第1章　無所畏懼的愛因斯坦

1901年5月，22歲的阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）與他的大學同學、戀人米列娃·瑪瑞克（Mileva Maric）相約，到意大利和瑞士邊境阿爾卑斯山中的休假勝地科莫湖度過幾天難忘的浪漫時光。

不久，愛因斯坦收到米列娃來信，她懷孕了。[2]63-67,72-77;[3]73-76

他立即回信表達了自己的喜悅。不過，他的好心情卻另有緣由：“我剛剛讀到了萊納德的一篇用紫外光照射產生陰極射線的非常棒的論文。受這篇漂亮文章影響，我欣喜若狂，一定要與你分享。”

在分享了他所認為的作為物理知音更為重要的消息之后，他才轉筆到他們倆的私事：“親愛的，你感覺怎樣？那男孩好嗎？你可以想象我們將來在一起，不受任何干擾，也沒有人來對我們發號施令，該會多好？”

其實，愛因斯坦當時的處境相當糟糕。他大學畢業已經一年了還沒能找到工作，只是靠在中學臨時代課和課外輔導掙點小錢。米列娃的來信讓他更迫切地感受到生活的壓力。他許諾會加倍努力地去找一份正式工作，即使他不得不屈尊去做一個保險推銷員。而一旦他有了足以養家的收入，就會立即向米列娃求婚，承擔起丈夫、父親的責任。

米列娃的狀況更為殘酷。大學時，她是班上唯一的女生，志高氣傲，一心要在物理學這個男人的領地中闖出一條生路。然而，事與愿違，她在畢業考試中栽了跟斗，是唯一的落榜者。她計劃復習一年重考，挽救自己的夢想。意外的懷孕顯然來得很不是時候。此外，她還不得不面對愛因斯坦母親對他們關系的極力反對。

世界剛剛進入20世紀。在歐洲，未婚先孕、私生子屬于大丑聞，甚至會影響到愛因斯坦謀求公職的機會。米列娃在懷孕期間只好孤獨地隱居在旅館里。后來她自己回老家，在父母的庇護下悄悄地完成了分娩。

愛因斯坦曾一廂情愿地想象米列娃所懷的會是個男孩，這時才知道是個女兒。他們為她取名為莉瑟（Lieserl）。兩年后，這個名字連同他們有過一個女兒的任何蛛絲馬跡便從他們的所有通信、文件中消失，在其后的幾十年完全不為人所知。直到1986年，愛因斯坦逝世30多年后(1)，米列娃生前保存的兩人早期情書被發現，這樁秘聞才進入公眾視野。那時已經無法找到任何有關莉瑟的檔案記錄。歷史學家做了大量調查后對莉瑟的下落有諸多猜測。最可能的是她出生后被送給親友領養，不久因病夭折。[2]73-77,86-88

雖然愛因斯坦在私信里曾經對這個從沒見過面的孩子懷有滿腔熱忱，但他在實際行動上并沒有太上心。米列娃懷孕期間，他甚少去看望，任她在旅館里獨居。他更沒有陪同米列娃回家或在分娩時去共享喜悅。米列娃回來后，他又違約沒有花時間幫助她復習。米列娃重考后再度失敗，沒能獲得大學畢業證書，不得不放棄她從事科學事業的理想。

那時，愛因斯坦心中有更重要的事情，其中就包括他讀到的那篇比米列娃懷孕更能讓他欣喜若狂的論文。

菲利普·萊納德（Philipp Lenard）是匈牙利的年輕物理學家，曾經在海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）指導下研究電磁波，尤其是紫外線的傳播。1887年，20歲的赫茲率先發現電磁波的無線傳播，證實詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）20多年前提出的電磁學理論。在這個過程中，他還意外地發現當某些電磁波尤其是高頻率的紫外線照射到金屬表面時，會導致金屬中發射出與陰極射線管（cathode ray tube）(2)中類似的射線。[4]1-2

陰極射線管及其產生的神秘射線是19世紀末熱門的物理問題之一。1897年，英國的約瑟夫·約翰·湯姆森爵士（Sir Joseph John Tomson）確認那射線由非常微小的帶負電的粒子組成，亦即“電子”。在那個年代，化學家已經有了“原子”“分子”等作為物質基本組成的概念。物理學家則對原子的存在、性質還存有相當的疑惑。湯姆森發現電子的尺寸只是原子的一千多分之一，應該是原子的組成部分。這一發現令人震驚，標志著人類認識基本粒子微觀世界的開端。

赫茲沒能看到那一天。他在1894年元旦因病去世，年僅36歲。他所發現的紫外線導致金屬中電子外溢的現象被稱作“光電效應”（photoelectric efect）(3)。萊納德繼承導師的衣缽，繼續研究這一現象。他對儀器、設計進行關鍵性的改進，做了大量系統測量，很快發現一些令人不解的性質。[4]25,[6]25-29

光電效應本身其實很容易理解。雖然那時的物理學家對物質微觀結構還只有非常膚淺的認識，但金屬既然能夠導電，可以想象其中會有電子在運動。陰極射線管便是通過加熱讓作為陰極的金屬中一些電子獲得足夠的動能逃出，形成射線。電磁波也攜帶有能量。當它照射到金屬表面時，也可以想象到其中一些電子會因為電磁波作用而振蕩，獲得足夠的動能而溢出。

然而，當萊納德將越來越強的光照射到金屬表面時，他沒能看到逃出電子的速度隨之加快。在麥克斯韋的電磁理論中，電磁波攜帶的能量由其強度決定。光強比較大的光照在金屬表面上，“打下”的電子也會相應地獲得更大的動能，因此速度應該會更快一些。但萊納德發現，無論光強增加到多大，出來的電子速度都很一致，只是被打出的電子數目會隨著光強增加。

相反地，他還可以把光強降到非常微弱，不再具備打下電子所需要的能量。但即使在那樣的弱光下，他依然能夠測量到逃逸的電子，只是數目上寥寥無幾。

更奇怪的是，當相當弱的紫外光能引發光電效應時，他用其他頻率的可見光卻又會一無所獲，即使把那些光的強度加得非常之大。

在麥克斯韋的理論中，電磁波是與日常生活中的水波、聲波相似的波動。頻率——或波長——是波動的一個重要特征，可以決定波被吸收的過程。比如我們的眼睛只能看到可見光，看不見紅外線、紫外線等電磁波。同樣，我們的耳朵只能聽到一定頻率范圍的聲波，而對超聲波、次聲波沒有反應。這是因為我們的眼睛、耳朵的構造決定了它們只與一定頻率范圍的波發生“共振”（resonance），對其他頻率則視而不見、聽而不覺。

金屬中的電子可以與任何頻率的電磁波發生共振，因此不具備眼睛、耳朵那樣的選擇性。萊納德發現，每種金屬都有著一個特定的頻率。如果入射光的頻率低于這個頻率，無論光強多高也不會有光電效應發生。而任何高于這個頻率的光照射，即使光強非常弱也會有電子出現。

這些奇怪的表現無法用麥克斯韋的電磁理論解釋。而這正是讓年輕的愛因斯坦欣喜若狂之所在。那時，他正在潛心研究馬克斯·普朗克（Max Planck）提出不久的一個新理論。愛因斯坦已經看出，普朗克的理論與麥克斯韋電磁理論大相徑庭。他預感到麥克斯韋這個經典理論應該會遭遇更多的挑戰，而萊納德的論文正是一個新的佐證。雖然他還遠遠未能理清這其中的脈絡，卻已經足以興奮莫名。因此他急于與女朋友分享，竟將他們未婚先孕的大事放到了第二位。

然而，生活的變故還是讓愛因斯坦意識到自己的責任。他沒有食言，立即加快了找工作的步伐。在向歐洲幾乎所有物理學家投寄求職信而得不到回音之后，他轉向更為現實的途徑。他的大學同學、最好的朋友馬塞爾·格羅斯曼（Marcel Grossman）的父親在瑞士開工廠，與伯爾尼的專利局局長是好朋友。愛因斯坦便一直催促格羅斯曼協助走他父親的后門，幫他在專利局謀求一個職位。幾個月后，專利局終于發出一份招工廣告，其中對雇員的要求明顯是為愛因斯坦量身定制。

1902年1月，就在米列娃在老家分娩之際，愛因斯坦在專利局的工作尚未落實便急匆匆地搬家到伯爾尼，開始他的新生活。他在那里又等了半年才被聘任為“三級技術專家”——專利局中最低級別的入門崗位。但對于愛因斯坦來說，這已經足夠好了：它不僅是一個有保障的公務員職務，而且其微薄的薪水其實比他夢寐以求的大學助教報酬還略高一些。況且，這好歹還是一個技術性的體面工作，與被迫去賣保險相比不可同日而語。[2]72

那年年底，愛因斯坦父親因病去世，臨終前終于首肯了他與米列娃的婚事。1903年1月，愛因斯坦與米列娃在他們自己組織的所謂“奧林匹亞科學院”好友面前舉行了一場簡單的婚禮，雙方都沒有親屬出席（圖1.1）。一年多以后，他們有了第一個兒子，開始清貧但溫馨的小家庭生活。

還要再過一年，愛因斯坦才在1905年3月正式寄出他已經思考、斟酌四年之久的解釋萊納德光電效應論文，發表在同年6月9日的《物理年鑒》（Annalen der Physik）上。

隨后幾個月，他又連續發表了有關“布朗運動”（Brownian motion）、“狹義相對論”（special relativity）、“質量能量等價”（mass–energy equivalence）的三篇論文，完成他的第一個“奇跡年”（annus mirabilis）。這四篇出自專利局低級職員之手、幾乎都帶有劃時代突破意義的論文將奠定他在科學史中的地位。

然而，愛因斯坦的境遇并沒有立刻得以改變。他在學術界謀求教職的努力依然頻頻碰壁，還要在專利局繼續蹉跎三年。

愛因斯坦出生于德國西南部的施瓦本公國。那里的人以口音很重、語言難懂著名，不怎么被其他地區的德國人看重。在他給米列娃的情書中，愛因斯坦經常自稱為“英勇的施瓦本人”（valiant Swabian）。那是浪漫詩人路德維希·烏蘭德（Ludwig Uhland）在詩中塑造的一個中世紀騎士形象。詩人激情地宣告：“但是英勇的施瓦本人無所畏懼”(4)。[5]4

愛因斯坦之所以大學畢業后走投無路，相當程度上也是他作為施瓦本人的倔強和固執所致。在愛因斯坦進入大學的19世紀末，物理學正進入登峰造極的境界。麥克斯韋通過一組漂亮的數學方程統一了電和磁相互作用，揭示電磁波的存在并指出我們日常熟悉的光便是特定頻率范圍內的電磁波。這是物理學自艾薩克·牛頓（Isaac Newton）以來最輝煌的成就。同時，麥克斯韋、路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）等人又創立了統計力學，為熱力學提供了堅實的數學基礎。

從大學三年級開始，愛因斯坦已經開始接觸這些物理學前沿。但他發現課堂講義對這些激動人心的進展只字不提，只是重復著過去的經典。于是他經常曠課，自己到咖啡館閱讀麥克斯韋、玻爾茲曼等人的書籍論文，只是依靠考試前惡補格羅斯曼提供的詳盡課堂筆記蒙混過關。他的行為和態度得罪了所有教過他課的物理、數學教授。他們不僅不可能在他畢業時雇他做助教，更不愿意為他這個不會在學術界有任何前途的“懶狗”(5)提供職業推薦。[5]18-20;[2]33-35

在遭遇這番挫折之際，愛因斯坦沒有灰心喪氣。或為自嘲或為激勵，他頻繁以英勇的施瓦本人自居，要與米列娃一起獨自向整個歐洲物理學界挑戰。在得到專利局的穩定工作后，他每周工作六天，每天八小時。業余時間每天還花一小時做家教，掙點錢貼補家用。其余時間除了與他“奧林匹亞科學院”同僚海闊天空，便都用在鉆研物理問題上。

在奇跡年的5月，愛因斯坦給他“奧林匹亞科學院”朋友寫信，回顧、展望他已經發表和正在準備中的四篇論文，很是興奮、自豪。他刻意強調其中的第一篇光電效應論文真正具有“非常的革命性”（very revolutionary）。[5]66-67;[2]93他當然不可能料到十多年后正是那篇論文會為他帶來諾貝爾物理學獎。但不論那個時候還是今天，更為人所知的是他那第三、第四篇論文，分別開創狹義相對論、揭示質量與能量的等價和轉化關系。如同“牛頓力學”和“麥克斯韋電磁學”，相對論成為愛因斯坦物理成就的代名詞。

雖然愛因斯坦當時便認定他的光電效應論文比相對論更具革命性，但他自己也沒能完全領會其深遠意義。在那篇論文中，他石破天驚地提出光并不是麥克斯韋方程中所描述的電磁波，而是由微小、分立的“光量子”（light quantum）組成。唯有如此，才能理解普朗克的新理論，才能簡單、完美地解釋萊納德發現的那些與麥克斯韋理論不符的現象。然而，光量子是什么、遵從什么樣的物理定律，他還沒有切實的概念。

果然，他的論文很快遭到最先引入“量子”（quantum）概念的普朗克的強烈反對。在那之后幾十年中，愛因斯坦不僅面對老一代物理學家的詰問，還會與同輩的尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）展開漫長的爭辯，并感受新生一代物理學家的責難。當然那時候的愛因斯坦的身名、地位都早已不可與在專利局時同日而語，但他仍然發現自己總是一個人孤獨而固執地挑戰一個又一個既定或正在確立的物理體制。

伴隨著這一過程，人類進入了量子力學的新時代。

26歲的愛因斯坦無法預知這一切。但即使他明知前路坎坷，也不會猶豫彷徨。因為英勇的施瓦本人無所畏懼。

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(1)　米列娃去世更早。

(2)　陰極射線管是20世紀電視機、計算機終端、示波器等顯像裝置的關鍵器件。

(3)　這也是今天太陽能電池的原理。

(4)　But the valiant Swabian is not afraid.

(5)　后來幫助愛因斯坦完善狹義相對論四維時空理論的數學教授赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）對學生時代愛因斯坦的評價。