§5．2 敢于挑战、勇于探索、创造奇迹（大学和专利局工作时期）
一、广博的科学知识和深邃的哲学思考
1896年10月，爱因斯坦通过了入学考试，进入了他期盼的苏黎世联邦技术大学（1911年后，学校改名为联邦技术大学，简称EHT）的数学与自然科学教师进修学院的数学系，该系除设有数学专业外，还有物理学和天文学专业。在这所大学有相当自由的学习环境，听不听课没硬性规定，只要能通过必修课的考试，而且大学4年仅中期和最后毕业考试两次，若通过就可获得毕业证书。除此以外，学生几乎可做他们愿做的任何事情。这种学习环境正好合乎爱因斯坦的心意，他以极大的兴趣去听某些能满足他求知欲的课，每讲必到；但“刷掉”了很多他不喜欢听的课程。同时，他非常不满足大学的物理学习内容，花了大量时间在宿舍里自学理论物理，包括著名理论物理学家基尔霍夫、亥姆霍兹、赫兹、麦克斯韦、洛伦兹、玻尔兹曼等人的著作。爱因斯坦并不只热衷于学习理论物理，对物理实验也很重视，花了他不少时间的毕业论文就是在物理专业中韦伯教授指导下以实验为主的关于“热传导”的研究。在大学期间，他对物理学的兴趣完全超过了对数学的兴趣。这些学习对培养爱因斯坦丰富的科学想象力以及后来创建相对论有重大作用。在他老年的回忆中，他感到在瑞士这所大学中，他研究问题的“神圣好奇心”不仅没有被扼杀，而且这种自由学习的风气对他的学习、研究、探索很有帮助。
在大学期间通过大量阅读、思考，爱因斯坦对理论物理的基础和方法有了深刻认识，尤其是他认识到：在19世纪所有的物理学家眼中，经典力学是全部物理学的这种想法值得怀疑。事实上，法拉第和麦克斯韦的工作已从根本上动摇了力学是一切物理学基础的观念。在本书§3．3中已经介绍过，牛顿的经典力学在对大量的电磁现象的解释时已经无能为力。
在大学期间，爱因斯坦也很重视阅读哲学书籍，其中19世纪的奥地利物理学家和哲学家马赫（E．Mach，1838—1916）在1883年发表的重要著作《力学发展史》对其产生了深刻的影响。马赫是历史上最早对牛顿的绝对时空观表示怀疑并提出批判的人。在牛顿看来，存在绝对时间和绝对空间，它们的特点是空间和时间相对独立，时空与物质运动状态无关。从日常经验出发，人们一般不会怀疑牛顿的绝对时空观念。但在《力学发展史》中，马赫明确指出：谈论绝对时空是错误的，一切都是相互联系的，一切运动都是相对的。爱因斯坦很赞赏马赫的这种怀疑精神和批判精神，“我认为马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。”（［1］，p12）爱因斯坦本人也像马赫那样，富有怀疑精神，敢于挑战权威、挑战传统观念。
深邃的哲学思考，对爱因斯坦做出划时代贡献具有重要作用。对哲学与科学的关系，爱因斯坦的精辟论述如下：“哲学的推广必须以科学成果为基础。可是哲学一经建立并广泛地被人们接受以后，它们又常常促使科学思想的进一步发展，指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路。”（［5］，p39）对爱因斯坦科学思想有重要影响的另一位哲学家是17世纪荷兰的斯宾诺沙。一次有一位犹太教堂的牧师问了他一个问题：“你信仰上帝吗？”他的回答是：“我信仰斯宾诺沙的那个存在于事物的有秩序的和谐中显示出来的上帝，而不信仰那个同人类的命运和行为有牵累的上帝。”（［1］，p33）这个上帝实质上是指自然界。爱因斯坦一再表示他信奉斯宾诺沙关于自然界是有秩序的，和谐、统一的思想。正是这种追求“统一性”的信念，推动并使他坚定地要创建相对论。
不管自然科学家采取什么样的态度，他们还是得受哲学的支配。问题在于：他们是愿意受某种坏的时髦哲学的支配，还是愿意受一种建立在通晓思维的历史和成就基础上的理论思想的支配。
德国政治家、思想家恩格斯（1820—1895）（［12］，p187）
心语 物理学的发展离不开哲学的指导。牛顿发现万有引力，法拉第发现电磁感应，爱因斯坦发现相对论……无不是受到了哲学思想的指导。哲学思维给人以智慧，指引你方向。
二、科学研究道路上的知音和“奥林比亚科学院”
在大学时代，爱因斯坦班上仅5个人。4年学习期间他结交了3个朋友，其中有两个男友成为他终生的挚友，一个是同年级数学专业的格罗斯曼，另一个是他进校时在该校刚毕业、学习机械工程专业的贝索，他俩相识在一次音乐晚会，由于志趣相投成为好友。另一位是女友米列娃，后来成为爱因斯坦的第一任妻子，婚后生下了两个儿子。
格罗斯曼性格不同于爱因斯坦，安心各门课学习，从不逃课，听课认真，笔记整齐。爱因斯坦能够通过没听过课程的考试，完全是靠了格罗斯曼笔记的帮助。这两位挚友在他科学研究道路上给予了他很大的帮助。在1905年完成的博士论文“分子大小的新测定法”中，爱因斯坦就特地写上“献给我的朋友格罗斯曼博士”。在1916年所发表的关于广义相对论的第一篇完整的论文中，他在前言部分又特地写道：“我在这里要感谢我的朋友——数学家格罗斯曼博士，他不仅代替我研究了有关的数学文献，而且在探索引力场方程方面也给我以大力支持。”（［3］，p50）好友贝索同样对爱因斯坦科学创见的形成给予了许多热诚的帮助。爱因斯坦在1905年发表的划时代的创建狭义相对论的“论动体的电动力学”一文中，没有列出一篇参考资料，但在该文最后专门写上：“最后，我要声明，在研究这篇文章所讨论的问题时，我曾得到我的朋友和同事贝索的热诚帮助，我要感谢他一些有价值的建议。”（［3］，p52）
在1900年8月获得联邦技术大学毕业证书后，爱因斯坦没有被留校当助教，所以他失业了一段时间。为了生活他做过代课教师、在私立寄宿学校教书。在失业期间值得介绍的一段经历是在1902年2月初，爱因斯坦登出一个“私人授课广告”：“愿为大学生和中小学生提供最全面透彻的数学和物理钟点补习。”很幸运，他先后招来两位学生，这两人对他后来创造奇迹起了重要的作用。一位是正在伯尔尼大学学习数学的学生哈比希特，一位是伯尔尼大学哲学系的学生索洛文，他们都是来听爱因斯坦讲物理的。这两位学生生活也较为贫困。爱因斯坦不只是讲课，更多的时间是与他们开展讨论、甚至激烈的争论。爱因斯坦洞察和精通物理问题的非凡能力使两位学生很惊讶，把他们完全吸引住了。很快，共同的爱好和对知识的渴求使3个贫困的年轻人成为好朋友，他们经常利用晚上的时间共同学习和研讨物理大师和哲学大师们的著作。他们还为这种“学术聚会”取名为“奥林比亚科学院”。在“科学院”的活动中，爱因斯坦常会提出一些新的想法进行讨论。共同的讨论、激烈的争论，对爱因斯坦的科学思想的发展产生了深刻的影响。对于激烈争论的状况，在索洛文的回忆中作了生动描写：“有时我们念一页或半页，有时只念了一句话，立刻就会引起强烈的争论，而当问题比较重要时，争论可以延长数日之久。”“科学院”的活动一直持续到1905年11月索洛文到法国里昂大学学习为止。这段经历对爱因斯坦1905年的一系列科学创造，有重大的启发和推动作用。
1902年6月爱因斯坦结束了失业窘境，在好友格罗斯曼父亲（他是伯尔尼水利局局长的好友）的推荐下，被伯尔尼的瑞士联邦专利局聘为试用三级技术员。由于从小受到精通技术的叔叔雅可布的影响，爱因斯坦对技术也很有兴趣，也喜欢专利局的工作，在工作中做到了尽心尽力。在1904年9月他被正式录用，于1906年4月还因工作有成绩晋升为二级技术员。在专利局工作期间，他感到非常愉快，尤其是在生活安定的情况下，使他有更多的时间专心于物理学的研究，在1902年至1909年的这几年当中取得了震惊世界的丰硕成果。他认为这段时间是他“最富于创造性活动”的日子。
就在伯尔尼专利局工作期间，1903年1月6日爱因斯坦与米列娃结婚，证婚人正是“奥林比亚科学院”的好友哈比希特和索洛文。
三、创造科学史上奇迹的1905年
在专利局工作的7年多时间中，爱因斯坦共发表了30篇科学论文。特别是在1905年这一年中发表了4篇极其重要的论文，在3个不同的物理学领域做出了划时代的贡献，在科学史上创造了一个史无先例的奇迹。这3个领域分别是量子论、分子运动论和相对论。
1．在量子论领域——提出“光量子假设”
1900年德国物理学家普朗克（Max K．E．L．Planck，1858—1947）在解释黑体[2]的热辐射实验规律时，首先提出了一个前所未有的“能量量子化”假设：光在吸收和发射时，能量不按经典物理所规定的那样必须是连续可变的，而是不连续（即量子化）的，只能是一个最小的、不可分的能量单元（又称“能量子”）ε0的整数倍，即E＝nε0。其中n为正整数，ε0＝hν，ν是光的频率，h＝6．626×10－34焦耳·秒，是著名的普朗克常数，它是微观世界的一个有代表性的特征量。在这个假设下，他得到了历史上著名的“普朗克公式”，成功解释了黑体辐射的规律。但是普朗克所开创的量子理论在发表后的近10年内，几乎没人理会，甚至他本人也不相信自己的“量子化”观念的正确性，并为自己违反了经典的连续性概念而烦恼和后悔。
图5－3 爱因斯坦在伯尔尼专利局
就在量子论的诞生遭到极大困难时，为了解释10多年来利用经典电磁波理论无法解释的“光电效应”[3]实验，爱因斯坦在1905年3月发表了“光的产生和转化的一个启发性观点”一文，文中进一步发展了普朗克的量子论观点，提出了光不只是在吸收和发射时能量不连续，而在空间传播时能量也是不连续的“光量子假设”：光是由光量子（后称为“光子”）组成，每个光子带有一定的不可分割的能量ε＝hν，即普朗克的能量子。可见光子能量完全由频率决定，而与光的强度（或亮度）无关。一束光的强度则由它所包含光子的密度大小决定，密度大，光强大。当光与物质相互作用时，完全显示出粒子性。当一个具有足够能量的光子完全被电子吸收时，可将电子击出。爱因斯坦的“光量子假设”不仅成功地解释了“光电效应”实验，而且进一步为一系列实验所证实。为表彰他在量子论领域所做出的杰出贡献，他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。他本人也成为了量子论的创始人之一。对“光量子假设”有兴趣的读者，可见参考资料［6］中的§4．4。
2．在分子运动论领域——论证原子和分子的实在性
1827年英国植物学家布朗（R．Brown，1773—1858）在显微镜下，首先观察到水中花粉或其他微小粒子在不停地作无规则的运动，于是这种运动被称为“布朗运动”，但人们长期以来并不了解其产生原因。有人曾提出：这是由于这些微粒受到周围分子无规则的碰撞而引起的，因为这些布朗粒子非常小，在周围分子碰撞下足以发生运动。但对这种解释长期来争论不休，这涉及分子和原子是否真正存在的实质问题。
1905年4月爱因斯坦发表了一篇向苏黎世大学申请博士学位的论文“分子大小的新测定法”，并取得了博士学位。爱因斯坦利用分子运动论不仅推算出分子的大小（约10－8厘米数量级），还推导出在分子碰撞作用下悬浮粒子位移平方的平均值公式。这一公式在1908年由法国物理学家佩兰（J．B．Perrin，1870—1942）在一架高分辨率显微镜的实验观察下，被证明完全正确。从此，科学界对原子和分子的实在性已没有怀疑的余地，一场争论也逐渐平息。
3．创建相对论——一场时空观的革命
1905年6月，爱因斯坦发表了经10年酝酿而完成的长达30页的论文“论动体的电动力学”，这更是一篇划时代的、开创物理学新纪元的经典文献。文中论述了“狭义相对论”的基本内容，提出了崭新的时空观念，对牛顿的绝对时空观进行了革命性的变革，揭示了牛顿力学不能适用于对高速运动物体的描述，但当物体运动速度远小于光速时，狭义相对论和牛顿力学可得到同样结论。1905年9月在狭义相对论基础上，爱因斯坦又发表了一篇划时代的短文“物体的惯性同它所含的能量有关吗？”，文中给出了狭义相对论的一个重要推论——质能关系式E＝mc2，给出了质量和能量的相当性，为原子能的应用奠定了物理基础。在本书§5．3和§5．5中，我们将分别对狭义相对论和质能关系式，以及对原子能应用作简要介绍。
狭义相对论的讨论都是局限在相互作匀速运动的惯性参考系中。实际上，地球也不是严格的惯性系，它在太阳引力作用下有向心加速度。为了更普遍起见，爱因斯坦要把相对论进一步扩展到受外力作用的有加速度的非惯性参考系中去。包含巨大质量天体的、具有强大引力场的参考系就是爱因斯坦研究的典型的非惯性参考系。为此，从1907年到1915年，爱因斯坦花了整整8年时间创建了广义相对论。显然有关广义相对论的知识已远远超过本书范围，只能从略。