失業的革命者

愛因斯坦在他的一生中提出了許多革命性的想法，改變了我們看待宇宙的方式。我們總結一下，可將他的理論分成三大類：狹義相對論、廣義相對論和統一場論（未完成的最偉大的科學）。

1905年，26歲，他提出了自己的第一個偉大理論——狹義相對論。對那些對科學界產生如此大的影響的人來說，他的出身是卑微的。

1900年，這位未來世界著名的物理學家發現自己沒有工作，運氣非常糟糕。當更知名的物理學家在著名大學講課時，愛因斯坦申請擔任教學職位遭到了各個大學的拒絕。他剛完成了自己在蘇黎世理工學院的學業，靠兼職輔導掙扎著生存。他的父親擔心兒子的抑郁，寫道：“我的兒子為目前的失業狀況而沮喪。他越來越覺得自己的事業偏離了軌道……他認為自己是這個社會的負擔，產生了很大壓力。”

1902年，在一個朋友的推薦下，他獲得了瑞士伯爾尼專利局的一份卑微的工作，以支持自己妻子和孩子的家庭生活。盡管愛因斯坦資質過高，才能明顯高于這份工作的要求，但事后看來，這似乎是上天最好的安排。

首先，專利局是一個安靜的避難所，給了愛因斯坦太多時間思考，以研究自己的時間和空間理論。其次，專利局的工作要求他在發明者的通常措辭模糊的建議中提出關鍵想法。這教會了他如同之前的牛頓和麥克斯韋一樣，如何從實物圖片的角度思考，準確無誤地瞄準使理論發揮作用的基本思想。

在專利局，愛因斯坦回到了一個在孩童時就困擾自己的問題：如果自己能以光速在一束光線的旁邊奔跑，這束光線看上去會是什么樣子？他猜測，光波會在時間上凍結，這樣，人們就能實際上看到電場和磁場的駐波。

但當愛因斯坦在理工學院學習麥克斯韋方程時，他驚訝地發現，這些方程不接受駐波解。事實上，麥克斯韋方程預測光必須以相同的速度傳播，不管你如何努力追趕它。即使一個人以巨大的速度前行，光束仍將以同樣的速度領先于他——光波永遠不會在靜止時被看見。

起初，這似乎非常簡單。根據麥克斯韋方程式，地球上的科學家和在火箭中超速行駛的科學家測量的光束的速度是相同的。也許，麥克斯韋本人在19世紀60年代寫這個方程時就意識到了這點。然而，只有愛因斯坦明白這個事實的特殊重要性，因為他意識到這意味著我們必須改變我們的時空觀念。在1905年，愛因斯坦終于解決了麥克斯韋光理論的難題。在這個過程中，他顛覆了過去的歷經幾千年的時空觀念。

為了便于論證，假設光速為每小時101英里，每小時行駛100英里的火車與光束并排移動。事實上，在這列火車上的科學家應能測量出光速為每小時1英里（每小時101英里減去每小時100英里）。如此，科學家應能從容地仔細研究光的內部結構。

然而，根據麥克斯韋方程，以每小時100英里的速度前行的科學家測量的光速為每小時101英里，而不是每小時1英里。這怎么可能？這列火車上的科學家怎么會愚蠢地認為，光束能達到這樣的速度？

愛因斯坦對這個問題給出的解決方案是古怪的，但卻是正確的：他假設火車上的時鐘比地面上的時鐘更慢，且火車上的任何測量尺的長度都縮小了。

這意味著，這列火車上的科學家的大腦相對于地面上的科學家的大腦會變慢。從地面上某人的角度看，這列火車上的科學家測量的光束速度應該為每小時1英里，但實際上，火車上的科學家測量的光束速度為每小時101英里。因為，火車上的科學家的大腦和此列車里的一切都慢了下來。

相對論的結果——超速的物體時間必須放慢，距離必須縮短——似乎違反了常識，這是因為我們通常處理的都是遠低于光速的情況。人每小時可以行走大約5英里——比光速慢得多。所以，人們出于各種目的，根據直覺會認為光速是無限的。光，可以在1秒時間內繞地球7次，從我們的觀點來看，幾乎可算為瞬間移動。

現在，想象一個光速只有每小時5英里的世界，相當于普通嬰兒車的速度。如果光速為每小時5英里，那么，時間和空間經歷了巨大扭曲將成為“常識”。例如，汽車每小時行駛不能超過5英里，而那些速度接近每小時5英里的人將會變平，像煎餅一樣。（奇怪的是，這些縮小的汽車對于觀察者來說不僅看起來變平了，還是旋轉的。）此外，在這些汽車里變平的人看上去幾乎靜止（一動不動），時間似乎也凍結了（因為隨著汽車的加速，時間會變慢）。當這些變平的汽車在紅綠燈處減速時，會逐漸縮小長度，直到達到原來的尺寸，車內的時間將恢復正常。

當愛因斯坦1905年的革命性的論文發表時，該論文在很大程度上遭到了忽視。事實上，他提交這份文件是為了獲得一份伯爾尼大學的教學職位，但論文遭到了拒絕。古典牛頓物理學家接受的是絕對空間和絕對時間的概念，愛因斯坦的建議也許是麥克斯韋方程悖論的最極端解。（僅幾年后，當實驗證據指出愛因斯坦理論的正確性時，科學界認識到這篇論文包含了天才的想法。）

幾十年后，愛因斯坦坦言麥克斯韋對狹義相對論發展的重要性，他直截了當地說，“狹義相對論起源于麥克斯韋的電磁場方程。”

事后看來，我們意識到愛因斯坦能比其他人更深入接受麥克斯韋的理論，是因為他掌握了統一的原則，理解了潛在的鏈接看似不同對象的統一對稱性。（對物理學家來說，對稱性有確切的含義——如有一個方程，當你移動或轉動它的分量時保持不變，它就有對稱性。對稱性是物理學家構建統一場論的最有力工具。更多詳細信息，參見第7章。）例如，空間和時間（以及物質和能量）。就像牛頓發現地球物理和天體物理可通過萬有引力定律統一，或麥克斯韋發現電和磁的統一一樣，愛因斯坦統一了空間和時間。

這個理論證明了空間和時間是科學家稱之為“時-空”的同一個實體的不同表現。事實上，這個理論不僅統一了空間和時間，它還統一了物質和能量。

乍看之下，在表面上，似乎沒有什么東西的差別會比一個丑陋的巖石和燦爛的光芒的差別大。然而，表觀具有欺騙性。愛因斯坦首先指出，在某些情況下，即使一塊巖石（鈾）也能變成一束光（核爆炸）。物質轉化為能量的過程，通過原子分裂以實現，原子分裂將釋放出儲存在原子核內的巨大的能量。在愛因斯坦的意識中，相對論的本質在于物質可以變成能量，反之亦然。