因为当时爱因斯坦的预言有误，实际值会比他的计算值大1倍。1915年，爱因斯坦根据空间几何形变修正了1911年的计算，提出了1.7″的预言数值。英国天文学家爱丁顿在1916年通过中立国荷兰天文学家的介绍。得到了《广义相对论基础》的单行本，立即表现了极大的兴趣，并决定利用1919年5月29日将要发生的日全食来进行验证。在爱丁顿的推动下，1919年大战一结束，英国皇家天文学会就派了两支观测队分别由爱丁顿和克罗姆林率领，前往西非几内亚湾的普林西比岛和南美洲的索布腊尔进行观测。1919年11月6日，英国皇家天文学会宣布了观察结果，两地所得的观测值分别是1.61±0.30″和1.98±0.12″，在误差范围内都与爱因斯坦的预言符合。主持会议的皇家学会会长汤姆孙教授说：“这是自牛顿以来，万有引力论的一项最重要的成就”，“这不是发现一个孤岛，这是发现了新的科学思想的新大陆。”消息立刻传遍全球，一夜之间爱因斯坦成了世界名人。
爱因斯坦一直把广义相对论看作自己一生最重要的科学成就，他对自己的学生、波兰物理学家英费尔德说过：“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟了。但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”广义相对论是爱因斯坦独特思想的伟大创造。
有限无界的静态宇宙模型
爱因斯坦建立广义相对论后不久，就试图用广义相对论来考查宇宙空间问题。宇宙的奥秘太神奇了，这深深吸引着他。
宇宙是人类一个古老的话题。自从牛顿建立了完整的经典力学体系之后，在整个18世纪和19世纪前半期，占统治地位的是牛顿式的无限宇宙模型。它认为宇宙是无限的、永恒的，包含有无穷多的天体，大体上均匀地散布在无限的宇宙空间中。
对于这样一种宇宙模型，1820年，德国天文学家奥伯斯提出一个发难，称为奥伯斯佯谬。他认为，按照牛顿式的无限宇宙模型，很容易推出地球上的夜空将无限明亮，因为地球表面可以接收到宇宙中无穷多恒星的无限大的辐射能，然而夜空是黑暗的，这是最最古老的天文观测事实，只要有视觉的人都能看到这个极其普通的天文现象。奥伯斯提出这一光度矛盾问题之后，不少人力图消除它，但一直未获得满意的答案。
1894年，德国天文学家西利格尔又提出了一个引力佯谬的问题。这个佯谬同光度佯谬有共同的本质，是经典的无限宇宙模型的直接结果。西利格尔指出，如果牛顿引力定律在这样一个无限的宇宙中起作用的话，那末在半径为r的巨大球形空间中恒星的数目将正比于r3，因此，对于这样一个球的表面上的任意一点，引力的强度将正比于r。结果是，球面上的引力场将随着r的增大而无限地增强。由于我们可以选任一点作为这球形空间的中心，因此，其结果必然是，在宇宙空间的每一点上，引力势都是无限大，任何物质都受到无限大的力的作用，每一个宇宙空间中的物体都要获得无限大的加速度和速度。事实上，在天文观测中，并没有发现这种情况。尽管有些天文学家提出了一些假设来试图消除西利格尔佯谬，但也未获得令人满意的答案。
爱因斯坦分析了无限宇宙模型的困难，根据广义相对论时空弯曲的概念，提出了自己的宇宙模型。他的论文出现在1917年的《普鲁士科学院会议报告》上，题目是《根据广义相对论对宇宙学所做的考查》。他在这篇论文中，为避免在空间无限处给广义相对论方程设立边界条件的困难，假设宇宙在空间上是有限无界的，提出了一个有限无界的静态宇宙模型。
关于“静态”，爱因斯坦假设了一个“宇宙学原理”。这条原理是说：宇宙间的物质均匀分布，无论从宇宙的那个位置和那个方向看，所看到的宇宙图像都是相同的。对于“有限无界”，爱因斯坦认为，根据广义相对论，物质在空间的分布，会使空间发生弯曲，这种弯曲会使宇宙空间形成一个封闭的非欧几里得球形空间，所以它是有限而无界的。关于这一点，我们可以设想一个球面，球的大小是有限的，然而在球面上爬行的小虫是永远找不到一条边界的。正如爱因斯坦以前取得的许多成就一样，他成功地以新的方式把一些特殊的概念联系起来，因此避免了牛顿式无限宇宙模型所遇到的困难。
在爱因斯坦提出他的宇宙模型之后12年，美国天文学家哈勃在观测中发现，所有的星系，彼此之间的距离都在不断地增大，宇宙不是静态的，它在膨胀着。这无疑是对爱因斯坦有限无界静态宇宙模型的冲击，在事实面前，爱因斯坦坦然地承认了自己的错误。在这之后，宇宙学理论有了飞速的发展。尽管爱因斯坦提出的宇宙模型有他的局限性，然而它却开拓出了一门新的科学——现代宇宙学。
荣获诺贝尔物理学奖金
1922年11月10日，一封电报送到了爱因斯坦在柏林的住宅，电文如下：“您被授予诺贝尔物理学奖金，详请见信。奥里维留斯（签名）。”也在这一天，瑞典皇家科学院秘书奥里维留斯教授写信给爱因斯坦：“我已经在电报中通知您，在昨天举行的会议上，皇家科学院决定授予您上年度的诺贝尔物理学奖，这是考虑到您在理论物理方面所做的工作，特别是您对光电效应定律的发现，但没有计及您的相对论和引力理论所具有的价值，尽管它们曾得到证实。”就在爱因斯坦获得1921年度奖金的同一天，1922年度的奖金授予丹麦物理学家玻尔，这是由于他“在原子结构和原子辐射方面的贡献”。
早就准备给爱因斯坦颁诺贝尔奖金了，但是，诺贝尔奖金委员会犹豫不决。从1910年至1920年间，除了1911年和1915年之外，爱因斯坦都因创立相对论的贡献而被提名为诺贝尔物理学奖的获得者，但相对论遭到不少的反对意见，因而未通过。诺贝尔奖金委员会当时有一个传统，就是奖金要授予具体的发明，而且是没有争议的有实用价值的发明，瑞典科学院和诺贝尔奖金委员会害怕因授奖相对论而引起纠纷。
后来，普朗克提议1921年度奖和1922年度奖分别授予爱因斯坦和玻尔，奥森又对爱因斯坦1905年论光量子的文章和1909年对黑体辐射的能量涨落所做的工作做了极好的分析，诺贝尔奖金委员会重新提议爱因斯坦为获奖者，随之瑞典科学院投票通过。获奖的理由，措词是：“由于爱因斯坦发现光电效应定律以及他在理论物理学领域的其他工作，特授予奖金。”
布里尔奥因在1921年的提名信中写道：“如果爱因斯坦的名字不出现在诺贝尔荣誉获得者的名单中，设想一下，50年后的公众舆论将会是怎样吧。”
爱因斯坦因光电效应方面的研究而获得诺贝尔物理学奖，这是当之无愧的。但是，没有因相对论而获奖，这是物理学史上一个永久的遗憾。按他的学生兰佐斯的说法，爱因斯坦一生理应获得5个诺贝尔奖，这指的是对布朗运动的研究，提出了光量子理论，创立狭义相对论，发现质能相当性和建立广义相对论。
爱因斯坦没有收到奥里维留斯通知他已荣获诺贝尔奖金的信，1922年秋，爱因斯坦已带着他的第二个妻子艾尔沙乘日本轮船去东方了。日本方面寄来了一封封请帖，邀请他到日本去讲学。他们穿过地中海和印度洋，在科伦坡、新加坡、香港和上海作了短暂的停留，11月底到达日本神户。所到之处，受到极热烈的欢迎，各阶层人民都把爱因斯坦的到来看作是非常愉快的事情。他是在路经上海，瑞典驻上海领事馆领事递给他获奖电报时，才知道获奖的。他只是哈哈一笑，并未显得过分激动。这就是爱因斯坦，名和利都不在乎，要紧的是他的科学，他的思想。
日本访问结束，回国途中，他访问了巴勒斯坦和西班牙，然后立即返回柏林。
玻尔于1922年12月10日在斯德哥尔摩领取了1922年度奖金，那时爱因斯坦还在访问途中。1923年6月，爱因斯坦去瑞典参加诺贝尔奖金授奖仪式。在哥德堡，他在斯堪的纳维亚学者们的集会上发表了讲演，瑞典国王也出席了这次会议。
1925年以后，爱因斯坦有很长一段时间没有出远门旅行。后来曾到比利时、古巴和英国访问，也曾两度去过美国，美国给他留下了美好的印象。1933年1月，德国纳粹上台，接着，迫害犹太人，他的著作被焚，在德国的财产被没收。1933年9月初，纳粹以2万马克悬赏杀死他。于是，他于9月9日出走英国。10月7日，爱因斯坦带着妻子和助手等从英国登上一艘去美国的轮船，永远离开了欧洲。后来一直定居于美国的普林斯顿，担任高等学术研究院的教授。
坚持走一条自己认准的路
当爱因斯坦在柏林寻找通向广义相对论之路的那段日子里，理论物理学中一场新的运动在哥本哈根开始了，它很快成了物理学界注意的中心。丹麦物理学家玻尔把量子概念应用于解释原子结构。1923年，法国物理学家德布罗意提出物质波理论，把物质粒子波粒二象性的崭新概念引进了物理学。1925年，奥地利物理学家泡利提出两个电子不能共处于同一量子状态上的不相容原理。德国物理学家海森堡的矩阵力学和奥地利物理学家薛定锷的波动力学也建立起来了。量子物理学进入了一个蓬勃发展的非常时期。
爱因斯坦在20年代也曾为量子理论的发展做过杰出的贡献，但他的主要精力没有放在这里，他在走着一条另外的自己认准的路。
量子力学创立不久，爱因斯坦就与几位主要的量子力学家产生了重要的意见分歧。爱因斯坦虽然对以玻尔和玻恩为代表的量子力学家的成就十分钦佩，但他又不满足于微观世界的这些规律仅仅具有或然性，不满足于他们对于量子力学的解释。他认为，量子统计力学并非什么新东西，只不过是人们长期以来还不能完整地描述事物而采用的权宜之计。他坚信，物理学应该对于客观的实在状况作出和观察者无关的描述。在物理学史上，他曾有过与玻尔为代表的哥本哈根学派之间的激烈争论，这个争论维持了相当长的时间，甚至延续到他生命的结束。而量子力学的发展已是当时物理学界大势所趋的主流。爱因斯坦的科学思想和当时大多数物理学家的思想方法之间的距离越来越大了。他在后半生孤独一人埋头于统一场论的研究，似乎脱离了物理学发展的洪流。玻恩曾说：
“这对爱因斯坦本人，对我们来说都是悲剧。因为他在孤独地探索他的道路，而我们却失去了领袖和旗手。”但爱因斯坦痴心不改，始终认为他对统一场论的探索是有意义的。
爱因斯坦对统一场论的探索是从1923年以后开始的。爱因斯坦一贯相信：世界是统一的，世界是合乎理性的，世界服从于存在的统一规律。在狭义相对论和广义相对论建立以后，已知的引力场和电磁场却没有统一起来，这种情况使爱因斯坦很不满意。他认为广义相对论还有缺陷，它没有把电磁场包括在内，于是他力图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论，用以解释物质的基元结构。他把这看作是相对论发展的第三个阶段。
最早从事这方面工作的是魏耳和卡鲁查等人。他们由于广义相对论用黎曼几何描述引力场取得了巨大成功，便产生了用新的几何方法统一描述引力场和电磁场的想法。魏耳企图用修改黎曼几何的方法建立一个被称为“规范不变几何学”来统一描述引力场和电磁场，而进一步的研究表明，这种几何不能描述电磁场。卡鲁查则把黎曼几何由四维增加到五维，试图将引力场和电磁场统一起来，结果失败了。爱因斯坦最初是设法推广卡鲁查的工作，但没有取得成功。他还试图把场和物体联合成为一个具有场构造的统一体，然后用一种几何方法去描述这种场和实物的统一体，也没有取得实际成果。虽然他在1929年、1945年和1954年曾取得一些进展，但都只停留在数学的表述形式上，没有得到有物理意义的结果。在逝世前夕他与他的学生柏格曼一起提出的不对称场论，是他最后一个统一场论模型。在这个模型中，他用度规张量来统一描写引力和电磁两种相互作用。度规张量由对称和不对称两部分组成，分别描述引力场和电磁场。但是这个方程无法求解。爱因斯坦最终未能实现自己的宏愿。
爱因斯坦1955年3月（即他逝世前一个月）为纪念母校苏黎世联邦工业大学成立100周年而写的回忆录《自述片断》中说：“自从引力理论这项工作结束以来，到现在40年过去了，这些岁月我几乎全部用来为了从引力场理论推广到一个可以构成整个物理学基础的场论而绞尽脑汁。有许多人向着同一个目标而工作着，许多充满希望的推广我的主张后来一个个放弃了。但是最近10年终于找到一个在我看来是自然而又富有希望的理论。不过，我还是不能确信，我自己是否应当认为这个理论在物理学上是极有价值的，这是由于这个理论是以目前还不能克服的数学困难为基础的，而这种困难凡是应用任何非线性场论都会出现。此外，看来完全值得怀疑的是，一种场论是否能够解释物质的原子结构和辐射以及量子现象。大多数物理学家都是不假思索地用一个有把握的‘否’字来回答，因为他们相信，量子问题在原则上要用另一类方法来解决。问题究竟怎样，我们想起莱辛的鼓舞人心的话：‘为寻求真理的努力所付出的代价，总是比不担风险地占有它要高昂得多’。”
爱因斯坦曾就统一场论，在给老朋友索洛文的信中说过：“我完成不了这项工作了；它将被遗忘，但是将来会被重新发现。”
事实上，物理学家们并没有忘却。1954年，美籍物理学家杨振宁和米尔斯提出了普遍规范场论，为统一场论的研究开辟了一条正确的途径，即沿着规范场论的途径。1967年，温伯格和萨拉姆在格拉肖工作的基础上各自独立地提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论。格拉肖和乔奇等人又通过选择一种新的规范场，建立了弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用的大统一理论。大统一理论给出的一些重要结果，解释了宇宙学和基本粒子物理学中的许多问题，并作了科学的预言，有些预言已得到实验证据。
物理学正朝着大统一的方向前进。也许有一天，人们会重新认识20世纪的科学伟人——爱因斯坦。
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