爱因斯坦与相对论
1. 两朵乌云
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言。在回顾过去岁月之后, 他充满自信地说:物理学的大厦已经建成,未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村”。
事情还要从19世纪下半叶说起，1870年在“铁血宰相”俾斯麦的领导下，德国(普鲁士) 赢得了普法战争，从法国得到大量战争赔款，同时迫使法国割让了亚尔萨斯和洛林两个省。当时的德国，急于从一个以农业为主的“土豆王国”，变成一个工业化的“钢铁王国”。德国的鲁尔区产煤，而紧靠鲁尔区的亚尔萨斯和洛林有丰富的铁矿，再加上大量的赔款，德国发展钢铁工业万事具备，就只欠提高冶炼技术这个东风了。炼钢的关键是控制炉温，数千度的炉温，任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度，这就大大促进了对黑体辐射(热辐射)的研究。早已完成工业革命的英国，当然也在改进炼钢技术，因此许多英国科学家和德国同行一样，也致力于黑体辐射的研究。奇怪的是，无论怎么努力，构造什么样的辐射模型，理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。不是在长波波段符合不好，就是在短波波段出现发散，即所谓“紫外光灾难”。这就是开尔文勋爵在迎接新世纪的庆祝会上所谈的第一朵乌云－黑体辐射困难。
1900年底，德国理论物理学家普朗克发现，只要认为原子吸收或发出辐射时，能量不是连续的，而是一份一份的，就可以克服“紫外光灾难”，使黑体辐射的理论曲线与实验曲线相符。普朗克简直不敢相信自己的发现，辐射能怎么可能会是一份一份的呢? 以往的物理理论都导不出这一结果。然而，只要这样做，就可使理论曲线与实验曲线相符。普朗克不能不重视这一点。他在和儿子一起散步时，激动地说，这个发现如果不是错误的，将是非常重要的，也许能够与牛顿的成就相比。然而，在公开场合，普朗克讲得极为谨慎。他毕竟已是一个世界闻名的科学家，他不希望别人看自己的笑话。普朗克在大学的学术会议上报告了自己的结果，但没有加以评论。听报告的许多学生都认为没有听到什么新东西，浪费了自己的时间。实际上，这个报告宣告了物理学的一场革命。普朗克提出了能量量子的概念，给出了著名的普朗克公式
其中 E 是辐射量子的能量，
是辐射的频率，h是一个常数，就是现在众所周知的普
朗克常数。普朗克的论文开创了量子论，标志着近代物理学的开端。
然而，普朗克的工作是不彻底的。他认为，辐射的能量仅仅在原子吸收或发射时是不连续的，一份一份的，而在传播过程中，则仍是连续的。曾有记者问他:“您说能量到底是连续的呢? 还是不连续的呢?”普朗克回答说:“如果一个人用小碗从缸里舀水，倒在水池中，你说水是连续的呢? 还是不连续的呢?”从普朗克的回答中，我们可以看出，他认为辐射本质上还是连续的，只是在原子发射或吸收辐射时，才是一份一份的。把量子化思想贯彻到底的是爱因斯坦。他认为辐射本质上就是不连续的，就是量子化的。不仅在被原子发射或吸收时，而且在传播过程中，辐射的能量都是一份一份的。1905年，爱因斯坦据此提出光子说，把普朗克的量子理论推进了一大步，并用以解释光电效应。普朗克最初对爱因斯坦的这一观点持批评态度，后来才接受下来。以上所说的，就是从第一朵乌云中降生的量子论。
第二朵乌云与光的电磁理论有关。托马斯·扬观察到光的干涉现象之后，惠更斯的波动说战胜了牛顿的微粒说。大家都认识到光是一种波动，进而又认识到，光波本质上是电磁波。人们认为，既然光是波动，就应有载体。19世纪下半叶，流行的是以太理论。以太被描述成无孔不入、无所不在的东西。人们认为以太就是光的载体。光波就是以太的弹性振动。
一个自然的问题是，当介质运动时，它附近(或者渗入它内部)的以太是否被带动? 对遥远恒星的天文观测（光行差实验）告诉人们:以太未被地球带动，迈克尔逊实验认为以太完全被地球带动(即地球附近的以太相对于地球静止)。斐索的水流实验则似乎告诉我们，以太部分地被运动介质带动。这些实验的结论互相矛盾。第二朵乌云指的就是迈克尔逊实验与光行差实验的矛盾。光行差实验的结果早已被普遍接受，与之矛盾的迈克尔逊实验又做得非常精密，可信度很高。以太怎么可能既被带动又不被带动呢? 两难之下，开尔文勋爵不得不在迎接新世纪的庆祝会上指出这朵乌云的存在。1905年，爱因斯坦－一个名不见经传的26岁的年轻人，解决了这个问题。他在一篇名为《论运动媒质的电动力学》的论文中，提出了开天辟地的新思想—相对论，抛弃了以太理论和牛顿的绝对空间。
2. 爱因斯坦
1879年，爱因斯坦诞生于德国一个犹太小资本家的家庭。这个孩子很晚才会讲话，父母都有点怀疑他智力发育不健全。上学后，除数学外其它功课成绩平平。他沉默寡言，不受老师和同学的喜爱。他不喜欢学校那种常规呆板的学习方法，却喜欢看课外的科普读物和独立思考问题。父母对音乐的热爱，使爱因斯坦从小就与小提琴结下良缘。爱因斯坦的父亲是个不成功的企业家，他在德国的工厂面临倒闭，不得不到意大利去投亲靠友。他把爱因斯坦留在慕尼黑的一所优秀中学学习。犹太血统，怀疑主义和自由思想以及对学校教育的批评态度，使校方对爱因斯坦十分厌烦，认为他的存在有损学校的荣誉和尊严。爱因斯坦也对这所学校非常厌倦。正当爱因斯坦设法找医生弄到一份神经衰弱的证明，打算申请因病休学半年的时候，校方已经迫不及待地采取了主动。他们要求爱因斯坦退学到意大利去找自己的父母，16岁的爱因斯坦愉快地接受了这一建议。他长途跋涉穿越阿尔卑斯山，一路欣赏那迷人的山水风光，幸福地回到父母的身边。
年轻的爱因斯坦热爱数学和物理，决心到瑞士去求学。他第一次投考苏黎士工业大学没有考上。于是进入瑞士的阿劳州立中学补习。这所学校给学生以充分的自主和自由。爱因斯坦一生中对学校很少有好印象，只有阿劳中学是个例外。他晚年时回忆道，“这所
学校用它的自由精神和那些毫不仰赖外界权威的教师的淳朴热情培养了我的独立精神和创造精神。正是阿劳中学才成为孕育相对论的土壤”。经过一年的补习，爱因斯坦终于如愿以偿进入苏黎士工业大学教育系学习。这是一个培养数学、物理教师的系，所开课程主要是数学和物理。闵可夫斯基、韦伯等著名数学、物理教授在那里讲课。但爱因斯坦有他自己的一套学习方法，他愿意自己去读当时一些大科学家写的名著，而不愿去听课。幸亏他的女友米列娃·玛里奇帮他记笔记。米列娃相貌平常，而且脚有残疾，是一个善良、严肃、沉静具有自由思想的塞尔维亚姑娘，是充满活力的爱因斯坦的忠实听众。爱因斯坦的另一位好友格罗斯曼勤奋认真、成绩优秀，而且在考试前的关键时刻，乐于把自己的笔记借给他用。在他们二人的帮助下，爱因斯坦才没有补考留级，并有空读了不少有用的书籍，思考了许多物理学的基本问题。但是，爱因斯坦却得不到老师的重视和喜爱。由于他不常去听课，闵可夫斯基教授对爱因斯坦没有什么印象。韦伯教授倒是对他有印象，但没有好印象。韦伯不但烦他不来听课，还认为他没有礼貌，居然称呼他“韦伯先生”，而不是“韦伯教授”。毕业时格罗斯曼等几个同学令人羡慕地留校工作，而爱因斯坦则不得不拿着文凭离开工大。米列娃连文凭都没有拿到，只拿到结业证书，因为文凭不发给妇女。
离开校门的爱因斯坦在求职过程中尝尽了辛酸。犹太血统和无神论信仰，增加了他找工作的困难。经济的拮据使得爱因斯坦不得不在电线杆上张贴广告，试图讲授数学、物理和小提琴来赚钱糊口。他曾当过补习老师，也曾为老同学帮自己找到几个月的临时工作而喜出望外。好长一段时间，他没有固定的收入。
1902年，幸运之神开始敲响爱因斯坦的门户。“伯乐”式的朋友格罗斯曼设法把他推荐给伯尔尼的发明专利局局长。在那里，爱因斯坦终于得到一个固定的工作，虽然只是最低等的三级职员，但毕竟有了一份稳定的收入，使爱因斯坦有了结婚的经济基础。同米列娃结婚之后，两个儿子相继来到人间。家庭负担的加重，使他们的经济重新拮据起来，米列娃不得不在家中为大学生包午餐挣点工钱。但是，爱因斯坦是“一只快活的小鸟”，他在艰苦的条件下，继续思考着科学中最重要的问题。人们时常看到他用小车推着两个儿子在马路上散步，并不时停下来用笔记下思考的心得。
爱因斯坦经常审理发明“永动机”的申请，这虽然费去他一些时间，但荒唐而活跃的思想也多少给他输入新的灵感。重要的是，专利局的工作使他有充分的闲暇来研究自己喜爱的东西。他把想看的书摊开放在抽屉内，无事时便打开抽屉偷看，一旦上司出现，就赶快把抽屉关上。即使在今天看来，这件清闲的工作对爱因斯坦也是再合适不过了。他的大多数成就，都是在这个职位上做出的。
最初他研究毛细现象，然后研究布朗运动、光电效应和时空理论，发表了一系列重要论文。应该说，他发表的论文总数并不算多，但质量非常高。1901年，发表一篇；1902年，两篇；1903年一篇；1904年，一篇。1905年，除去博士论文外，爱因斯坦连续完成了4篇重要论文，其中任何一篇，都够得上拿诺贝尔奖。3月，完成解释光电效应的论文，提出光子说；5月，完成关于布朗运动的论文，间接证明了分子的存在；6月，完成题为“论运动媒质的电动力学”的论文，提出了相对论(即后来所称的狭义相对论)；9月完成有关质能关系式的论文，指出能量等于质量乘光速的平方E = mc2，此关系式可以看作制造原子弹的理论基础。
爱因斯坦在1905年26岁时做出的成就，在科学史上，只有牛顿23－25岁在乡下躲避瘟疫那段时间取得的成就可以与之相比。
他提出相对论的划时代论文，充满了难懂的革命性的新思想，而只用了当时大学本科生就能看懂的数学工具，并且没有引用任何参考文献。如果放在今天，这样的文章恐怕很难通过审稿。一般的审稿人不是看不懂其中的物理内容，就是会轻视作者的数学水平，或者因作者不引文献而误认为文章的内容跟不上世界潮流，显得没有水平。爱因斯坦很幸运，这篇文章被送给水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克审稿，一下就被推荐发表在德国的物理年鉴上。此后，他又连续发表几篇论文，建立起狭义相对论的全部框架。
1915年，爱因斯坦又进一步发表广义相对论，提出时空弯曲的思想，建立起十分难懂的崭新的时空观。相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别极大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又弄不懂这伟大的内容，有人不禁想起了英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说，?让牛顿去吧，? 于是一切成为光明。 他们在后面续写道: 但不久，
魔鬼说，?让爱因斯坦去吧，? 于是一切又重新回到黑暗中。
3. 狭义相对论的提出
19世纪下半叶，麦克斯韦从以太的弹性理论导出了一组电磁场方程，不仅包括了库仑定律、毕奥－萨伐定律、法拉第电磁感应定律等所有已知的电磁学定律，而且使它们更加完备。虽然今天我们知道以太并不存在，且从以太的振动去推导电磁场方程既不正确也无必要，但麦克斯韦所得的结论还是正确的，他对电磁理论的贡献仍是伟大卓越的。 从麦克斯韦电磁方程组出发，可以得到一个重要结论: 电磁波以光速传播，而且光速是一个恒定的常数。伽利略相对性原理告诉我们，物理规律在一切惯性系中都是相同的。麦克斯韦方程组在所有惯性系中都应成立，这就是说，光速在任何惯性系中都应相同，都应是同一个常数c 。按照牛顿的观点，所有相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系都是惯性系，惯性系之间可以差一个相对运动速度v 。依照速度(矢量)迭加的平行四边形法则，电磁波(即光波)的速度如果在惯性系A 中是c ，那么，在相对于A 以速度v运动的另一个惯性系B 中，就不应再是c 了，而应是c＋v（当c与v同向）或c－v（当c与v反向）。但是，麦克斯韦电磁理论明确无误的告诉我们，光速只能是c ，不能是c＋v或c－v。那么，毛病出在哪里呢？