相對論和量子論
無論是對非科學家還是對科學家來說，相對論簡直就是本世紀科學革命的同義語，而對於那些知情者來說，量子論（尤其是它的發展形式量子力學）是一次更為偉大的革命。我們將看到愛因斯坦作為科學家的偉大之處，他對這兩場革命都做出了根本性的貢獻。
談到相對論，我們必須記住有兩種不同的相對論理論：一是狹義相對論（1905），它研究時間，空間和同時性問題，由此推導出著名的質能關係式E＝mc2。二是廣義相對論（1915），它研究引力問題。盡管兩種相對論都是革命性的，但對相對論革命的探討主要集中在狹義相對論的結果上。然而，真正促成全世界對狹義相對論引起重視的事件是1919年廣義相對論的一個預言——星光經過太陽附近時，會因太陽引力場的作用而發生偏轉——獲得了證實。這次驗證是在一次日蝕時進行的天文觀測完成的，這一事件立即使相對論風靡全世界，而愛因斯坦也一夜之間成了家喻戶曉的人物。
狹義相對論
愛因斯坦於1905年首次提出狹義相對論原理，論文發表在《物理學年鑒》上，同年，他對狹義相對論作了重要補充，並為輻射問題建立了最初形式的質能關係式。1907年，愛因斯坦完成了一篇的相對論的綜述文章，其中包含一般形式的質能關係式E＝m2。他的卓越論文建立了全新的質量，時間和空間概念，並向明顯簡單的同時性觀念提出了挑戰。最初，愛因斯坦提出了“相對性原理”，並引進了“另一個假設”：“在任何給定的慣性係統中，無論發光物體是處於靜止狀態還是在作勻速運動，光在真空中的傳播速度都是一個確定值C”。相對論的偉大意義在於，它拋棄了“絕對”時空觀以及空間充滿了以太的思想；而在當時，以太被視為是光和其它形態電磁波的傳播媒介。
現在看來，1905年6月愛因斯坦關於相對論的開創性論文在《物理學年鑒》上發表，是理論革命階段的典型例子。我們已經看到，M.玻思1905－1906年間在哥廷根研究“運動物體的電動力學和光學”時，竟然從未聽說過愛因斯坦和他的工作。1906-1907年間，英國劍橋大學的情況亦是如此。根據愛因斯坦妹妹的回憶（佩斯1982，150-151），愛因斯坦當時“想象在有名的，擁有眾多讀者的雜誌上發表論文，便會立即引起注意”。當然，他期望“強烈的反對和最嚴厲的批評”，但缺少反響和“冷處理”反而使他“非常失望”。不久，他收到M.普朗克的一封信，就論文中幾處疑點提出問題，這使愛因斯坦感到“異乎尋常的高興”，因為普朗克是“當時最偉大的物理學家之一”。相對論後來迅速變成了物理學家感興趣的議論和研究課題。這種戲劇性轉變主要是由於普朗克較早且較深入地介入了相對論研究所引起的。愛因斯坦論文發表的第二年，普朗克就開始在柏林講授相對論理論，但他當時講演的基礎不是愛因斯坦的工作而是洛倫茲的電子論。1907年，普朗克的助手馮·勞厄（後來的諾貝爾獎金獲得者）發表了一篇關於相對論的專論。
1906年9月，普朗克在德國物理學會上發表了關於相對論的演講（同年刊登在雜誌上）；1907年，在普朗克的指導下，K.V.莫森格爾完成了第一篇專論相對論的博士論文（佩斯1982，150-151）。佩斯指出，早期介入這一領域的人實在是太少了。烏爾茨堡的Y.勞布和布萊斯勞（烏羅斯勞）的L.拉登伯格是為數不多的幾個例外。勞厄曾經來到伯爾尼拜訪愛因斯坦，他發現難以置信的是，這個‘年輕人”竟然是“相對論之父”。幾年後，馮·勞厄撰寫了一篇非常出色的介紹相對論的學術論文。馮·勞厄在1917年3月24日寫給愛因斯坦的信中，表達了對自己的物理學革命性工作的興奮之情：“終於實現了！我的關於波動光學的革命觀點發表了”。他接著寫道：在“這一緊要關頭”，它們“無疑會激起每一個保守的物理學家最強烈的憎恨”；但“我仍然要堅持這些備受譴責的觀點”。
除了隊玻恩自己介紹了他是怎樣每一次聽說相對論的之外，我們還從L.英費爾德那裏了解到當時的一些情形。英費爾德（1950，44）曾談到他的朋友S.洛裏亞教授告訴他的一件事，洛裏亞的老師“克拉克大學的維特科夫斯基教授（他是一位非常偉大的教師）”讀了愛因斯坦1905年關於相對論的論文後，衝著洛裏亞興奮地喊道：“讀讀愛因斯坦的論文吧，又一個哥白尼誕生了！”又過了一段時間（玻恩說是1907年）洛裏亞在一次物理學會議上遇到了玻恩，他向被恩談起愛因斯坦，並問他是否讀過那篇相對論論文。結果，“不光是玻恩，在場的每一位都從未聽說過愛因斯坦”。英費爾德的故事說，他們立即“跑到圖書館，從書架上取出《物理學年鑒》第17卷，開始讀起愛因斯坦的論文”。英費爾德說，M.玻恩立即認識到相對論的偉大，同時感到有必要對它進行數學形式化。英費爾德認為，玻思後來對相對論的研究工作，“是早期對這一科學領域做出的重要貢獻”。
最初，表示願意接受愛因斯坦狹義相對論的物理學家很少，因此不足以在世界範圍內引發一場科學革命。但德國理論物理學家中卻有一部分擁護者。1907年7月，普朗克在致愛因斯坦的信中說：“相對論原理的倡導者僅僅形成了一個不大的圈子”，由此他堅信，他們之間“取得意見一致尤顯重要”（佩斯1982，151）。“相對論原理”既體現了普朗克個人偏愛的洛倫茲理論，也體現了愛因斯坦的相對論，然而，愛因斯坦的聲望在持續增長，盡管仍然緩慢，1907年秋，J.斯塔克（《放射性和電學年鑒》的編輯）寫信給愛因斯坦，要求他寫一篇相對論的評述文章。1906年普朗克曾使用過相對性理論的術語（米勒1981，88），但1907年愛因斯坦采用了今天人們更熟悉的名稱——相對論。第一篇引用愛因斯坦相對論論文的文章是W.考夫曼1905年撰寫的。他認為愛因斯坦的“研究……與洛倫茲的研究在形式上是相同的”，隻不過後者有益於推廣。考夫曼最後說，他自己的實驗數據駁倒了愛因斯坦和洛倫茲的電子理論，我們將稍後再來研究這個問題。
lop年，B.愛倫菲斯特寫了一篇以愛因斯坦理論為主題的論文。第二年（1908），H.閔科夫斯基發表文章，把愛因斯坦理論從根本上轉化為數學形式，“大大簡化了狹義相對論”。經過這樣幾個步驟，理論革命才變成了真正的科學革命。佩斯（1983，152）指出，從1908年開始，愛因斯坦的名聲及影響迅速提高。
愛因斯坦的學術生涯開始坦蕩起來了。1909年春，他從伯爾尼瑞士專利局一個地位低微的審查員，一躍而成為蘇黎士大學理論物理學助理教授，這很明顯是由於他在固體量子論方麵所做的工作。愛因斯坦的推薦人之一寫道：愛因斯坦“當屬最偉大的理論物理學家之列”（佩斯1982，185）。“由於相對論原理方麵的工作，他正受到極其廣泛的重視”。lop年7月8日，愛因斯坦獲得了日內瓦大學的榮譽學位，同時獲得這項榮譽的還有化學家W.奧斯特瓦爾德和M.居裏夫人，他在這個職位上隻呆了兩年，1911年3月他來到了布拉格，晉升為德國卡爾·費迪南大學正教授。在那裏工作了16個月後，F.弗蘭克接替了這個職位。愛因斯坦又返回蘇黎士，擔任綜合技術學院的物理學教授。
當然，影響接受狹義相對論的困難主要是觀念上的，但也的確存在實驗上的障礙。在1905年開創性的論文的結尾，愛因斯坦推導出一個電子橫質量公式。這個公式與洛倫茲理論中的公式極其相似，其中的差異很快就被消除了。於是，這兩種理論能給出相同的結果。但是，考夫曼在分別發表於1902和1903年的論文中指出，他的實驗結果與洛倫茲理論（同樣適用於愛因斯坦理論）的預言有很大差異，愛因斯坦對這些結果無動於衷（見米勒1981，81－92；333—334）。1906年，考夫曼在《物理學年鑒》（一年前愛因斯坦發表相對論論文的同一雜誌）發表了一篇文章，詳細歸納了愛因斯坦的時空觀（米勒1981，343），並探討了洛倫茲-愛因斯坦電子理論。他總結道，他自己的測量結果於洛倫茲-愛因斯坦理論的“基本假設是不相容的”（見霍爾頓1973，189－190；234-235）。洛倫茲因此寫了一封信給彭加勒（米勒1981，334-3371982，20-21），說他自己的“心智已經枯竭”。他對彭加勒說，“不幸的是”，他的假說“與考夫曼的新實驗矛盾”，他認為“不得不放棄它”。但愛因斯坦卻堅信：實驗數據與理論間“係統誤差”的存在說明有“未被注意的誤差源”；新的更精確的實驗一定會證實相對性理論。愛因斯坦的話得到了證實，1908年，A.H.布歇爾發表了新的實驗結果，完全符合洛倫茲和愛因斯坦的預言。1910年，E.胡普卡的實驗對此再次予以確證。而決定性的結果是1914-1916年間獲得的。從那以後，各種表明相對論正確性的論據不斷出現，且極為豐富。
隨著實驗證據的出現，相對論本身進行了根本性的重構。這項工作是哥廷根大學數學教授H.閔科夫斯基完成的。有趣的是，幾年前，閱科夫斯基在蘇黎世大學教過愛因斯坦數學。1908年，閔科夫斯基發表論文，引進四維“時空”概念，取代了孤立的三維空間與外加一維時間的不相容概念，他還把相對論轉化為現代張量形式（這要求物理學家們進一步學習由裏奇和列維-西維塔建立的新的數學理論），在相對論中引進專業術語，並明確指出：由相對論觀點看，傳統的牛頓引力理論已經不夠用了（佩斯1982，152）。很明顯，愛因斯坦開始並沒有理解閔科夫斯基工作的意義，甚至認為把他的理論寫成張量形式是“多餘的技巧”（同上）。但到了1912年，愛因斯坦終於轉變過來了；1916年，他以感激的心情承認閔科夫斯基使他大大地簡化了從狹義相對論向廣義相對論的過渡。愛因斯坦（1961，56-57）後來著重強調了閔科夫斯基的貢獻，他說，如果沒有他，“廣義相對論……也許還在繈褓中”。英譯本經常采用的語句是“nofurthrthanitslongcloths”。盡管“windel”在德文中最普遍的意思是“尿布”，但這裏的含義顯然是：如果沒有閔科夫斯基，廣義相對論一定還在孕育之中。
閔科夫斯基的時空觀首次公開發表於1907年11月5日的一次演講中，演講的標題是“相對論原理”。但這篇演講直至閔科夫斯基去世後六年的1915年才出版。不過借助在1908年和1909年發表的另外兩篇論文，閔科夫斯基的時空觀已經流傳開了（加裏森1979，89）。閔科夫斯基充分認識到了他的貢獻的重要性。在1907年演講時，他開宗明義地說：“先生們，我想向諸位講述的時空觀念……從根本上是全新的，……由此，孤立的空間和時間觀念本身將注定要消失在陰影之中”。事實上，閔科夫斯基在這篇演講的初稿上，把他的新時空觀的“特征”說成是“革命的”，而且是“極端革命的”（同上，98）。可是，在講演稿最後付印時，“革命的”這類詞語被刪除了。
M.玻恩向我們講述他最初閱讀愛因斯坦論文時的經過，這讓我們了解到愛因斯坦的概念是多麼深奧難懂，甚至對於那些沒有數學問題的人也是如此。1907年，當洛裏亞向他介紹愛因斯坦論文時，玻恩正是H.閔科夫斯基大學研究班的成員，因此，“對相對性思想和洛倫茲變換很熟悉”。他回憶說，即便如此，在閱讀愛因斯坦論文時，“愛因斯坦的推理超出我的意料之外”。玻恩發現，“愛因斯坦的理論是全新的和革命性的”，是天才的創造。愛因斯坦的觀點“向I.牛頓建立的自然哲學以及傳統時空觀大膽提出了挑戰”。現在看來，玻恩確實認識到了愛因斯坦思想革命和理論革命的威力，但也清醒地看到了真正的科學革命尚未到來。新的觀念和新的思維方式仍在研究之中，要科學家們接受、應用並作為他們共同的思想基礎還須假以時日。玻恩後來明確指出，事實上，愛因斯坦理論是如此激進，如此新奇和革命，以至必須“做出相當努力才能很好地消化和吸收”。而且他還提醒我們，“並不是每個人都能夠或願意這麼做”，看來他本人當初是做到了。愛因斯坦革命要求人們普遍接受關於物質世界的全新的思考方式。
1909年美國科學家G.劉易斯和R.托爾曼發表的文章，清楚地說明了接受愛因斯坦假說的實際困難。他們承認愛因斯坦的相對性原理“綜合了大量實驗事實，沒有出現矛盾的反例”，其中他們列舉布歇爾的實驗作為支持這一理論的重要依據。然而，他們在感到相對論基本“原理”這一方麵無可挑剔時，也感到另一方麵暴露出的問題。例如，“絕對運動無法觀察到”這一普遍原理表示理解時，他們覺得相對於任何獨立觀察者光速不變的原理令人難以接受（米勒1981，251－252）。他們認為，後一原理將導致長度和時間相對性的“奇異結論”，這可能是“基於某種感官心理學上的科學幻想”。
時間一年年地過去，越來越多的物理學家終於轉變了過來。然而，他們當中有許多人隻接受愛因斯坦公式，承認“收縮性”是光速不變性引起的空間問題的基礎。但是，他們仍然堅持絕對時間和同時性的信仰（包括洛倫茲在內，見米勒1981，259）。1911年4月，法國物理學家B.朗之萬在波隆那哲學家大會上發表演說，為相對論增添了更為轟動性的色彩。朗之萬是一位卓越的科學家，愛因斯坦曾經說過，如果他沒有發現狹義相對論，朗之萬將會發現它。在討論時間相對性或鍾慢問題時，朗之萬沒有采用愛因斯坦那種利用運動時鍾和靜止時鍾解釋時間效應的費解的作法，而是用所謂的“孿生子悖論”取代了愛因斯坦的“時鍾悖論”，並立即成為眾所皆知的由相對論引出的怪物。相對論的時間問題是這樣產生的：如果一對孿生兄弟一個留在地球上，另一個去星際空間旅行，那麼當旅行的兄弟返回地球時，竟會發現與留在地球上的兄弟的年齡已經不同了。朗之萬列舉的另一個例子是，旅行者沿直線飛向一顆恒星，繞其一周後原路返回。如果旅行的速度足夠大（當然比光速小），最後旅行者將發現，在他兩年的旅行中，地球已經度過了漫長的兩個世紀。哲學家H.相格森後來承認，正是朗之萬19if年4月的演講，“第一次喚起了我對愛因斯坦觀念的注意”。
時鍾（或孿生子）悖論很快成為（在某種程度上今天仍然是）相對論使人困惑甚至招來敵意的原因。V.勞厄曾談到那些反對相對論的“思想內容”、基本公式或數學結果的人。1911年他寫信給愛因斯坦，反對相對論的共同理由“主要是時間相對性和由此產生的悖論”。勞厄在1912年寫的第一部相對論教科書中指出：這些悖論和其它有關時間相對性的問題具有“偉大的哲學意義”，正是由於這一原因，“隻能用哲學方法”對待這些問題。我們還注意到，愛因斯坦在1911年討論這一見解時，使用了理想實驗的方法。他假設把裝有“小生物的盒子”送向“遙遠的飛行旅程”，結果在它返回地球時，“盒子的內部情況幾乎沒有變化”，而留在地球上的生物已“繁衍生息許多代了”。
盡管許多人不願輕易接受愛因斯坦對物理學基本思想進行徹底重構，但他們卻已在應用愛因斯坦的數學結果了。勞厄（和另一些人）曾指出，這些數學結果在形式上和洛倫茲理論的結果是一致的，但它們的‘物理本質’禦有差異。勞厄甚至宣稱（1911），兩種理論的“實質差別是不可言喻的”。但人們很快就認識到愛因斯坦的理論更加優越，特別是在廣義相對論建立之後，狹義相對論的重要性尤其顯露出來。
大約到了1911年，愛因斯坦的狹義相對論已經有了數量足夠多的擁護者，一場科學革命發生了。同一年，A.索末菲宣布，相對論理論已經“完整地建立起來了，它不再是物理學的前沿了”（米勒1981，257）。1912年初，剛剛獲得1911年度諾貝爾物理學獎的W.維恩建議，授予愛因斯坦和洛倫茲這項最高獎賞。他在推薦書上寫道：從“邏輯的觀點看”，相對論原理“應當被看作理論物理學最重要的成就之一”（佩斯1982，153）。他說，目前已有“實驗明確證實了這一理論”。他總結說，“洛倫茲是發現相對論原理數學內容”的第一人，而愛因斯坦則“成功地將相對論簡化為一個簡單的原理”。
當然，並不是所有物理學家都接受這一革命性的新觀念。範德瓦爾斯在1912年說，至今還不能解釋為什麼質量和長度隨著速度的變化而變化（米勒1981，258）。除了時間相對性引起悻論外，在否定絕對長度、時間和質量方麵還引起了更根本性的反對意見，而“同時性的相對性”也是很難令人接受的。然而更加困難的是拋棄以太概念。如果沒有介質支承，光和其它電磁波如何在空間存在呢？反對意見和聲勢如此強烈，也可看作是新理論革命性質的一個標誌。
在眾多的反相對論的觀點中，普林斯頓大學的W.F.馬吉教授（1912，293）很有代表性。19if年，他在美國物理學會作會長就職演說時說，相對論原理不能滿足這樣的標準：任何“真正有用的終極答案……應當為每一個人所能理解，包括訓練有素的學者及一般公眾”。對他來說，相對論無法使人理解，因為它不能“用普通的，任何人都能明白的力，空間和時間概念來描述”。可是他顯然並不清楚，牛頓的力和慣性的概念在1687年時是多麼新奇！他顯然也不懂得，除了少數幾個學過理論物理學的人之外，真正懂得力和概念這些“普通概念”的人是多麼稀少！
馬吉還宣稱，“應當問問相對論發展中新思想的創造者，他們是否認識到這一理論的用途是多麼有限，是否認識到它用可理解的術語描述宇宙是多麼的無能為力”。他準備“警告他們最好先收起他們的輝煌理論，除非能夠通過簡化，利用普通物理學概念圓滿解釋相對論原理”。
L.T.莫爾1912年在《自然》雜誌（1912，94：370－371）上發表評述文章，總結歸納了馬吉演說中的觀點，並就科學革命作出了以下論述：
愛因斯坦教授的相對論和普朗克教授的量子論已被喋喋不休地宣布為自牛頓時代以來科學方法上最偉大的一場革命。他們用數學符號作為科學的基礎，拒絕承認數學符號背後潛在的堅實的實驗基礎，因而用主觀宇宙取代客觀宇宙。從這一角度來看，他們的做法無疑是革命的。問題是，他們這樣做是前進還是倒退，是走向光明還是陷入黑暗？一般認為，伽利略和牛頓開創的革命依靠科學家們的實驗方法取代了學院派的形而上學方法，這顯然是正確的。而現在，所謂的新方法似乎恰恰相反，因此，如果這裏包含什麼思想革命的話，那事實上不過是返回到中世紀的繁瑣哲學的方法中去。
大約在20年後，L.T.莫爾（現任辛辛那提大學研究生院院長）在他撰寫的牛頓傳記（1933，333）中，仍然表達了他對“愛因斯坦教授廣義的相對論”的厭惡，他指責這是“通向唯心主義哲學的最大膽的企圖；這樣的哲學隻是靈活思維的邏輯遊戲，完全無視客觀世界的事實；它或許是有趣的，但卻深深陷入了經院哲學”。他總結道，如果堅持相對論物理學（及其哲學），“將導致科學頹廢變質成為中世紀經院哲學和宗教神學”。讀者對於莫爾汙蔑數學和符號邏輯學的偉大發展也許不會感到奇怪，他寫道（同上，332），“值得注意的事實是，兩部偉大的著作，兩部或許是科學頭腦所能做出的最天才的創造，現在正受到攻擊：《新工具》受到現代符號邏輯學家的攻擊；《原理》受到相對論物理學的攻擊”。他最後的結論是：“當現代派被長期遺忘之後，亞裏士多德和牛頓將會重新受到尊重；他們的學說將重新獲得應用”（同上），從這些事例中我們可以發現，一場科學革命的深度與保守主義的猖狂進攻的猛烈程度以及它給科學思想所帶來的根本變化的程度是成正比的。
廣義相對論
愛因斯坦曾經說過，即使他沒來到這個世界上，狹義相對論也會出現，因為“時機已經成熟”（英費爾德1950，46），但廣義相對論則不然。他懷疑，如果他未建立廣義相對論，“它是否會為人所知”。廣義相對論被稱作“第二次愛因斯坦革命”（同上）。這是一次極大的飛躍，正當許多物理學家開始接受狹義相對論時，它再一次把他們拋在後麵。普朗克曾以極大的熱情歡迎狹義相對論並成為最早的支持者之一，他曾對愛因斯坦說：“現在一切都要解決了，你為什麼還要招惹其它另一些事呢？”愛因斯坦之所以這麼做是因為他是一位天才，遠遠走在了同時代人的前麵。他懂得狹義相對論是不完滿的，未能解決加速度和引力問題。他後來談到導致他思想豁然開朗的主要思想（他曾將其稱為“一生中最令自己興奮的思想”，見佩斯1982，178引用的愛因斯坦的回憶。）是1907年11月在伯爾尼專利局工作時產生的。這個思想是：“一個人在自由下落時，將感覺不到自己的重量。”他說，這一“最簡單的思想”促使他天。始研究引力理論，但直到1915年，他才發表了比較完整的廣義相對論理論，第二年他又發表了被一位傳記作家稱為“欽定版本”的廣義相對論，這個理論的建立主要基於英費爾德所說的“三個主題”：引力，等效原理，幾何學與物理學的關係。理論的核心則是新的引力場定律和引力場方程，有人說，麥克斯韋在電磁場上做過什麼工作，愛因斯坦在引力場也做過什麼工作。廣義相對論引人注目的特征之一是將牛頓力學中的引力簡化為四維時空中的彎曲。J.H一吉恩斯在《不列顛百科全書》1922年第12版的相對論條目中寫道：“宇宙圖景”的新情景不再是“三維空間中一片以太海洋的受迫振動”，而是“四維空間世界線上的一個紐結”。