失业的革命者

爱因斯坦在他的一生中提出了许多革命性的想法，改变了我们看待宇宙的方式。我们总结一下，可将他的理论分成三大类：狭义相对论、广义相对论和统一场论（未完成的最伟大的科学）。

1905年，26岁，他提出了自己的第一个伟大理论——狭义相对论。对那些对科学界产生如此大的影响的人来说，他的出身是卑微的。

1900年，这位未来世界著名的物理学家发现自己没有工作，运气非常糟糕。当更知名的物理学家在著名大学讲课时，爱因斯坦申请担任教学职位遭到了各个大学的拒绝。他刚完成了自己在苏黎世理工学院的学业，靠兼职辅导挣扎着生存。他的父亲担心儿子的抑郁，写道：“我的儿子为目前的失业状况而沮丧。他越来越觉得自己的事业偏离了轨道……他认为自己是这个社会的负担，产生了很大压力。”

1902年，在一个朋友的推荐下，他获得了瑞士伯尔尼专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。尽管爱因斯坦资质过高，才能明显高于这份工作的要求，但事后看来，这似乎是上天最好的安排。

首先，专利局是一个安静的避难所，给了爱因斯坦太多时间思考，以研究自己的时间和空间理论。其次，专利局的工作要求他在发明者的通常措辞模糊的建议中提出关键想法。这教会了他如同之前的牛顿和麦克斯韦一样，如何从实物图片的角度思考，准确无误地瞄准使理论发挥作用的基本思想。

在专利局，爱因斯坦回到了一个在孩童时就困扰自己的问题：如果自己能以光速在一束光线的旁边奔跑，这束光线看上去会是什么样子？他猜测，光波会在时间上冻结，这样，人们就能实际上看到电场和磁场的驻波。

但当爱因斯坦在理工学院学习麦克斯韦方程时，他惊讶地发现，这些方程不接受驻波解。事实上，麦克斯韦方程预测光必须以相同的速度传播，不管你如何努力追赶它。即使一个人以巨大的速度前行，光束仍将以同样的速度领先于他——光波永远不会在静止时被看见。

起初，这似乎非常简单。根据麦克斯韦方程式，地球上的科学家和在火箭中超速行驶的科学家测量的光束的速度是相同的。也许，麦克斯韦本人在19世纪60年代写这个方程时就意识到了这点。然而，只有爱因斯坦明白这个事实的特殊重要性，因为他意识到这意味着我们必须改变我们的时空观念。在1905年，爱因斯坦终于解决了麦克斯韦光理论的难题。在这个过程中，他颠覆了过去的历经几千年的时空观念。

为了便于论证，假设光速为每小时101英里，每小时行驶100英里的火车与光束并排移动。事实上，在这列火车上的科学家应能测量出光速为每小时1英里（每小时101英里减去每小时100英里）。如此，科学家应能从容地仔细研究光的内部结构。

然而，根据麦克斯韦方程，以每小时100英里的速度前行的科学家测量的光速为每小时101英里，而不是每小时1英里。这怎么可能？这列火车上的科学家怎么会愚蠢地认为，光束能达到这样的速度？

爱因斯坦对这个问题给出的解决方案是古怪的，但却是正确的：他假设火车上的时钟比地面上的时钟更慢，且火车上的任何测量尺的长度都缩小了。

这意味着，这列火车上的科学家的大脑相对于地面上的科学家的大脑会变慢。从地面上某人的角度看，这列火车上的科学家测量的光束速度应该为每小时1英里，但实际上，火车上的科学家测量的光束速度为每小时101英里。因为，火车上的科学家的大脑和此列车里的一切都慢了下来。

相对论的结果——超速的物体时间必须放慢，距离必须缩短——似乎违反了常识，这是因为我们通常处理的都是远低于光速的情况。人每小时可以行走大约5英里——比光速慢得多。所以，人们出于各种目的，根据直觉会认为光速是无限的。光，可以在1秒时间内绕地球7次，从我们的观点来看，几乎可算为瞬间移动。

现在，想象一个光速只有每小时5英里的世界，相当于普通婴儿车的速度。如果光速为每小时5英里，那么，时间和空间经历了巨大扭曲将成为“常识”。例如，汽车每小时行驶不能超过5英里，而那些速度接近每小时5英里的人将会变平，像煎饼一样。（奇怪的是，这些缩小的汽车对于观察者来说不仅看起来变平了，还是旋转的。）此外，在这些汽车里变平的人看上去几乎静止（一动不动），时间似乎也冻结了（因为随着汽车的加速，时间会变慢）。当这些变平的汽车在红绿灯处减速时，会逐渐缩小长度，直到达到原来的尺寸，车内的时间将恢复正常。

当爱因斯坦1905年的革命性的论文发表时，该论文在很大程度上遭到了忽视。事实上，他提交这份文件是为了获得一份伯尔尼大学的教学职位，但论文遭到了拒绝。古典牛顿物理学家接受的是绝对空间和绝对时间的概念，爱因斯坦的建议也许是麦克斯韦方程悖论的最极端解。（仅几年后，当实验证据指出爱因斯坦理论的正确性时，科学界认识到这篇论文包含了天才的想法。）

几十年后，爱因斯坦坦言麦克斯韦对狭义相对论发展的重要性，他直截了当地说，“狭义相对论起源于麦克斯韦的电磁场方程。”

事后看来，我们意识到爱因斯坦能比其他人更深入接受麦克斯韦的理论，是因为他掌握了统一的原则，理解了潜在的链接看似不同对象的统一对称性。（对物理学家来说，对称性有确切的含义——如有一个方程，当你移动或转动它的分量时保持不变，它就有对称性。对称性是物理学家构建统一场论的最有力工具。更多详细信息，参见第7章。）例如，空间和时间（以及物质和能量）。就像牛顿发现地球物理和天体物理可通过万有引力定律统一，或麦克斯韦发现电和磁的统一一样，爱因斯坦统一了空间和时间。

这个理论证明了空间和时间是科学家称之为“时-空”的同一个实体的不同表现。事实上，这个理论不仅统一了空间和时间，它还统一了物质和能量。

乍看之下，在表面上，似乎没有什么东西的差别会比一个丑陋的岩石和灿烂的光芒的差别大。然而，表观具有欺骗性。爱因斯坦首先指出，在某些情况下，即使一块岩石（铀）也能变成一束光（核爆炸）。物质转化为能量的过程，通过原子分裂以实现，原子分裂将释放出储存在原子核内的巨大的能量。在爱因斯坦的意识中，相对论的本质在于物质可以变成能量，反之亦然。