第一章
第一次世界大战前的科学世界

“谢谢你，我已经把问题彻底解决了。”

爱因斯坦家族都是乐于尝鲜的。雅各布和赫尔曼兄弟二人经营着一家小公司，主营业务是当时最前沿的革新技术：电气化。他们让德国南部的大街小巷都亮起了电灯，成了这个国家在19世纪末最超乎想象的进步之一。1871年，普鲁士在普法战争中大获全胜，随后建立了统一的德意志帝国。因此，此时的德意志还是一个非常年轻的国家。统一前的25个公国和王国现在变成了一个世界级帝国，拥有一支庞大的陆军、迅速发展的国民经济，以及引领整个欧洲大陆发展的学术和文化机构。这样的德国似乎已经是“现代性”的最佳范例了。马克·吐温曾在1878年访问德国，他写道：“这真是一座天堂，人们的衣着是那么整洁，面容是那么友善，洋溢着那么安静的满足感，这里是那么繁荣，有真正的自由和一流的政府。而且我很高兴，因为我不需要对这一切负责，我来到这里只是为了享受这一切。” ^[1]

在马克·吐温到访德国一年后，赫尔曼的妻子波琳生下了两人的第一个孩子阿尔伯特。当时他们一家住在多瑙河畔一个规模不算太大的城市乌尔姆（这里的城市格言是“乌尔姆人都是数学家”）。没过多久，爱因斯坦一家就从乌尔姆举家搬到了位于德国南部的大都市慕尼黑。幼年时的阿尔伯特很晚才开口说话。他习惯于先把要说的话反复讲给自己听，确定正确无误后才开口讲出来。他发脾气的样子也很出名，整张脸会变得蜡黄，鼻尖变得雪白。 ^[2] 据阿尔伯特的妹妹回忆，有一次哥哥生气了，就用花园里的锄头砸了她的头。

爱因斯坦一家是犹太人，但已几乎完全世俗化了。德意志帝国对犹太人几乎已经没有任何法律上的限制，但很多反犹太人的传统仍然存在。与大多数同化主义家庭相同，爱因斯坦一家也深深融入了德国的世俗文化。赫尔曼会在晚上给孩子们大声朗读席勒和海涅。 ^[3] 波琳是一位技艺精湛的钢琴师，她希望阿尔伯特能成为自己的音乐伙伴，因此在他六岁时便开始教他拉小提琴。此时，小男孩阿尔伯特非常讨厌这种机械而又重复的训练，因此只是很不情愿地学习音乐，这也仿佛是对未来的一种预兆。直到多年以后，阿尔伯特发现了自己对莫扎特奏鸣曲的热情，才开始全心全意地学习小提琴。他在多年以后曾回忆道：“我完全相信，相比于责任感，爱是更好的老师，至少对我来说是这样的。” ^[4]

然而，对他来说很不幸的是，那时的德国教育更强调责任而非爱。阿尔伯特就读于离家最近的一所学校，刚好是一所天主教学校。学校纪律严明，崇尚军国主义。阿尔伯特不喜欢总是有人告诉自己该做什么，于是几乎与所有老师都对着干。他曾经用椅子砸自己的家庭教师，还总喜欢用“你”而不是“您”来称呼老师，让人非常恼火。 ^[5] 根据爱因斯坦的家族故事记录，有一位老师曾严厉训斥阿尔伯特说：“就算你只是出现在这里，也已经是整个班级对我的不尊敬了。” ^[6] 但这些言语对阿尔伯特并没有产生什么影响。

阿尔伯特几乎没有朋友，而且从很小的时候开始就很独立了（四岁时就可以独自走在慕尼黑最繁华的街道上）。他最喜欢的游戏是用纸牌搭房子。 ^[7] 与那些广为流传的故事所描述的不同，阿尔伯特的成绩其实并不差。学校总是强调对经典语言的学习，这并不合阿尔伯特的胃口。因此，阿尔伯特所接受的持续性教育大多来自家庭。老年阿尔伯特曾经忆起那个点燃了自己对科学之热爱的瞬间。那是在他四五岁的时候，他那喜欢小物件的父亲把一个罗盘当作礼物送给了他。罗盘里的指针总是指向北，这个简单的现象深深吸引了年幼的阿尔伯特。在现象的背后，那些看不见的力始终保持不变，也绝不会出现差错，阿尔伯特为此而着迷。这些是什么？是不是还有更多这样的事物？可以去理解它们吗？如果可以，应该怎么做？

十一岁那年，阿尔伯特开始严格恪守犹太教规（这既不是家人的要求，也没得到家人的支持），不过只持续了很短的一段时间。很快，到了第二年，阿尔伯特就发现了自己心目中“神圣的几何学小书” ^[8] 。爱因斯坦一家会定期邀请一位名叫马克斯·塔木德的医学院穷学生到家里来吃晚饭。塔木德和雅各布叔叔给阿尔伯特带来了大众科学和数学领域的书籍。在阿尔伯特看来正是这些书促使他开始了自由的思考。在这些书籍中，最为关键的几何学内容便是欧几里得的《几何原本》，这是2 000多年来欧洲数学教育的基础。整本书以几个不容置疑的前提（比如两点确定一条直线）为起点，经过缜密有力的论证，发展出多个复杂的推论（比如毕达哥拉斯定理）。这个从简单到复杂的过程让阿尔伯特感到震惊。阿尔伯特曾这样描述这种感受：“对这些结论的证明是如此确定，不容有任何质疑。这种明晰和确定给我留下了一种难以形容的印象。” ^[9] 这成了阿尔伯特思考自然世界时的一个范本：从一个明确而又有力的想法出发，通过推演得出结论，而在推演过程中也有可能会得到一些有用的想法。

对阿尔伯特来说，尤为重要的一点是这本书中的知识似乎是超越人类个体的，是一种深刻而超验的真理。于是，数学和科学成了阿尔伯特逃离人与人之间琐事束缚的一种方式。 ^[10] 十几岁的时候，阿尔伯特宣布自己将来想成为理论物理学家，恰恰是因为理论物理学可以让他独立自主，独立于社会与常规，独立于传统与权威。他也承认自己缺乏实用主义意识，这意味着理论物理学比应用物理学更适合自己。 ^[11]

尽管学校体系僵化，但爱因斯坦完全愿意为了达到学校的期待而坚持应付下去，但毕业后所面临的出路却让他深感恐惧。所有德国男性在毕业后都需要进入陆军服役，爱因斯坦也不能例外。学校生活已经够糟糕了，他不认为自己能活着过完实打实的军中生活。于是，1894年，他稍稍动了动脑筋，找到了自己家的一位世交，说服他给自己开了一张诊断证明，上面写着自己“极度神经衰弱”。在19世纪，这种病症极为常见，特征是用脑过度、神经系统极度疲劳。爱因斯坦用这张诊断证明让自己没能毕业，并提前从学校退学。 ^[12] 后来，他甚至更进一步，正式放弃了德国国籍。这样一来，德意志帝国就再也无法约束他了。

不出所料，面对这样一个突然没了文凭也没有工作的儿子，爱因斯坦一家一点都不开心。幸运的是，有一所优秀的学校并不要求学生在入学前必须取得高中文凭，这就是苏黎世联邦理工学院。阿尔伯特说服家人让他通过自学来参加这所学校的入学考试。他第一年没考上，又准备了一年后就成功被录取了。他发现与慕尼黑相比，瑞士（特别是苏黎世）是个更加自由的地方，他在这个新环境中如鱼得水。

不过，爱因斯坦的学习习惯并没有明显改善。如果他觉得某一门课没什么意思，就常常会逃课。这其中常常会有数学课，哪怕当时多位欧洲中部最优秀的数学家都在这所学校执教，其中就包括赫尔曼·闵可夫斯基，他把爱因斯坦形容为“一条懒狗” ^[13] 。幸运的是，爱因斯坦与勤于做笔记的数学系学生马赛尔·格罗斯曼成了朋友。爱因斯坦会研究格罗斯曼的笔记，然后参加考试，尽管考试成绩不错，但也会因为不重视学习而收到学校的正式训诫。 ^[14] 后来，在回忆这段生活时，爱因斯坦对格罗斯曼充满感激，他说：“我都不敢想象如果没有那些笔记我会落得什么下场。” ^[15]

即使是对物理课，爱因斯坦也只是勉强花点精力。这些物理课总是聚焦于已经相当成熟的主流物理学领域，避开电动力学和热学领域中那些尚未取得定论而又令人兴奋的新研究。这与今天的科学教育并没有太大差别。这样的课程并不是要培养学生去进行新的科学研究，而是确保他们能掌握已知的知识。因此，学生们要记忆一个又一个概念，解开一道又一道典型习题，再现一个又一个经典实验。爱因斯坦和朋友们只能自发阅读当代物理学的最新发展。

物理学可以大致分为两类：实验物理学和理论物理学。尽管大多数物理学家对两个领域都会有所涉足，但像爱因斯坦这样的物理系学生则必须证明自己对两个领域都很精通。实验通常都在实验室里完成，所谓实验室就是在一个专门为做实验而设计的空间，里面（但愿）会有各种特殊工具，可以用来测量电流、金属热特性或气体黏度。实验的目的可能是要寻找一个新现象，可能是要寻找某个已知现象的不同表现形式，也可能是要得出更好的数据，比方说，想要更准确地测定声音在玻璃中的传播速度。要得到想要的结果，就需要有耐心，需要一双能够进行各种精准操作的手，还需要能够与各种机器和谐相处。

做理论则几乎不需要什么设备，有黑板、墨水和演算纸就够了，仅此而已。所涉及的工作基本都是概念性的，比如找规律，这些规律通常都以数学形式出现，也正是这些规律塑造了这个自然世界。这个找规律的过程会创造出方程式，这些方程式反过来（但愿）会通过几个像重力和惯性这样的优雅概念来解释这个实实在在的世界。理论物理学家所寻找的是自然法则，是永远都无法伸手碰触得到的抽象事物。做这样的研究就需要与那些看不见、摸不着的事物建立和谐的关系，比如想法、数字，比如数学之美。与实验物理学相比，爱因斯坦明显更偏爱理论物理学。他渴望了解那些让宇宙运转，那些可以解释一切 为何 会发生的法则。不过，爱因斯坦也仍然很享受实验室里的工作，因为他喜欢看到概念以一种看得见、摸得着的形式呈现出来。

尽管爱因斯坦既可以做实验，又能够推导出方程式，但似乎他还并没有走上一条能让自己在科学领域取得成功的道路。最要命的是，爱因斯坦并不怎么尊重权威，这种态度此时开始成为阻碍他在科学道路上前进的绊脚石。爱因斯坦曾为了设计一个全新的实验而找到了自己的物理学老师韦伯教授。韦伯教授没等他把话说完就对他说：“你很聪明，但最大的问题在于一点都听不进去别人的话。” ^[16] 阿尔伯特总体来说不是一个特别出众的学生，他那洪亮、友好而又包容一切的笑声倒是比他的科研技能更为出名，而且这种情况未来似乎也不会改变。 ^[17]

当初，爱因斯坦选择离开德国，原因在于他已无法忍受帝国的勃勃野心。在德意志帝国心中有一个明确的对手，那便是被称为“大不列颠帝国”的英国。当时，英国以繁荣的大都会伦敦为中心，将版图延伸到了世界各地。由于建立了广阔的殖民地网络，英国获得了充足的资源、广阔的市场，以及巨大的声望，这无疑是最为重要的一点。德国，或者更确切地说是德意志帝国的皇帝威廉二世对此深感嫉妒。讽刺的是，威廉其实是英国维多利亚女王的外孙，说着一口流利的英语。他会开心地回忆起自己年幼时在外祖母的海边城堡里玩耍的光景。尽管如此（也许是正因如此），威廉把英国当成了自己的主要对手。事实上，德国与法国和俄国之间都有长长的陆上边界，而且这两个讨厌的邻国都拥有强大的军队，但威廉仍然将大部分精力都聚焦在位于北海之中的那几个岛屿上。

英国当时全称为大不列颠及爱尔兰联合王国，是一个由英格兰王室统治的多民族（包括苏格兰人、威尔士人和爱尔兰人）国家。然而，外国人或爱国人士常常会用英格兰来指代整个国家，这个做法一直延续到今天。英国自认为是一个自由的国度，这主要是基于对“自由”的传统定义，也就是说英国拥有一个有限的中央政府和基本上无政府干涉的自由市场经济。然而，英国也同样在试水现代意义上的自由主义，也就是宽容并接受不同的信仰和行为。在19世纪，已有几百年历史的英国国教的影响力逐渐衰落，然而只有公开身份的英国国教圣公会教徒才能在政府中任职、进入大学学习，才能完全融入英国的社会生活。

罗马天主教和其他各新教派别，包括浸礼会、一神普救派、贵格会等的教徒，一直以来在英国都是二等公民。特别是贵格会教徒，他们为了应对这种状况仅与教会外部的英国社会保持有限的互动，并将大部分精力用来维系内部紧密交织在一起的社区群体。在这个过程中，他们也并没有感到不满。很多贵格会家庭都可以把家族历史追溯到动荡起伏的17世纪。那时，贵格会创始人乔治·福克斯和他的追随者时常被抓进监狱，也经常因为相信自己与上帝之间具有某种神秘的直接联系并秉持一种激进的平等主义态度而遭到攻击。“贵格”这个名字最初是个侮辱性词语，指的是由于宗教上的虔诚而颤抖，贵格会的正式名称为“公谊会”，教徒之间会随意地称彼此为“朋友”。

爱丁顿一家就是这样一个贵格会家庭。1882年，这个家庭迎来了一个新生儿，取名亚瑟·斯坦利。仅仅两年后，这个小男孩的父亲、中学校长亚瑟·亨利·爱丁顿就在一场伤寒大流行中去世了。年幼的爱丁顿和姐姐威尼弗雷德一起跟着母亲萨拉·安在美丽的英格兰西南部长大。那里有翠绿的山川河谷，关于亚瑟王的美丽传说就发生在那里，那也成为小男孩爱丁顿无尽探险的好去处。

这个在家被唤作斯坦利的小男孩很早就表现出了数学天赋，在能够识字读书之前，就先学会了24×24乘法表。他曾试图数《圣经》一共有多少字（成功数出了《创世记》的字数），也曾想数清楚天上一共有几颗星星。 ^[18] 可能就是因为经常这样导致用眼过度，斯坦利从十二岁起就戴上了眼镜。戴上眼镜后，整个世界变得十分清晰，这让斯坦利非常高兴，于是在戴上眼镜后的第一年里，他把大部分时间都用来观察树木和石墙。为自然世界所着迷的斯坦利撰写了有关木星的文章，并投稿给学校报纸，还在阁楼里给一群女佣讲月亮。在他少年时期撰写的文章中，有一篇讨论了日全食，讲述了“世界上最棒的一群天文学家”如何转战各地观测日全食。 ^[19]

萨拉·安这一代贵格会教徒以对一切都持保守态度而著称。饮酒、看戏或吸烟都是禁忌行为。贵格会教徒的朴素也非常出名，他们没有神父，没有宗教仪式，会堂里没有随处可见的耶稣受难像。他们在静默中做礼拜，只是偶尔会被神的启示所打断。不过，他们中大多数人都走得更远，专注于自己内在的宗教信仰，不屑于参与政治或融入现代世界。

到了亚瑟·斯坦利这一代，贵格会教徒开始摒弃这些传统。贵格会复兴对这一教派的神学进行了重新解读。贵格会教徒一直认为每个人都有“内心灵光”，也就是人与上帝之间的直接联系。每个人都可以与圣灵亲密交流，而不需要借助教会或神父的力量。内心灵光的存在很好地解释了贵格会教徒的和平主义态度。他们认为对他人使用暴力就是对上帝使用暴力。对贵格会中年长一些的“朋友”来说，这种态度就意味着拒绝打斗，而对年轻一代的贵格会教徒来说，这意味着他们有责任 践行 和平 。

因此，当爱丁顿在曼彻斯特以及后来在剑桥修习科学的时候，一直有种说法，那就是爱丁顿所秉持的宗教信仰在现代世界中扮演着重要角色。成为贵格会所说的“朋友”是一种有意识的选择。爱丁顿的多位导师都公开声称科学和宗教对这个世界的现代性都很重要，两者之间不存在内在冲突。在英国，特别是在剑桥，科学与宗教的相互支持是长期以来一直存在的传统。贵格会教徒的独特之处就在于他们认为在即将到来的20世纪，整个世界会变成一个社会多元、技术复杂的世界，对这样一个世界来说，这种传统至关重要。

尽管爱丁顿决意融入现代英国的社会生活，但仍然有些格格不入。他保留了母亲的许多清教徒习惯，比如在当时那个圆顶硬呢帽随处可见的年代，他仍然戴着一顶朴素的软帽去上课。大家都知道他谦虚、有礼貌，又总是很沉默，符合人们对贵格会教徒的刻板印象。爱丁顿家境相当贫寒，这意味着如果要接受高等教育，他只能依靠各种奖学金、补助金和竞赛奖金。爱丁顿首先在曼彻斯特大学学习物理。在那里，他遇到了从德国移民而来、从事前沿实验室研究的何图尔·舒斯特，并与他一起做研究。这个时期，爱丁顿取得了良好发展，当地活跃而又现代化的贵格会社区帮助他找到了自己在世界中的位置。

1901年12月，一切都变了。此时，爱丁顿得知未来一年，他将可以进入曾诞生了牛顿、麦克斯韦和丁尼生的剑桥三一学院学习，并得到75英镑的奖学金。这个改变意义重大，意味着一个秉持和平主义态度的异教徒，离开了工业化的、下层阶级聚集的曼彻斯特，来到了优雅的、为国教圣公会所把持的帝国中心。爱丁顿是最早实现这种转换的贵格会教徒之一，这在上一代人所处的社会是无法想象的。

在剑桥，爱丁顿展现出了强大的专注力，全身心地投入了物理学和数学的学习。不过，尽管如此，他也渐渐开始放松下来。一开始，他总是孤身一人，比如一个人骑自行车。后来，爱丁顿逐渐对文学，不管是严肃文学，还是不那么严肃的文学，都产生了热情。不管是《鲁拜集》，还是《爱丽丝漫游奇境》，都可以让爱丁顿得到同样多的启发（也许正是在这两者共同的影响下，爱丁顿才对古怪的韵律产生了兴趣）。后来，爱丁顿加入了国际象棋俱乐部，参加了莎士比亚协会的读书活动，还学习了网球和高尔夫球，不过在这些领域，他大都是热情多过技巧。爱丁顿在曲棍球队的一位队友曾回忆起一场比赛，说爱丁顿在场上始终疯狂而又毫无策略地追着球横冲直撞，不管是对手还是队友，都被他撞青了小腿。 ^[20] 爱丁顿身体特别健康，身材清瘦，身高5英尺8英寸（大约172.7厘米），体重129磅（大约58.5 kg，我们能够掌握这个数据完全是因为爱丁顿在学校期间始终坚持记录体重）。爱丁顿相貌帅气、五官立体，衣着打扮干净整洁，去追求身边那些条件相当的女孩其实是相当有资本的，然而爱丁顿对此却并没有兴趣，只是把那些女孩当作同行和同事。

甚至在交到了几个朋友后，爱丁顿与他们在一起时仍然安静而羞怯。只有一人让他例外。爱丁顿来到剑桥后不久就遇到了数学系的特林布，两人一见如故。跟他在一起时，爱丁顿就像变了一个人。根据爱丁顿传记作者的描述：“爱丁顿用犹豫不决的羞怯给自己打造了一副几乎无法穿透的铠甲，从而避免与别人建立亲密关系。但是，当与这个朋友在一起时，爱丁顿可以卸下这副铠甲。” ^[21] 与特林布在一起时，爱丁顿可以无忧无虑，可以变成一个很有意思的人。他们两人会一起去远足，还会一起用大把的空闲时间去乡村探索。

我们并不了解爱丁顿与特林布之间到底是什么样的关系。如果放在今天，他们的关系一定会被解读成一种浪漫关系，很有可能是同性之恋。在过去的维多利亚时代，两位男士之间可以保持特别亲密但又无关乎性爱的关系。然而，到了爱丁顿与特林布相遇的年代，这种维多利亚时代的浪漫关系传统已经逐渐衰落了。剑桥和牛津在促成此类关系方面一度特别有名。这种旧时代的同性亲密关系，经受住了当时社会风俗和法律的考验而维持了下来，如果要放在当下来进行精准解读，其难度是众所周知的。爱丁顿的书信在他去世时都被销毁了，所以我们没有足够多的材料来理解爱丁顿的浪漫关系。

不管爱丁顿与特林布之间有没有肉体上的浪漫关系，他们在有生之年始终关系密切。他们不同的背景偶尔会带来摩擦。有一次，他们来到一家小旅店，特林布提议喝点加了杜松子酒的姜汁甜酒，爱丁顿则仍然固守从小到大所接受的严格教育，把饮酒当作禁忌，因而感到十分愤怒，并拒绝了这个提议。不过，差不多也是在这个时期，爱丁顿打破了贵格会禁烟的教规，开始吸烟。一开始，他吸烟只是为了缓解牙痛或者在考试前舒缓神经，但很快这就变成了一个伴随他一生的习惯。 ^[22]

在传说中的数学荣誉学位考试即将到来之际，像烟这样能够让人感到慰藉的东西是很有帮助的。这场残酷的考试为期四天，目的是筛选出剑桥大学里最优秀的学者。对剑桥的学生来说，这场考试就是他们在剑桥求学生涯的最高潮。这是英国一代代物理学家都曾经历过的一个仪式，会对年轻科学家的职业轨迹产生巨大影响。爱丁顿取得了最高分，获得了“高级牧马人”称号（得分最低的学生会被称为“木勺子”）。这是第一次由二年级学生拔得头筹，爱丁顿因而得到了广泛称赞，特别是在他小时候生活过的海边小城滨海韦斯顿，当地贵格会教徒们也对他广为称赞。

想到爱因斯坦时，我们脑海中出现的通常都是老年的爱因斯坦：身形消瘦，手里端着烟斗，如圣贤一般。但1900年的爱因斯坦可不是这个样子，那时的他年轻又活泼。一位朋友这样描述他：“他的短额头看起来宽得非同寻常，浅棕色的皮肤有些粗糙，大嘴巴很性感，嘴巴上面留着不那么浓密的黑色小胡子，鼻子有些像鹰钩鼻。一双棕色的眼睛，目光深邃而温柔，令人印象深刻。他的声音很有磁性，像是大提琴上跳跃的音符。” ^[23] 尽管爱因斯坦总是喜欢穿旧衣服（还总是不穿袜子），女性们还是会觉得他有让人无法抗拒的魅力，爱因斯坦也会回应女性们的这些情感。“爱因斯坦具有一种男性之美，这造成了巨大的骚动，尤其是在20世纪初期。”一位朋友评价爱因斯坦时表示。他“对于女性们，就像磁铁之于铁屑一样，充满了吸引力”。 ^[24]

爱因斯坦对一位女性特别展现出魅力。米列娃·玛里奇是开创了女性在苏黎世联邦理工学院学习物理之先河的女性之一。她出身于匈牙利的一个塞尔维亚家庭，走起路来明显有些跛脚。爱因斯坦为她着迷，对她发起了猛烈的追求攻势。他们在婚前就度过了一段充满激情的生活。在给米列娃的书信中，爱因斯坦将她称为“我亲爱的小妖精”，喋喋不休地与她探讨物理问题，还给她送上了一个个吻。

除了米列娃和格罗斯曼，爱因斯坦的朋友圈也在逐渐扩大，比如一位名叫米歇尔·贝索的朋友。他是一位工程师，比爱因斯坦年长一些，爱因斯坦喜欢与他一起弹奏音乐。最终，莫里斯·索洛文和康拉德·哈比希特也走进了这个圈子，成了爱因斯坦的朋友。他们给自己取了一个宏大的名字：“奥林匹亚科学院”。他们会聚在一起，一边喝茶吃香肠，一边讨论物理和哲学，或者一边吃着水果和奶酪，一边演奏音乐。他们聚会时总会有啤酒，但因为爱因斯坦一直都不太喜欢喝酒，所以总会拒绝。有时，他们会读亨利·庞加莱关于时间性质的论文，有时会读《堂吉诃德》。年轻的爱因斯坦是波希米亚主义的追随者。在19、20世纪之交，艺术家和作家占据了一家家咖啡馆，掀起了一场倡导波希米亚主义的社会运动，爱因斯坦对科学的追求也是这场社会运动的一部分。美、真理和爱，与能量守恒和牛顿力学都是和谐一致的。

在那个时代，物理学的关切是爱因斯坦童年时感兴趣的那些力，也就是电和磁所产生的力。在19世纪，发电机使这些力得到了最初的应用，随后一代代物理学家对它们展开了潜心研究。除了把它们应用于实际，比如电报和电灯，科学家们还致力于创造出相应理论，从而让人们可以理解并解释机器内部的工作原理。电力和磁力都可以被看作是在不进行接触的情况下对电荷的推拉，想一想年幼的爱因斯坦所看到的罗盘指针就能理解这一点了。对很多物理学家来说，“即使没有任何看得见的物理接触，也可以触发物理效应（这是个概念问题，就是通常所说的‘超距作用’）”的观点一直没有得到合理解释。为了解决这个问题，从图书装订学徒成长为实验物理学家的迈克尔·法拉第提出了场的概念。场是种看不见的实体，在能产生电力和磁力的电源和磁源周围，到处都布满了场。

即使是引入场的概念来解释前面所提到的有关“超距作用”的观点，也并不是非常令人满意。最终得到广泛认可的观点是，一定存在某种实实在在的物质支撑着这些场，这种物质就是 以太 。以太是一种看不见，又几乎摸不着的物质，存在于一切宇宙空间中，还可以穿透物质。

我们所观察到的电场或磁场实际上是这种微妙物质内部出现的拉伸或扭转状态。这就解释了超距作用（也就是说磁铁扭转了以太，以太又扭转了罗盘指针），但代价是要接受宇宙中充满了一种看不见的奇特物质。这看起来很激进，其实不然。那时，人们已经普遍接受了“存在着一种可以传播光波的光学以太”的观点。通过与只能存在于空气中的声波进行类比，科学家们得出结论，认为一定同样存在某种介质来支撑光波。因此，以太既是一种解释（告诉了我们某些现象是如何发生的、原因是什么），也是一个假说（也就是一种想法，我们可以对它所能带来的种种结果进行推演、预言和探索）。

以太兼具这两种性质，确实极为引人注目。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦运用以太概念构建了一个完备的 电磁学 理论，在深层次上将电和磁联系到了一起。这个理论中的方程式（现在都被称为麦克斯韦方程式，尽管麦克斯韦本人所写出的方程式与我们现在看到的方程式并不相同）是19世纪最成功的科学成就之一，时至今日，从手机到光纤互联网，一切也都是以此为基础的。

麦克斯韦的理论相当强大。在其众多重要的功能中，有一项就是解释了感应现象，这可能是对现代文明来说最重要的一个物理现象。当你把一个磁场移动到一个导体上方，比如一根导线上方（或者让导线穿过磁场），导线中就会出现一股电流。这实际上就是当今的发电原理。除非你家由太阳能供电，或者你身在户外，否则你现在读这本书时所用的灯光几乎可以肯定是靠电磁感应现象供电的。一切发电机，不管是用煤、天然气还是核能，以及一切电动马达，说到底不是磁铁在导线旁运动，就是导线在磁铁旁运动。麦克斯韦不仅解释了感应现象，还预言了一个奇特的新现象。麦克斯韦的理论认为，电荷和磁铁本身并没有那么重要，实际上是电 场 和磁 场 （不要忘了场被认为是以太的某种状态）实现了感应现象。当某个地点的磁场发生了改变，比如拿一块磁铁靠近这个地点，那么磁场就会激发出一个电场。当一个电场发生了改变，比方说额外连接了一块电池，那么电场就会激发出一个磁场。因此，在某些特定情境下，电场和磁场可以与各自的源头相分离，并且相互激发。如果用显微镜观察，会看到能量像跳舞一样在电场与磁场之间往复运动。麦克斯韦用数学表明了这样一团做着往复运动的能量可以以波的形式在以太中运动，运动速度可以高达令人震惊的每秒186 292英里（约合299 807公里）。

麦克斯韦注意到这恰好是光速，并认为这绝不是巧合，因此得出光其实就是电磁波的结论。我们用眼睛所看到的，仅仅是以太中的一种特殊振动。以太中可能还有许多其他种类的振动，比如我们现在所说的无线电波就是由德国物理学家海因里希·赫兹于1888年在实验室中发现的。

因此，在1900年前后做物理研究就意味着踏着麦克斯韦的脚印前进。一位优秀的理论物理学家就要对麦克斯韦方程式进行深入研究，并思考以太在某种特定情境中（比如当处在无线电发报机内部时）的物理行为。针对这样的特定情境，理论物理学家要建立特定的方程式来进行分析，找出可以在实验室或工程领域看到的可能结果。

当时的科学书籍里写满了这样的内容。还处在青春期的爱因斯坦常常躺在家里的长沙发上聚精会神地阅读此类科学书籍。他会陷入关于以太行为的深沉思考，对以太的各种属性感到疑惑。大约十六岁的时候，爱因斯坦有一次又陷入了沉思，接着突然就想到了一个问题：如果自己跟随一条电磁波以光速奔跑，会发生什么？如果自己以10英里每小时的速度奔跑，身边有一列火车也在以同样的速度前进，那么，火车最终看起来会是静止的。这是伽利略提出的伟大洞见（尽管伽利略使用的是船而不是火车），并常常被称为相对性原理。从本质上说，这个原理表明运动是相对的，也就是说，对于站在站台上的人来说，坐在火车上的人看起来是在运动的，但是如果火车上的乘客说自己是静止的，而站台上的人在运动，也完全是有道理的。

爱因斯坦想要知道，如何可以把这个原理运用到在以太中运动的电磁波上。麦克斯韦方程式描述了磁场或电场交替在以太这种普遍存在的物质中以光速运动时所产生的一条电磁波。因此，如果爱因斯坦跟随这条电磁波以相对于静止的以太为光速的速度来运动，那么这条电磁波看起来就不应该是在运动。就像跟火车一起奔跑的那个人一样，这个跑步速度不输电磁波的人会看到电磁波静止在了原地。毕竟这似乎是伽利略的思想实验会得出的结论。但是，爱因斯坦意识到麦克斯韦理论无法解释这样一条静止不动的电磁波。这个理论中的方程式都无法描述静止的电磁波。正是那些不断变换的场的性质决定了电磁波必须是运动的。因此，伽利略的论断，也就是运动总是相对的、任何一个观察者都不能说自己是“真的”在运动，而别人没有运动，是不能直接拿来套用到电磁世界的。以太似乎成了一种 绝对 参照物。如果有人在以太中运动，那么根据身边电磁波的飞速移动他就可以确定自己是 真的 在运动。爱因斯坦意识到物理学对以太中运动的理解存在问题。

爱因斯坦当然并不是唯一一个意识到这一点的人，很多伟大的物理学家也都在进行相关研究，想要找到解决这些问题的方案。爱因斯坦最欣赏荷兰物理学家亨德里克·安顿·洛伦兹的研究。洛伦兹从理论层面对麦克斯韦物理学进行了精湛的延伸，把其中的方程式与刚刚被发现的电子联系了起来。爱因斯坦和他的朋友们会热切讨论洛伦兹和其他物理学家的研究，仔细研读发表在权威期刊中的论文，比如声誉极高的德国期刊《物理年鉴》中的论文。

像《物理年鉴》这样的期刊是科学赖以生存的血液。如果有人做了新的实验或找到了新的理论解释，那么只有他与别人分享后，这些成果才真正有意义。有时，这样的分享可以通过诸如会议一类的活动面对面地进行。组织这些活动的科学机构通常都按国别建立，比如德国物理学会、法国科学院，或者英国皇家学会。然而，并不是人人都有机会参加这样的活动，以及谁又愿意为了参加这样一次活动而等上一年呢？因此，这些科学组织通常都会出版期刊，让科学家们有机会发布最新研究成果。这样一来，像爱因斯坦这样的学生，或者远离科学研究中心的人们都可以通过订阅期刊来了解最新科研成果。从很大程度上说，这些期刊覆盖了科学的全部疆域。有了这些期刊，法国科学家会感觉自己好像也参与了在德国进行的研究，他们会看到最新的科学发展，并贡献自己的想法。

发表在这些期刊中的论文给爱因斯坦创造了很多与米列娃和贝索进行争论的话题，比如电磁光学方程式、数学变换的有效性，以及如何对使用巨型电线圈所进行的实验进行正确解读。很多论文都是对以太理论的有益拓展和变形。洛伦兹尝试对整个系统进行全面审视和修改，并提炼出其中最为基础有效的原理。在整个研究过程中，洛伦兹展现出了精湛的技艺，几乎没有科学家可以与他相媲美。尽管并没有人真正质疑以太理论，但随着科学的发展，逐渐出现了许多与以太理论有关的谜题。是以太假说造就了物理学领域中最大的成就，让物理学从电气化时代进入了无线电时代，这个假说怎么可能是错的呢？不过，即使是洛伦兹，有时也会感到失意沮丧。他写下了一系列现在被称为“洛伦兹变换”的方程式，如果运用这些方程式，同时又接受“当人在以太中运动时，对时间和空间的测量会发生变化”的可笑假说，那么很多谜题就迎刃而解了。但洛伦兹向读者保证这个想法只是为了方便数学计算并最终得到正确计算结果，因此不应该太当回事。

爱因斯坦常常整日沉浸在这样的研究中。他甚至设计了一个实验来测量地球在以太中的运动（也就是所谓的以太漂移）。然而，为了进行这样前沿的物理学研究，这位年轻的科学家需要首先满足科学世界的常规要求，那就是必须获得学位。爱因斯坦常常和米列娃一起专心学习。他经常因为不跟米列娃打招呼就把她的物理书带走而道歉，但他又有忘带公寓钥匙的习惯，所以想把被带走的书再找回来就变得非常困难了。到了毕业考试，满分6分，爱因斯坦得了4.91分，在所有顺利毕业的人中是最低分。米列娃只得了4分，没有得到文凭。她虽然很沮丧，但并没有被打败，1901年春天，米列娃继续学习，而爱因斯坦则用这段时间来思考自己要过什么样的生活。 ^[25]

他曾希望到某个物理实验室去做助理。大多数苏黎世联邦理工学院的毕业生都可以得到这样一份工作，爱因斯坦却不行。要取得这样一个职位，最主要的一个条件是一封由学校导师写的推荐信，导师通常都会在信中对申请者的职业操守和责任心进行一番赞扬。对爱因斯坦的导师们来说，“这条懒狗”逃课的事迹都还历历在目，因此他们都拒绝帮爱因斯坦写推荐信。看着信箱渐渐塞满了拒信，爱因斯坦开始怀疑这是自己的主要推荐人韦伯教授故意从中作梗。

刚刚走出大学校园的毕业生在找工作时本就会产生一些焦虑情绪，然而，爱因斯坦还承受着额外的压力。当时，米列娃已经怀孕了，但他们还没结婚。爱因斯坦的母亲一想到儿子要娶一个塞尔维亚女人，而且这个女人还没有工作，就深感痛苦，还把这种痛苦明明白白地表现了出来。就在爱因斯坦忙着安抚家人情绪时，米列娃回到了诺维萨德，生下了她和爱因斯坦的女儿，取名莉赛尔。爱因斯坦定期给母女二人写信，告诉她们他一个人在各地奔波时忘了带睡衣、牙刷、梳子等等。 ^[26]

爱因斯坦从来没有见过这个女儿。我们也不知道她后来命运如何。她曾得过一次猩红热 ^[27] ，可能因此去世了，或是被别人领养了，也有可能是送给家里其他亲戚去抚养了。米列娃独自一人回到了瑞士，与爱因斯坦在1903年1月6日登记结婚。婚礼结束后，他们两人回到爱因斯坦租住的公寓，结果爱因斯坦发现忘带钥匙了，于是，他们不得不叫醒了房东。 ^[28]

幸运的是，尽管爱因斯坦没能在物理学领域找到一份工作，但还是找到了养活新婚妻子的办法。在朋友格罗斯曼的父亲的帮助下，爱因斯坦在位于伯尔尼的瑞士联邦专利局获得了一个三级技术专家的职位。这个职位主要是处理发明和工业领域的日常琐事，专利局长对于这个顶着一头乱发的理论学者能否做好这份工作多少有些心存疑虑。不过，爱因斯坦从小到大身边从来不缺电表和发电机，因此十分喜欢与机器打交道。他喜欢站在办公桌前，对复杂的发明申请文书抽丝剥茧，最后简化成一个问题：这个机器的根基是不是一个行得通的基本原理？多年以后，当爱因斯坦饶有兴趣地回忆专利局的时光时，他说这份工作对塑造他解决科学问题的独特方法很有帮助：“这段经历加强了我多方位思考的能力，也是激励我进行物理思考的重要因素。” ^[29]

进入瑞士的联邦官僚体系工作只是爱因斯坦融入新家园的动作之一。此时，他已经加入了瑞士国籍，甚至申请在瑞士服兵役，因而参加了体格检查。考虑到爱因斯坦对德皇威廉二世的军队非常厌恶，这个举动着实出人意料。不过，体格检查显示他有静脉曲张、扁平足、汗脚，因而被判定为不适合入伍，必须支付一小笔补偿金。 ^[30] 此后，爱因斯坦一生都在坚持按时缴纳这笔补偿金。

爱因斯坦发现伯尔尼这座城市非常迷人。在写给米列娃的一封信里，爱因斯坦对其充满了赞美之情：“这是一座古老而又精致的城市，让人感到非常安逸，这里的生活可以与在苏黎世完全一样。街道两侧绵延着古老的拱廊，这样即使是下大雨，你也可以从城市的一端走到另一端而不被明显淋湿。这里居民的家中也都干净得不同寻常。” ^[31] 1903年夏天，爱因斯坦和米列娃搬进了一套位于一条美丽老街上的公寓。第二年，他们的第一个儿子汉斯·阿尔伯特便在这里出生了。

对爱丁顿来说，他的未来似乎不会有婚姻和孩子，这让他的家人非常担心。爱丁顿与家人进行了多次气氛紧张的对话，明确拒绝了与一位名叫艾米琳·叶茨的姑娘（她的哥哥莱克斯经常与爱丁顿一起游泳）结婚，然后就重新专注于科学研究了。因为在数学荣誉学位考试中取得了令人瞩目的名次，爱丁顿收到了第八任皇家天文学家威廉·克里斯蒂的邀约，担任皇家格林尼治天文台首席助理。

格林尼治天文台是不列颠帝国的中心，它定义了地球上的子午线，也就是测量一切距离和时间的基准线。这个天文台对恒星运动所进行的精确测量成为绘制航海图的基础。正是在这些航海图的指引下，帝国的舰船才得以扬帆起航、乘风破浪。格林尼治天文台是全世界存在感最强、最为重要的一家天文学机构。天文学对于经济、政治、军事实力的重要意义也是毋庸置疑的。

按照传统，首席助理应由剑桥大学数学荣誉学位考试中的一位高级牧马人来担任，目的是把他们的数学技巧运用起来，为国家做贡献。奇怪的是，在 观测 天文学领域，也就是用精密望远镜观测恒星和行星并进行精确测量的领域，这些剑桥学子几乎都没有多少经验。事实上，他们所接受的教育通常更关注数学天文学和物理学，也就是用自然法则来计算作用在恒星和行星上的力，并对它们的运动进行预测。

从本质上说，这一类计算的基础是同样从剑桥大学走出来的艾萨克·牛顿爵士的研究。17世纪晚期，牛顿用一整套全新的概念和方法带来了物理学和天文学领域的革命。牛顿世界观的核心是运动定律和引力理论。运动定律描述了力与质量之间的基本关系，包括物体通常会保持现有运动状态（惯性），除非有外力作用于物体；施加的力越大，产生的加速度就越大；每个力都有一个相等的反作用力。万有引力定律从概念上来说相当简单，但产生的影响却相当丰富，包括宇宙中每一个有质量的物体都会对另一个物体施加某种吸引力，这种力会随质量增大而增大，随着两个物体间距离平方的增大而大幅减小（也就是说，两个物体间距离翻倍时，两者之间的引力会变成原来的1/4）。除了这些概念，牛顿还引入了新的数学工具，从而既可以解释和预言地球上高尔夫球的运动，也可以解释和预言天体的运动。牛顿用引力把整个宇宙都绑在了一起。

对牛顿思想的一个基本应用就是行星轨道。一个像地球这样的行星会试图在宇宙中沿直线运动，但是太阳的引力将那条直线拉成了一条椭圆形曲线，行星就在这条曲线上年复一年地运动着。仅用高中所学的物理知识就已经足以解释地球的运动了。不过，如果把太阳系中其他天体也考虑进来，那么整个计算就会变得更为复杂。为了准确预言地球的运动，不仅要计算太阳所施加的力，还要计算月球、金星、水星、火星、木星、土星等天体所施加的力，而这些天体本身也在运动，也同样会受到引力影响。这样的方程式会复杂到令人震惊，只有具备最高超技巧的人才能驾驭。要求出这种方程式的精确解实际上是不可能的，最多只能越来越精确，越来越接近那个精确解。

后来事实证明，牛顿本人所引入的数学工具基本无法胜任这样的计算，日常研究中更常用到的是由法国天文学家皮埃尔—西蒙·拉普拉斯所创造的数学工具。这个细节通常都会被忽略，因为英国科学家们总会自豪地宣称是英国人创立了成为整个宇宙根基的物理学。牛顿的理论是人类历史上最成功的一套理论，爱丁顿要想胜任在天文台的新工作，就必须绝对精通这一理论。他接受了这个挑战，并着手将引力方程式运用于一个全新的领域，也就是把银河看作一个整体，研究这个整体的运动。爱丁顿提出了“星流”概念，也就是数十亿颗在宇宙中旋转的恒星仅靠牛顿所发现的引力相互吸引，形成了状如水流一般的事物，爱丁顿试图分析这些“星流”的运动。

也许，爱丁顿专注于遥远的恒星海洋，恰恰是为了不去关注那些发生在家门口的海洋事务。与皇家天文台关系紧密的英国皇家海军，此时越来越担心海洋上会出现新的竞争对手。德国为了取得帝国霸权进行了一系列部署，其中一个步骤便是在1898年，德国海军上将阿尔弗雷德·冯·提尔皮茨提出要打造一支可以与英国匹敌的舰队。几十年来，英国的政策一直是要保持不容挑战的海上优势，因为如果控制不了海洋，整个帝国就会衰落消亡。因此，德国的造船项目被看作是一个直接而又关乎帝国存亡的威胁。这些年来，英国工业能力的增长不仅体现在数量上，在质量上也有所体现。第一海务大臣约翰·费舍尔爵士引入了更新、更强大的装备，包括“无畏号”战列舰和战斗巡洋舰。德国和英国都在这场军备竞赛中倾注了大量资源，期望获得更大、更快、武器更为精良的舰船。世界上其他大国力量也都开始紧跟两国的步伐。

除了海上力量，德国也在发展陆上军力。德国陆军装备精良、训练有素，尽管已经颇具一定体量，但如果卷入任何欧洲国家间的冲突，在人数上预计仍会处于劣势。

如果俄国和法国遵守彼此之间的共同防御条约，那么若有战争爆发，德国就要同时在两条战线上作战。雪上加霜的是，俄国正在逐渐推进陆军现代化，只要一代人的时间，就会变成一个真正的威胁。德国最高指挥部评估后认为如果战争全面铺开，那么德国将毫无胜算，但同时也赌自己可以在任何战斗初期就运用突出的作战能力将可能的敌人击败。最终，阿尔弗雷德·冯·施里芬将军确定了入侵计划。根据这个计划，德国需要快速集结军力（德国高效的铁路系统让这样的军力运输变为可能）来支持从侧面对比利时发起的进攻，然后一路推进至法国北部。一旦利用机动性优势击败了法国，所有火力即可转而向东移动，迎战集结速度更慢的俄国军队。这一计划的实施有赖于精准的时机选择和精心制订的后勤保障计划。在1871年，尽管战事艰难，但德国人还是依靠错综复杂的进攻计划取得了最终的胜利。从那时起，德国人在这方面不但没有松懈，反而更加精进了。

爱因斯坦在躲过了德国的兵役后几乎从未关注过这些军备竞赛。瑞士在外交上奉行中立政策，这意味着爱因斯坦可以全神贯注于物理学研究。他把部分精力花在了通常所说的统计力学上，也就是对原子和分子在微观层面的运动进行分析。有关分子运动的假说（当时，普通物体都是由微小粒子组成的观点还并没有深入人心）在理解热的行为方面取得了丰硕成果。爱因斯坦发现自己在进行这类分析研究所需的统计方法方面有那么一些天赋，便准备了一篇足以当博士毕业论文的分子运动论文，并且坚持不断地修改和完善。

尽管如此，爱因斯坦的科学热情仍聚焦于电磁学领域的未解之谜。有一个论断尤其萦绕在他脑海中，让他难以释怀。这个论断同样以感应现象为基础，在爱因斯坦的世界里有太多事物都以这个现象为基础。具体来说，假设有一个导线圈和一块磁铁，这是每个发电机都必不可少的两样材料。先把导线圈静止放置在看不见的以太中。然后移动磁铁，让磁铁经过导线圈。随着磁铁不断靠近，导线圈周围以太的磁场就会增强。根据麦克斯韦方程式，这个变化的磁场会创造出一个电场，电场又会推动一股电流在导线中流过。然而，如果把磁铁静止放置在以太中，移动导线圈，让导线圈经过磁铁，麦克斯韦方程式所预测的就会是一股不依赖于任何电场的电流。这两个情境之间存在一种不对称，这让爱因斯坦很有挫败感。在两个情境中，可以观察到的现象是一样的，都是导线圈和磁铁移动经过彼此，但现象背后的物理学解释却不同，一个是电场，另一个则是磁场。也就是说，就“是什么”而言，这两个情境是相同的，但就“为什么”而言，它们又是不同的。

爱因斯坦对于对称这一 美学 标准的运用具有十分重要的意义。这意味着让爱因斯坦最终发现相对论的那个推理链条并不是从某个特定实验或数学计算开始的。它其实是从一种对于宇宙应该是什么样子，科学解释应该看起来是什么样子的感觉开始的。如果在可以看到的现象与用来解释现象的概念之间存在这种背离，那看起来似乎是不对的。爱因斯坦并不是自然而然地就提出了这些反对意见，而是经过多年反复仔细琢磨思考的结果。不过，现在我们已经了解了是什么触发了这场推理雪崩。关键点在于两位哲学家。

爱因斯坦热爱阅读哲学，也喜欢跟朋友们就哲学问题进行论辩。尽管他们所关注的是科学，但对他们这代人来说，学术训练仍然是一个宽泛的概念，而且人们通常认为专业技术知识应该是根植于人文学科的。对他们来说，认识论，也就是有关我们是如何获取知识的学问，似乎是物理学的基础之一。他们读牛顿，也读康德。他们阅读的哲学书籍中就有大卫·休谟的一本经典著作。休谟是18世纪苏格兰哲学家，以反传统而著称，他最著名之处在于极为激进地质疑一切，从神迹到因果律无一例外。休谟认为我们的一切想法、观点都来自感官印象，而对于任何无法被直接体验的实体，我们都需要进行严密审视。

在休谟的影响下，爱因斯坦有一段时间对恩斯特·马赫的著作很感兴趣。留着浓密络腮胡子的马赫是奥地利物理学家、哲学家，提出了通常所说的“实证主义”。马赫认为，科学概念不但应该以直接经验为基础，还尤其应该以测量为基础。举个例子，就“力”而言，不应该仅仅谈论力本身，事实上，应该具体谈论力是如何 被测量的 （通过运用弹簧秤、天平等等）。他提醒人们，科学家在坚持某个观点时通常并不是出于找到了充分理由，而仅仅是出于传统和习惯，因此很有必要用批判的眼光来审视我们所有基础概念的根基。爱因斯坦记住了这一点。我们一旦忘记了这些想法、观点的起源，未来的一切进步可能都会构建在一个危险而不稳定的基础之上。爱因斯坦曾对贝索说，他位于马赫和休谟之间，首要任务是把隐藏在物理学中的害虫全部消灭。 ^[32]

因此，爱因斯坦之所以觉得前面两个情境中的不对称是不合理的，根源其实是一个马赫式的问题：我们如何测量这些电磁现象？或者，如果是休谟，那么问题会是：我们对感应的实际 体验 是什么？爱因斯坦这个发电机制造商的儿子给出的回答是：我们可以测量电流。我们看不见以太，但可以看到磁铁和导线圈彼此靠近，接下来，如果此时有一个测量电流的仪器，那么仪器中的指针就会移动，如果还有一盏电灯，那么灯泡就会亮起来。我们甚至不可能确定磁铁和导线圈到底是哪一个真正在移动，因为根据伽利略的相对性原则，两者中的任意一个都可以被看作是在移动的，就像分别坐在火车上和站在站台上的两个观察者一样。如果我们仅考虑运用电气设备可以测量什么，情况确实如此。不管是磁铁在运动还是导线圈在运动，我们都会看到相同的电流。但我们要判断到底是磁铁在运动还是导线圈在运动，就必须详细分析我们是如何对这个运动进行测量的。爱因斯坦意识到自己需要一种新的思考方式来解释这些模糊之处，让物理学贴近那些可以直接观察到的结果。

这一想法所激起的火花持续了几个星期，爱因斯坦将这段时间称为“一场斗争” ^[33] 。1905年5月中旬的一个夜晚，关键的时刻来了。那天晚上，爱因斯坦先与贝索就这些问题进行了疯狂讨论，然后就陷入了思考。到了第二天，爱因斯坦见到贝索时，只说了一句话：“谢谢你，我已经把问题彻底解决了。”他表示关键是对时间的分析。 ^[34] 历史学家彼得·伽里森已经用丰富的证据证明了这个关键时刻并不是侥幸的结果。在1905年，居住在瑞士就意味着沉浸在当时的尖端技术之中。在公共场所的建筑物里，钟表随处可见。火车的运行由电气时间信号来协调控制。爱因斯坦每天都要从公寓走到专利局办公室。在路上，他总会从伯尔尼最著名的钟表下经过。在办公桌旁，爱因斯坦每天所要做的就是检查一个又一个用来测量时间、标记时间或是调整对时的仪器。

因此，当爱因斯坦指出时间是关键所在时，他的意思其实很明确。坐在专利局办公室里的爱因斯坦，处在休谟和马赫的交会之处，他所说的“时间”指的就是一个特定的事物：钟表。如果把时间当作一个抽象或形而上的概念，是无法得到接受的。一个科学的、实证主义者的时间概念需要以测量时间的方式为基础来构建，仅此而已。

爱因斯坦相对论的核心就是这样一只非常奇怪的钟表。而依据任意一种不断循环的物理过程，比如太阳的运动、钟摆的摆动，或是数字手表中石英石的振动，我们都可以制作一只钟表。为了理解相对论，我们可以假设有一只 光子钟 ，它所依据的循环过程就是光子脉冲在两面镜子之间的往返运动。每当脉冲完成一次循环，钟表就会嘀嗒走一下，表示一秒钟过去了。重点是要注意这并不是一只真正的钟表（如果是真正的钟表，那会比地球还要大得多）。爱因斯坦提出的是一个“思想实验”。这里的 思想 是指整个实验完全发生在人的脑海中。 实验 意味着在开始之前你并不知道会有怎样的结果。这是一个严密而谨慎的思考过程，从某个最初的想法或假设开始，一直持续到得出最终结果，这与爱因斯坦那本“神圣的几何学小书”的风格颇为相似。做这个实验，你不需要实验室或设备，只需要想象力和有序的思维。

爱因斯坦的科学论文《论动体的电动力学》发表于1905年6月，是我们现在所说的狭义相对论的首次亮相。如果爱因斯坦想用这篇论文来激怒其他物理学家，那么他的目的达到了。这篇文章里没有脚注，没有参考其他论文，仅用一个简短的注释对他的朋友贝索表示了感谢，感谢他与自己聊天，给了自己很多帮助。整篇论文不以实验为起点，也不以某个现有理论为基础，而是从爱因斯坦对磁铁—导线圈情境中不对称现象的不满开始。接下来，爱因斯坦提出了两个假设，其后续的思想实验将依据这两个假设展开。第一个假设是，对任意惯性参考系（“惯性参考系”是一种专业的说法，指的就是保持静止或以匀速进行惯性滑行）中的观察者来说，自然法则应该是相同的。爱因斯坦认为这其实就是对伽利略相对性原理的一个简单延伸，如果坐在火车上的观察者与站在站台上的观察者确实是等价的，那么这个假设就应该成立。确实，在1905年，几乎没有科学家会反对这一点。这其实就是说并不存在某个人能适用正确的自然法则，而其他人不能的情况。如果用物理学的语言来描述，那就是不存在“享有特殊地位的参考系”。说得更简单一点，这个假设是说每个人都必须认可自然的基本运转方式。

第二个假设是说，对于处在惯性参考系中的所有观察者来说，光速应该是相同的。这似乎恰恰与我们的日常经验相矛盾。举个例子，如果我从一列飞驰的火车上抛出一个球，那么火车的速度与我抛球时给球的速度将叠加在一起，因此在这种情况下，球的运动速度就会比我在站台上把它抛出时的运动速度更快。同样的，如果我在火车上打开手电筒，那么火车的速度当然应该与光束的速度相叠加？这就回到了少年爱因斯坦曾经想象的那个场景，也就是他在一束电磁波旁以相同的速度奔跑，然后看到电磁波静止了。如果第二个假设是成立的，那么不管爱因斯坦如何奔跑，旁边的这条电磁波总会看起来是以每秒186 292英里的速度在运动。尽管这很奇怪，但爱因斯坦请读者保持耐心，继续跟随他向下推理。

现在，有了两个假设后，让我们再来看一看光子钟。假设有爱丽丝和鲍勃两位朋友，我们给他们每人一只光子钟。作为合格的瑞士公民，他们两人首先对了对表，也就是说，两人的光子钟总会在同一时刻嘀嗒响起。具体来说，他们对光子脉冲进行了一段时间的观察来确定二人事实上是同步的。然而如果我们让爱丽丝坐上一列飞驰的火车（火车在做惯性滑行，所以爱丽丝仍然在一个惯性参考系中），奇怪的事情就开始发生了。当火车经过鲍勃所在的站台时，爱丽丝与鲍勃会对比两人的光子钟。鲍勃看到自己的光子脉冲在运动时是直上直下的（光子钟在上方），但是当他通过火车上的镜子观察爱丽丝的光子钟时，却看到她的光子脉冲 在运动时是有夹角的 （光子钟在下方）。

这就意味着，就鲍勃的观察而言，爱丽丝的光子脉冲所运动的距离要 大于 他自己的。这个现象的自然解释很简单，那就是火车的运动改变了光的运动速度，与前面所举的那个在火车上抛球的例子一样。这样一来，多出来的距离就得到了解释，两只光子钟仍然会在同一时刻嘀嗒响起。然而，此时爱因斯坦的第二个假设突然出现了，鲍勃想起光的运动速度是 不变的 ，甚至在运动着的火车上也不能改变，也就是说，爱丽丝的光子脉冲要用相同的速度运动更远的距离，因此，鲍勃的光子脉冲首先结束了一个循环，他的光子钟会先于爱丽丝的光子钟嘀嗒响起。鲍勃意识到在此之前，爱丽丝的光子钟已经与自己的光子钟调整到完全同步的状态了，现在却走得慢了，这让鲍勃非常震惊。

对此，鲍勃会本能地表示自己的钟是准确的，是爱丽丝的钟不准。他认为爱丽丝的钟走得不准是因为她在运动。此时，爱因斯坦的第一个假设就要发挥作用了，根据这个假设，不管是鲍勃还是爱丽丝，都不能说自己才是真正在“运动”的那一方。根据伽利略的相对性原理，爱丽丝完全可以说自己所在的火车是静止的，是站台在运动。接下来，爱丽丝就会按照与鲍勃刚刚完全相同的链条往下推理，最终得出结论，是 鲍勃的 表走慢了。现在，根据相对论，两人都是对的，而这就是相对论不合常理的核心之所在了。就观察光子钟而言，不存在某一个特定正确的位置。任何一个观察者都会发现运动中的钟表会比他们自己的钟表走得慢。鉴于时间不过就是钟表的嘀嗒，仅此而已，那么时间本身就随运动发生了变化。

如果时间真的发生了变化，那么我们就处于一个奇怪的境地了。对于两个事件是否是同时发生，人们可以有不同的意见。两个相同的双胞胎会发现彼此年龄不同。我们对周围世界最基本的体验，也就是对时间流逝的体验，突然变成了相对的。

结束了对时间的分析，爱因斯坦接下来对空间进行了完全相同的实证主义分析。人们如何测量空间？运用测量杆，比如尺子等。就像我们在前面用光子钟测量时间的推理过程一样，现在用一根测量杆对空间进行测量，并进行后续一系列推理，最后得到的结论会是测量杆的长度随着运动速度的加快而 缩短 。因此，就如同时间的流逝似乎变得更慢，长度则似乎被压缩了。前一个现象被称为时间膨胀效应，后一个被称为长度收缩效应。如果针对质量进行更进一步的马赫式分析，那么得到的结论会是质量也随观察者运动速度的变化而变化（这一计算有一个有趣的结果，可以用一个简单的方程式 m = L / c ² 来表示，今天这个方程式通常被写作 E = m c ² ）。

从表面上看，爱因斯坦的两个假设是对于科学之普遍性的基本表述。它们保证了所有科学家，不管秉持怎样的态度，都有能力发现麦克斯韦方程式或是牛顿引力定律。但是，爱因斯坦用光子钟所做的思想实验则表明，要保证这个普遍性，就要付出一定代价，那便是尽管科学定律始终保持不变，但我们所做的测量，包括对时间、空间和质量的测量，全都会被影响。运动会让它们都发生改变。鉴于运动是相对的（这一点要归功于伽利略），时间、空间和质量本身就都是相对的了。自牛顿以来，这些范畴一直被认为是不可变而又绝对的（被康德所证明），但现在，已经不再如此了。

要反驳爱因斯坦这些离谱的观点，有一个完全合理的说法，那就是我们从没见到这些现象发生过。当我坐地铁经过站台时，站台看起来并没有缩短。我也没有办法说服我老板，让他相信时间膨胀意味着我应该早点回家。不过，简单看一下这些公式，就可以发现为什么会这样。这些效应只有在运动速度非常非常接近光速时才能被观察到。如果我们能以光速90%的速度运动，那就能看到钟表以原本速度的50%往前走。为了让你能有个概念，我可以告诉你，人类有史以来达成的相对于地球最快的运动速度是光速的0.000 4%（那就是阿波罗10号登月舱）。甚至是今天，时间膨胀也只能用超精原子钟展示出来。在1905年，相对论是无法被验证的。

我们要意识到这些全部都是思想实验的结果，而不是在现实世界中的任何操作，这一点十分重要。爱因斯坦没有可以实际进行的试验，也没有可以得到有效验证的预言。他所能做的最多就是表示自己的理论可以与某些实验的怪异结果相 一致 。这些实验包括旨在测量地球在电磁以太中运动的一系列以太漂移实验，其中在今天最为著名的是迈克尔逊—莫雷干涉仪实验。这类实验总会返回通常所说的“零结果”，也就是地球在以太中没有明显运动。这一点一直都解释不通。由于地球年复一年围绕太阳运动，地球在以太中运动的方向应该始终在变化才对。

这类实验的零结果才是真正的谜题。然而，爱因斯坦的新理论给出了一个解释。以太漂移实验把以太当作绝对参考系，是这个宇宙中真正静止的一个地方，所有运动都可以在这个参考系中被测量。爱因斯坦认为这是不可能的，因为如果我们想让自然法则具有真正的普遍性，那就不可能存在这样一个地方。根据狭义相对论，任何以测量绝对静止为目标的努力都将以失败告终。在实证主义者看来，以太本身就不是个科学的概念，因为它不能被测量。正因如此，瑞士伯尔尼专利局这位从未从事过任何科研学术工作的二十六岁职员不再理会这个在19世纪物理学中具有基础性地位的假说了，并认为它完全是多余的。以太不是错误的，也没有被推翻，只是多余的，不再被需要了，而这正是出于爱因斯坦对宇宙对称的执着追求。

爱因斯坦能够独自得出这样的结论，是非同寻常的，也有人对此表示了怀疑。毫无疑问，米歇尔·贝索不可能是爱因斯坦唯一的伙伴。协助者中会有米列娃吗？毕竟她自己也是物理学家。在最初发现相对论的过程中，她一定扮演了某些角色。甚至，也许最初爱因斯坦就是窃取了米列娃的理论，然后逐步发展成了自己的理论？支持这种观点的证据说到底只是爱因斯坦曾在书信中使用过“我们”一词。有一次，爱因斯坦在给米列娃的信中提到“我们关于相对运动的研究” ^[35] 。而在其他信中，他曾提到过“我们关于分子力的理论” ^[36] 。但除此之外，也就没有其他证据了。似乎很明显，在这里，“我们”就像“我们当时讨论的那个理论”中的“我们”一样。米列娃从来没有表示过爱因斯坦的某个研究成果应该是属于她的。她当然是爱因斯坦各种想法的一块回音板，就像贝索和格罗斯曼一样，如果这三人中有任何一人缺席，狭义相对论毫无疑问会是另一种面貌，因为爱因斯坦需要朋友，而接下来我们会一次又一次地看到这一点。不过，尽管贝索对狭义相对论的诞生有至关重要的作用，但如果说是贝索创造了狭义相对论，那会让人觉得很奇怪。说是米列娃也会很奇怪。确实没有任何理由去把爱因斯坦的任何研究成果归功于她（在离开她后的几十年里，爱因斯坦也同样成果卓著，因此他基本不可能是个骗子）。毫无疑问，米列娃作为女性身处于1900年前后的物理学界，几乎不可能取得成功。事实上，不管她自身能力如何，她所处的社会环境都不允许她有优秀的表现。但这并不意味着她的工作成果遭到了窃取。这只能说明她像当时许许多多女性一样，在一个高度男权的社会中无法获得机会。

爱因斯坦在前面提到过的分子理论是一个很重要的线索，让我们知道在这一时期，相对论只是爱因斯坦科研工作的一个方面。1905年有时被称为爱因斯坦的“奇迹年”，是这位年轻人科研成果高产到令人惊奇的一年。在这一年里，他在颇有威望的《物理年鉴》发表了6篇论文，每一篇都改变了世界。3月，他发表了一篇有关光电效应的论文，当时他对朋友们说这篇论文是“非常革命性的”。他在论文中提出了“光可以被当作粒子，也就是被称为量子的一小包能量”的概念。这实际上迅速开启了量子物理学这一全新的领域。4月，爱因斯坦的博士毕业论文带来了一种全新的方法来判断分子的大小与运动。在此之后，不到两周，他就把这些分析判断结果初步运用到了对布朗运动（也就是当时已观察到的悬浮在液体中微小粒子所进行的之字形运动）的一项分析上，并在12月运用这些判断结果进行了更为完整的分析。爱因斯坦用分子的碰撞来解释布朗运动，并预测分子的行为，准确程度令人震惊。这对那些对分子世界仍持怀疑态度的人来说，实际上是最后的致命一击。6月，爱因斯坦发表了第一篇论述相对论的论文。9月，他发表了有关相对论的第二篇论文，提出了 E = m c ² 。

通常，在一篇论文发表后，人们会产生一种一切好像是在一夜之间就被发现的错觉。但事实上，每一篇论文都是多年勤奋研究的结果。尽管如此，这些论文的集体亮相仍然吸引了学术界的关注，尤其是引起了《物理年鉴》主编马克斯·普朗克的深切关注，当时，正是普朗克批准《物理年鉴》中发表这些论文。1905年，普朗克已经是德国物理学界中最重要的人物了。年轻时的普朗克曾有一头浓密蓬乱的头发，现在都已经变成了大片秃顶，不过他那深邃的目光却并没有消失。他的理论水平容不得质疑，尤其是因为他解决了通常所说的黑体辐射（也就是热的物体是如何发出光）这一基础问题。解决这个问题的理论正是爱因斯坦进行量子计算的基础，也是我们现在所说的现代物理学的开端。

普朗克道德情操高尚，精于官场运作，且秉持保守主义的政治态度，堪称是标准的德国教授。同事们对他的“责任感和习惯于三思而后行的做法” ^[37] 记忆深刻。普朗克是无数年轻科学家的导师，而且作为物理学会的三届主席，他实际上掌控着德国物理学界。爱因斯坦的论文之所以能发表，从很大程度上来说是普朗克个人的决定，因为在那个年代，同行评审这种做法还没有诞生。尽管爱因斯坦的论文在风格上并不符合常规学术论文规范，但普朗克看到了它们的重要意义，并让物理学家们开始关注这个名不见经传的专利局职员。因此，爱因斯坦有时被称为普朗克的第二个伟大发现。 ^[38]

当普朗克发声，人们就会认真聆听。爱因斯坦有关分子运动和光量子的论文与当时正在进行的其他研究相一致，也帮助解决了多个科学领域中长期悬而未决的问题。因此，它们的重要意义显而易见。不那么显而易见的是该如何对待《论动体的电动力学》。这篇文章发表后，关于爱因斯坦提出的时间膨胀和长度收缩概念，最开始几乎没有任何回应。爱因斯坦甚至给他认为可能会感兴趣的物理学家寄去了这篇文章的复印件，其中包括剑桥的物理学家乔治·瑟尔。但是瑟尔读不懂这篇论文。读过爱因斯坦这些论文的人通常都认为它们只是为以太相关的物理学做出了一点点贡献，而并没有从整体上重新构建我们对于经验的基本分类。 ^[39]

然而，激发出普朗克兴趣的是这个理论“绝对又不变的特点” ^[40] ，也就是说这个理论让物理法则变成普遍通用的了。这可能听起来很奇怪，因为我们都习惯于称这个理论为 相对论 。爱因斯坦其实从来都不喜欢这个名字，直到1911年才开始用它来称呼这个理论。 ^[41] 普朗克撰写了第一篇分析相对论的论文。那年冬天，在柏林举行的物理学研讨会上，普朗克介绍了爱因斯坦有关相对论的论文，并让他的助手马克斯·冯·劳厄去研究相对论，同时搞清楚这个名不见经传的专利局职员究竟是何许人也。

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[1] Samuel Clemens to William Dean Howells, May 4, 1878, in Samuel L. Clemens and William D. Howells, Mark Twain-Howells Letters: The Correspondence of Samuel L. Clemens and William D. Howells, 1872—1910 , ed. Henry Nash Smith and William M. Gibson (Cambridge, Massachusetts: Belknap Press, 1960).

[2] Collected Papers of Albert Einstein (Princeton: Princeton University Press, 1987—2006), hereafter CPAE, volume 1, “Albert Einstein—A Biographical Sketch by Maja Winteler-Einstein (Excerpt),”xviii.

[3] Abraham Pais, Subtle Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 1982), 36.

[4] Albrecht Fölsing, Albert Einstein (New York: Penguin, 1997), 26. Alice Calaprice, ed., The Ultimate Quotable Einstein (Princeton: Princeton University Press, 2010), 27.

[5] CPAE volume 1, “Albert Einstein—A Biographical Sketch by Maja Winteler-Einstein (Excerpt),”xix.

[6] Calaprice, The Ultimate Quotable Einstein , 281.

[7] CPAE volume 1, “Albert Einstein—A Biographical Sketch by Maja Winteler-Einstein (Excerpt),”xix.

[8] Fölsing, Albert Einstein , 23.

[9] Quoted in Ibid.

[10] Quoted in Ibid., 24. Lorraine Daston, “A Short History of Einstein’s Paradise Beyond the Personal,”in Einstein for the 21st Century , ed. Peter Galison Gerald Holton, and Silvan Schweber (Princeton: Princeton University Press, 2008).

[11] CPAE volume 1, document 22, “My plans for the future,”16.

[12] Fölsing, Albert Einstein , 29—30.

[13] Lewis Pyenson, The Young Einstein: The Advent of Relativity (Boca Raton: CRC Press, 1985), 81.

[14] Fölsing, Albert Einstein , 57.

[15] Ibid., 53.

[16] Pais, Subtle Is the Lord , 44.

[17] Alice Calaprice, ed., The New Quotable Einstein (Princeton: Princeton University Press, 2005), 302.

[18] A. Vibert Douglas, The Life of Arthur Stanley Eddington (London: Thomas Nelson, 1956), 2.

[19] 20 June 1898. A. S. Eddington, “A total eclipse of the sun,”O.11.22/13, Eddington Papers, Trinity College Library, University of Cambridge. Courtesy of the Master and Fellows of Trinity College, Cambridge.

[20] Douglas, Arthur Stanley Eddington , 30.

[21] Ibid., 7.

[22] Ibid., 33; Eddington’s Notebook, Add. Ms. a. 48, Eddington Papers, Trinity College Library, Cambridge.

[23] Calaprice, Ultimate Quotable Einstein , 278.

[24] Ibid., 302.

[25] Fölsing, Albert Einstein , 68.

[26] CPAE volume 1, document 136, “Einstein to Mileva Maric, 8? February 1902,”192.

[27] Abraham Pais, Einstein Lived Here (Oxford: Oxford University Press, 1994), 13.

[28] Ibid., 11.

[29] Fölsing, Albert Einstein , 102.

[30] CPAE volume 1, document 91, “Military Service Book, 13 March 1901,”158.

[31] CPAE volume 1, document 134, “Einstein to Mileva Maric, 4 February 1902,”191.

[32] John Norton, “How Hume and Mach Helped Einstein Find Special Relativity,”in Discourse on a New Method: Reinvigorating the Marriage of History and Philosophy of Science , eds. Mary Domski and Michael Dickson (Chicago: Open Court, 2004), 374.

[33] Ibid., 367.

[34] Peter Galison, Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps (New York: W. W. Norton, 2003), 253.

[35] Pais, Einstein Lived Here , 8.

[36] CPAE volume 1, document 101, “Einstein to Mileva Maric, 15 April 1901,”166; CPAE volume 1, document 127, “Einstein to Mileva Maric, 12 December 1901,”185.

[37] John Heilbron, The Dilemmas of an Upright Man: Max Planck as Spokesman for German Science (Berkeley: University of California Press, 1986), 35.

[38] Ibid., 28.

[39] Andrew Warwick, Masters of Theory: Cambridge and the Rise of Mathematical Physics (Chicago: University of Chicago Press, 2003), 404—406.

[40] Pais, Subtle Is the Lord , 150.

[41] Warwick, Masters of Theory , 406. +ZnBIRoh6zWT72mD1LyG5K1HC8NwHJEEmlQ/G+LabTZx+ZHQ+D6KgpNPa6fk75x9