不可思议的是，爱因斯坦并不是因为1905年发表的五篇论文中最重要的那篇而获得诺贝尔奖——这篇论文涉及后来叫做狭义相对论的理论。之所以叫“狭义”，是因为它涉及一个特殊情况，在此爱因斯坦只讨论物体沿直线做匀速运动的情况。你可以回忆一下，迈克耳孙和莫雷测不出光速的任何变化。爱因斯坦在对此实验结果并不知情的情况下，也在思考这一问题，他的论证从这一假设开始，真空中的光速恒为常数。即使光源在运动，即使测量光的观测者也在运动，但都不影响光速。
爱因斯坦还抛弃了以太概念，而迈克耳孙和莫雷却纠缠于其中。麦克斯韦需要它，因为他认为光以波的形式运动，如果真是这样，就需要有某种媒质光才能传播。但是，如果光像普朗克量子理论所述，是以分立的波包或量子形式传播，情况又是怎样呢？它就会更像粒子，从而不需要任何媒质也能传播。
依据这些假设——光速是常数，没有以太，光以量子传播和运动是相对的，爱因斯坦就能够证明为什么迈克耳孙和莫雷实验会得到这样的结果，从而排除了对麦克斯韦电磁方程组有效性的质疑。
因此，在狭义相对论中，爱因斯坦基本上只是对牛顿物理学作了这样的修改：在他的公式里，光的相对速率总是相同的。不管相对于任何参照系，它都不发生变化，即使其他事物互相间有相对变化。质量、空间和时间全都跟着你的运动速度而变化。在旁观者看来，你运动得越快，你的质量也就越大，你占据的空间就越小，时间也过得越慢。你越是接近光速，这些效应就越显著。你如果是一名宇航员，正以光速的90％在运动（光速约为30万千米每秒），你旅行5年后（根据你的日历手表）回到地球，却发现留下的朋友已经过了10年。或者，如果你可以加快发动机，使你以光速的99．99％运动，只旅行了6个月，你会发现，在你离开的这段时间里，地球上已经流逝了50年。
所以，在相对论看来，说时间是相对的，它并不总是以同样的速率流逝。例如，运动的钟表走得慢些。20世纪60年代，密歇根大学一个科学家小组制备了两套原子钟，精确度达到13个小数位。他们把其中一套安装在飞机上，在世界各地飞行，另一套完全相同的原子钟留在地上。当飞机带着原子钟回到地面时，这些原子钟与地面上的原子钟比较，它们比留在地面上的原子钟的确少滴答了几次。
相对论还说，物体运动得越快，在静止的观察者看来，它沿运动方向的长度就收缩得越厉害。在同一观察者看来，质量却似乎是增加了。此外，根据相对论，没有任何物体能够达到光的速率（或者，更精确地说，达到所有电磁辐射在真空中的运行速率，电磁辐射包括无线电波、X射线、红外线等等）。光速是最高限值，因为当物体接近光速时，它的质量接近无穷大。
最让人们吃惊的是，爱因斯坦运用他的著名方程式E=mc2证明了能量和质量正是同一事物的两个方面。在这个方程中，E是能量，m是质量，c2是光速的平方，是一个常数。
所有这些看来都与常识完全相悖。但常识是根据日常生活经验形成的，如果你进入了非常非常快的世界，就不会觉得相对论真有那么奇怪。
当然我们大多数都没有这样的经验。但不管它显得多么有悖常理，近一百年来每一次实验检验都证明了爱因斯坦是正确的。
广义相对论
令人不可思议的是，爱因斯坦在发表光电效应、布朗运动和狭义相对论的论文之后又过了4年，才在苏黎世大学找到一个教学岗位，尽管薪金很少。但是到1913年，由于普朗克的努力，柏林附近的威廉皇帝学院（Kaiser Wilhelm Institute，简称KWI）为他新设了一个职位。自从1905年发表论文之后，爱因斯坦一直在研究一个更大的理论——广义相对论。狭义相对论仅适合于直线匀速运动。但是，当运动物体加速、减速或者沿螺旋轨道转弯时，情况会怎样呢？更普遍的加速运动更是复杂，而能够解释这种运动的理论必将更为有用。
现在，爱因斯坦来到了威廉皇帝学院，有机会完成这项工作。1916年，他发表了广义相对论，这一理论具有深远意义，特别是在宇宙尺度上。许多物理学家认为它是有史以来最为精彩的智慧结晶。
爱丁顿坚定地支持爱因斯坦的相对论。他通过参加1919年的一次远征，观察了日食，从而验证了广义相对论。他还正确地建议，天狼星的伴星β星，是检验广义相对论预言的红移非常适宜的对象。爱因斯坦认为，爱丁顿1923年关于相对论的论文是各种文字表述中写得最好的。广义相对论保留了狭义相对论的原则，与此同时增加了引力这一维度——因为引力是引起加速和减速的力，也是使卫星绕着行星、行星绕着太阳旋转的力。
爱因斯坦认识到，无法区分引力效应与加速效应之间的差别。于是他放弃了引力是一种力的思想，代之以一种人为设想的方式，即我们观察的物体就是以那种方式在空间和时间里运动。根据爱因斯坦相对论，在三维空间（长、宽、高）之外再加上第四维——时间，共同组成所谓的时空连续体。
为了说明加速和引力本质上具有相同效应这一思想，爱因斯坦以缆绳断裂、从建筑物顶层下落的电梯为例。电梯下落时，乘客的感觉是“失去了重量”，就好像他们是在宇宙飞船上一样。此时，他们是在做自由下落运动。如果梯内的乘客看不见梯外的任何东西，他们就无法区分这一体验与乘坐飞船在地球轨道上邀游时的体验有什么不同。
爱因斯坦利用这一等效性，写出了一组方程式，其中引力不再是一种力，而是一种时空的弯曲，就好像每个大物体都置于一块大橡胶的表面。星星之类的大物体在时空里转弯，就像是位于橡胶板上的大球会使橡胶表面凹陷那样。质量引起空间和时间的变形就导致了我们所谓的引力。引力的“力”并不真正是恒星或行星等物体的特性，而是来自空间形状本身。
事实上，这一弯曲已经得到了实验验证。爱因斯坦在三个领域里作出预言，在这三个领域中，他的广义相对论都与牛顿的引力理论有矛盾：
1．爱因斯坦广义相对论允许行星轨道的近日点（离太阳最近的点）有位移现象（水星轨道就有这样的位移，该现象曾经使天文学家困惑了多年）。
2．光在逆着引力离开星体时，会受强引力场的作用产生红移。
3．光被引力场偏折的量应该比牛顿预言的大得多。
第一条预言并不特别引人注目，因为列维利尔（Urbain Le Verrier，1811—1877）已经观测到了水星轨道的位移，并且在1845年为了作出解释提出有另一个内行星存在的假设。但是，一直没有人能够找到这颗传说中的行星，爱因斯坦的理论则解释了此现象，从而一举解决了这个奥秘。
至于强引力场中的红移，很快就得到了证实。美国天文学家亚当斯（Walter SydneyAdams，1876—1956）曾经证明恒星的发光度，或亮度，一般可以通过光谱而测定。1915年，他正在研究天狼星的伴星。从这颗星的光谱可以断定，这颗星虽然很暗，却非常之热。极高的温度应当产生与恒星表面积相关的极为强烈的发光度，现在的情况却是，这颗星极为暗淡，这只能说明天狼星的伴星具有极小的表面积和极大的密度——比普通的物质密得多。按照卢瑟福的思想，原子内大部分是空虚的空间；但是，天文学家的结论却是，这颗星可能是由坍缩的原子所组成，原子中的亚原子粒子紧紧挤在一起了。英国天文学家爱丁顿（ArthurStanley Eddington，1882—1944）建议亚当斯，说这颗白矮星（这类超密天体后来叫这个名字）一定具有特别强的引力场。
这一可能性使它成为检验爱因斯坦理论第二个预言（红移）现象的合适对象。果然，1925年，亚当斯有机会寻找这一偏移，并正好找到了它。白矮星的吸收光谱与正常光谱相比，确实向红端偏移。在20世纪60年代，更精致的测量仪器使人们有可能测试到太阳发出的光线所产生的更小偏移，结果也确证了爱因斯坦的预言。
广义相对论诞生于第一次世界大战的中期，所以对于第三个预言，光的引力偏折的验证，一直拖延到战后才得以进行。1919年，伦敦皇家天文学会组织了两个远征队——一个去巴西北部，一个去西非海岸边的普林西比岛——利用一次正好在太阳附近有许多更亮的星星出现时所发生的日食。1919年5月29日，日食发生了，他们在白天的黑空里，对附近的恒星进行了测量。然后把这些测量数据与6个月前的半夜天空对比，当时同样的星星不在太阳附近。引力偏折的效应非常明显，证明爱因斯坦是对的。他立即成为世界上最出名的科学家，他的名字也就变得家喻户晓了。
与此同时，德国——长期以来都是科学中著名成果的最初发源地之一——对于正在国内工作的众多杰出科学家越来越不友好了，特别是对许多像爱因斯坦那样已被列入纳粹犹太名单的人。20世纪30年代初，开始出现这些预兆：剥夺犹太人公民权，逮捕他们，犹太人财产和犹太教堂被大肆掠夺和破坏。最后在1940年，希特勒政权在奥斯维辛以及其他许多地方建立了死亡集中营，几百万犹太人被监禁拷打，用毒气熏死。20世纪30年代初，开始出现大规模流亡现象，其中包括许多非犹太裔科学家，他们本着自己的做人原则而离开德国，因为不愿意在同事们被迫害的地方工作。1930年，爱因斯坦永远离开了德国。他来到美国加州理工学院演讲，以后再也没有返回德国。他接受新泽西州普林斯顿高等研究所的职位，在那里他成了永久居民，1940年成为美国公民。
爱因斯坦总是在同事间的思想交流中起催化剂的作用，他一生都活跃在物理学的世界里。但这位叛逆者也发现，正如普朗克所感觉到的那样，物理学的改变之快超过了他愿意接受的程度。地平线上隐隐出现这样的挑战，诸如玻尔的互补性原理和海森伯（WernerKarl Heisenberg，1901—1976）的不确定原理，对此，他一生都在质疑。爱因斯坦也许会喃喃而语：“上帝从不对宇宙玩掷骰子这套把戏”，或者“上帝也许是狡黠的，但没有恶意”。在他生命的最后几十年里，他把大部分时间用于探讨能把引力和电磁现象包容在一起的途径，但没有成功。直到生命最后的日子里，他仍然是一个孤独的提问者，对自然和人性提出各种质问。他总在寻找真理的终极之美。
新宇宙（二）：量子奇迹
在20世纪的前30年中，在放射性、量子理论和相对论这样一些令人激动的发现的激励下，涌现出大量新的思想和发现，这在物理学发展史中是绝无仅有的。一大群充满活力的男女科学家，他们雄心勃勃、才华横溢、有备而来、能力超强，集结在欧洲、加拿大和美国的大学里，扬起探索的风帆，直逼原子的内部构造。这些精英中最出色的一位就是后来被称为“高贵的丹麦人”的年轻人。
玻尔的原子
玻尔在1903年进入哥本哈根大学时，是一位优秀的足球运动员，尽管球艺不如其弟弟哈那德（Harald，他参加1908年丹麦奥林匹克代表队，这支球队在大赛中荣获亚军）。兄弟俩都很优秀，但是在学生时代，每当有人提起哈那德的数学才能时，他都会如此表白：“我算不上什么，你应去会会我的哥哥。”
玻尔身材魁梧修长，脸部表情刚毅，头大眉浓。他平易近人，说话充满幽默，善于提炼人们的思想，从而激发相互之间的讨论。1921年，在他的领导下，哥本哈根设立并建成了理论物理研究所，他36岁成为这一研究所的所长，这里就像磁铁一样，从世界各地吸引来了最优秀的年轻学者。
研究所里玻尔的一位年轻学生弗利胥（Otto Frisch，1904—1979）这样形容他：“他说话柔和，带着丹麦口音，我们往往难以判断他是在说英语还是在说德语——两种语言他都说得很流利，不断在变换。在这里，我似乎感到苏格拉底又复活了，和蔼地向我们提问，把每场争论都提升到更高的水平，从我们中间提炼智慧，而我们并不知道自己具有这种智慧，我们的确也不具有这种智慧。”玻尔作为良师益友是无与伦比的，但所有这一切都与他的后期生涯有关。
玻尔早年作为研究生曾经到过剑桥，然后在1912年去了曼彻斯特，在曼彻斯特作了4年研究，然后回到哥本哈根担任物理学教授。玻尔也许是曼彻斯特唯一与卢瑟福合得来的理论家。但他们却是奇怪的一对，卢瑟福滔滔不绝、语音急促，玻尔则低声细语，字斟句酌。按照斯诺（Chales Percy．P．Snow，1905—1980）的说法：“如果找不到合适的词……他会踌躇几分钟，反复考虑那个盘踞在他心中的词。”这两种思维方式的对比成为20世纪上半叶标志性的特点，再没有人比他俩更典型地反映这种对立思维的特征了。玻尔爱好沉思，做事全神贯注，整个谈话过程都在思考，往往在谈话中间不经意就抓住一个思想。但是要他违背天性去顺从别人，却做不到。相形之下，卢瑟福具有百折不挠的毅力，不得到结果誓不罢休，但缺少玻尔那种目的明确的思考能力。在解决“物理学的重大问题时”，弗利胥后来回忆说，玻尔“以蜘蛛般的敏捷在空旷处移动，他能准确判断每一条论据细丝所能承担的重量”。
到曼彻斯特没多久，玻尔即着手改进卢瑟福于1911年提出的原子模型。在卢瑟福的原子中，电子围绕中心的核旋转，它受电的吸引力作用，就像一个微型行星系。但这一模型有一根本性问题。19世纪，法拉第和麦克斯韦证明，一个带电粒子如果偏离直线运动，就会发出辐射。因为辐射会损失能量，如果没有相应的机制补充能量，那么，一个电子，若按卢瑟福设想的那样沿圆形轨道运动，它很快就会沿螺旋状轨道向核靠拢。也就是说，为了满足能量守恒定律，轨道必将坍缩。卢瑟福不能解释的正是为什么原子不会坍缩。然而卢瑟福并不介意这个问题，他不是理论物理学家。而这正是玻尔的切入点。
