根据相对论，质量和能量之间没有本质上的区别。能量具有质量，而质量是能量的表现。相对论中并没有两个守恒定律，而是只有一个，那就是质能守恒定律。
——阿尔伯特·爱因斯坦（1938） [1]
和托马斯·爱迪生一样，阿尔伯特·爱因斯坦也是一个家喻户晓的名字。爱迪生已经成为发明创造的代名词，爱因斯坦则成为天才的别称。爱因斯坦在普林斯顿大学的办公室墙上挂有4幅肖像，从中可以看出哪些人对他产生过影响。画像中的4个人分别是艾萨克·牛顿、迈克尔·法拉第、詹姆斯·麦克斯韦和圣雄甘地。爱因斯坦的科学成就是牛顿万有引力研究、法拉第和麦克斯韦电磁学研究的最终成果。就像甘地一样，爱因斯坦也是一个和平主义者，尽管他的科学研究和核武器之间有着剪不断的联系。 [2]
1905年（所有科学家都把这一年称作爱因斯坦的“奇迹年”），爱因斯坦的5篇技术论文使物理学发生了革命性的巨变。在完成这些革命性论文时，爱因斯坦年仅26岁，是瑞士伯尔尼联邦专利局的一名工作人员，而不是欧洲著名大学的教授。他的论文告诉世人，法拉第和麦克斯韦的伟大研究搭建了一个宏伟的科学框架，而被全世界认可了200多年的牛顿物理学只是这个框架中的一个特例。 [3]
在第五篇论文中，爱因斯坦提出了著名的质能方程：E=mc2 。这个方程的意义在于，少量物质，比如少量的铀燃料，可以转化成巨大的能量，因为在转换过程中，质量会被一个等于光速平方的因子放大。正是依据这个方程，欧洲科学家断定核反应释放出的能量可以用于战争目的。 [4]
爱因斯坦的方程也将他与现代电力行业联系起来。如果少量物质可以通过核反应释放出大量能量，那么这些能量也可以用于和平目的，比如发电。爱因斯坦再一次证明，发电技术（对于爱因斯坦的研究而言，就是核电站）与这个时代最先进的科学有着不可分割的联系。
然而，电力与先进科学之间的联系，远远超越了核能技术。在19世纪和20世纪的伟大科学进步中，从牛顿力学到法拉第的电磁感应定律，到麦克斯韦的电磁场理论，再到爱因斯坦的相对论和量子理论，电学研究都发挥了重要且持久的作用。正如爱因斯坦说的那样，电学研究不仅是通往科学突破道路上的一个事件，而且本身就是一条道路。本章的大部分篇幅描述的都是爱因斯坦和其他伟大的科学家沿着这条道路行进的历程。
早年生活
1879年3月14日，阿尔伯特·爱因斯坦生于德国乌尔姆市。该市的格言颇有先见之明：“乌尔姆人都是数学家。”正如沃尔特·艾萨克森在2007年写作的爱因斯坦的传记中说的那样，爱因斯坦很小的时候，年轻的医科学生马克斯·塔穆德（Max Talmud）就鼓励他从事科学研究。塔穆德每周都和爱因斯坦一家人一起吃饭，在他的推荐下，爱因斯坦阅读了当代科普作家阿伦·伯恩斯坦（Aaron Bernstein）的一系列科学书籍，并且留下了非常深刻的印象。在伯恩斯坦讲述的诸多故事当中，有一个对爱因斯坦影响很大。这个故事让读者想象自己正坐在一列高速行驶的火车上，然后有一颗子弹从窗户射了进来。后来，爱因斯坦做了一个与伯恩斯坦的这个故事类似的思想实验。 [5]
13岁那年，爱因斯坦的科学知识水平超过了塔穆德。从此以后，塔穆德开始引导爱因斯坦学习哲学，并且通过《纯粹理性批判》（Critique of Pure Reason ），让爱因斯坦第一次接触到伊曼纽尔·康德。爱因斯坦在后来写给普通民众的作品中常常表现出哲学方面的天赋，可能与他早年阅读康德作品的经历有关。人们对爱因斯坦是否受到法拉第的影响意见不一，同样，关于爱因斯坦的革命性科学研究是否受到康德作品的影响，人们也有不同的看法。爱因斯坦寻找力的统一和科学的统一，是否受到康德的自然目的论的影响呢？还是麦克斯韦因受法拉第的启发，将电、磁和光统一起来的做法，给了爱因斯坦动力呢？最有趣的推测是，康德哲学对爱因斯坦的影响，与宗教信仰对法拉第的影响一样，让他们形成了相同的观点——力的统一。 [6]
爱因斯坦努力准备了两年左右的时间，希望可以进入苏黎世联邦理工学院学习。他可以轻松地通过数学和科学考试，但没把握通过文学和法语等其他学科的考试。1896年，爱因斯坦终于考取了这所学校，但他一开始并没有给任何人留下深刻印象。学习数学时，他不是很刻苦，一位教授因此称他为“懒蛋”。爱因斯坦希望深入了解麦克斯韦的研究，但是学校教授的所有课程都没有涉及这方面的内容。因为经常与马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann，爱因斯坦的同班同学，后来成为他一生的好朋友）以及其他几个同学结伴逃课，反而通过阅读了解到物理学研究的最新进展。1900年，爱因斯坦大学毕业，在5名毕业生中排名第四。 [7]
21岁时，爱因斯坦尚未取得非凡的成就，也看不出有任何天赋。然而，他一直在做科学研究，并开始发表论文。他发表的第一篇论文与原子和分子的相互作用有关。他探讨了液体分子间的吸引力到底是什么力这个问题，并提出了分子间的吸引力是否与宇宙中行星间的吸引力相类似（也就是说，像牛顿物理学认为的那样，这种力与质量直接相关，并与距离成反比）的问题。1901年，爱因斯坦向苏黎世大学提交了他的论文，但遭到了拒绝。总之，爱因斯坦的早期学术生涯对他后来的声名鹊起几乎没有任何预示作用。 [8]
时间表
1902年，马塞尔·格罗斯曼帮助爱因斯坦在瑞士伯尔尼联邦专利局找到一份工作。爱因斯坦每天上班8个小时，但他很快就能完成本职工作，把剩下的时间用于科学研究。每天，他还要花一个小时的时间去做家庭教师，晚上继续做科学研究。艾萨克森认为，尽管这个时间表对于试图进行科学突破的人来说似乎是一个不利因素，但它也有一个巨大的优势——使爱因斯坦不会受到传统的影响。如果爱因斯坦当时身处一个学术环境之中，他发表的成果就必须接受审查。然后，那些秉持传统智慧的人可能会提出修改意见，或者是予以否定。 [9]
爱因斯坦和他的朋友们阅读了大量科学哲学方面的著作，并进行了深入思考，比如大卫·休谟的《人性论》（A Treatise of Human Nature ）和巴鲁赫·斯宾诺莎的《伦理学》（Ethi cs ）。
1905：奇迹年
2005年，马修·查默斯（Matthew Chalmers）在《物理世界》（Physics World ）新闻杂志上发表了一篇文章，题为“震惊世界的5篇论文”。文章说，1905年，也就是一个世纪之前，爱因斯坦在“8个多月”的时间里，利用“业余时间”，“完成了永久性改变世界的5篇论文”。因此，1905年被视为爱因斯坦的“奇迹年”。研究中使用资料的涉及面非常宽泛，他的论文跨越了“三个截然不同的主题——相对论、光电效应和布朗运动”。查默斯补充道，“也许更引人注目的是，爱因斯坦1905年发表的论文既不是基于确凿的实验证据，也没有复杂的数学推理。他仅凭物理直觉，就给出了优雅简练的论证和结论。”查默斯引用1999年诺贝尔物理学奖得主杰拉德·特·胡夫特（Gerard’t Hooft）的话说，“爱因斯坦让世界第一次意识到，仅凭纯粹的思想就可以改变我们对自然的理解。” [10]
1905年3月17日，这5篇论文中的第一篇——《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，被提交给著名的德文期刊《物理学年鉴》（Annalen der Physik ）。这篇论文反映了爱因斯坦对光电效应的贡献，并被视为他获得1921年诺贝尔物理学奖的基础。光冲击金属薄片的一个侧面，就会产生光电效应，使电子从另一侧面发射出去。因此，光电效应能将光转化为电——一束电子流。这种效应被应用于一系列的技术，包括警报器中的光探测器。该装置发出一束稳定的光照射到一个表面上，以产生电流。如果有入侵者挡住了那束光，电流就会减弱，进而触发警报。对于电力行业来说，更重要的是利用光伏电池或太阳能电池将光转化成电。 [11]
爱因斯坦的第二篇论文是在他的苏黎世大学学位论文的基础上撰写的。1905年4月30日，苏黎世大学终于通过了他的学位论文。第二篇论文解决了若干问题，包括如何“通过分子在溶液中的运动来计算它们的大小”。接着，爱因斯坦提交了第三篇论文。这篇论文研究的是布朗运动，即悬浮在静止液体中的粒子运动。爱因斯坦认为，布朗运动是原子随机碰撞导致的。这项研究的广泛意义在于，一旦经实验证实，就可以让科学家们确信原子是真实存在的。 [12]
6月30日，杂志社收到了爱因斯坦的第四篇论文——《关于运动物体的电动力学》。这篇论文详细描述了爱因斯坦的狭义相对论， [13] 之所以使用“狭义”这个词，是因为他的这套理论“只适用于匀加速参考系”。该理论暗示，独立的时间和独立的距离均不存在。正如查默斯所言：“当物体做匀速运动时，物体的长度会变短，所以运动的时钟比静止的时钟走时慢。” [14]
第五篇论文《物体的惯性与其所含的能量有关吗？》是一个三页纸篇幅的“补充想法”，引出了狭义相对论的另一个启示。爱因斯坦最著名的方程式E=mc2 就来源于这篇文章。 [15]
世界对爱因斯坦在他的奇迹年中取得的成果有何反应呢？艾萨克森说，这5篇被现代人视为奇迹的文章刚发表时，迎接它们的都是“冷冰冰的漠视”。只有德国科学家马克斯·普朗克例外，他把爱因斯坦的狭义相对论应用于自己的研究。值得注意的是，尽管爱因斯坦在1905年取得了丰硕的研究成果，但他仍在伯尔尼联邦专利局工作。即使在1905年之后，爱因斯坦也无法在伯尔尼大学找到哪怕是最一般的工作。1908年，他甚至想应聘中学教师职位都遭到拒绝。爱因斯坦的经历表明，通向科学突破的道路是漫长又艰难的，推翻根深蒂固的范式需要时间，耐心和对科学的执着至关重要。 [16]
不过，1909年，在他的革命性论文发表4年后，爱因斯坦在苏黎世大学获得了一个初级教授的职位。同年，他在萨尔茨堡的一次会议上发表演讲，将光的微粒说与波动说这两个相互矛盾的理论融合在一起，从而赢得科学界的认可。从爱因斯坦此后参加的科学界的活动可以看出，他的名声正在蹿升。1911年，爱因斯坦被布拉格大学聘为教授。与他交往的都是像恩斯特·马赫（Ernst Mach）、亨德里克·洛伦兹这样顶尖的科学家。马赫是一位研究超声速运动的奥地利物理学家，今天，他的名字被用来表示声速。爱因斯坦称，他是受到马赫的启发才建立了相对论。洛伦兹是一位荷兰物理学家和1902年的诺贝尔物理学奖得主，主要从事麦克斯韦理论的延伸研究。
1915年，爱因斯坦对他在1905年提出的狭义相对论进行了推广。1919年，随着第一次世界大战的结束，一个检验爱因斯坦依据相对论做出的预言（即重力会导致光发生弯曲）是否正确的机会出现了。剑桥大学天文台台长亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）担起此项重任，开始密切观察1919年5月29日发生的日食。研究结果表明，爱因斯坦的预测是正确的，英国天文学家弗兰克·戴森（Frank Dyson）爵士随后证实了他们的研究。在第一个证据出现之后的6年里，有600多人著书立说讨论相对论，40岁的爱因斯坦成为国际知名人士。 [17]
1921年，爱因斯坦第一次来到美国。从那以后，美国媒体开始习惯性地询问受访者是否理解狭义相对论。时任世界犹太复国主义组织主席的哈伊姆·魏茨曼（Chaim Weizmann）曾与爱因斯坦一同乘坐远洋客轮出行，当媒体问他是否理解这一理论时，他开玩笑说，“在旅途中，爱因斯坦每天都向我讲解他的理论。船靠岸时，我终于相信他是真的理解这套理论”。 [18]
1930—1931年，爱因斯坦第二次来到美国。1933年，希特勒当选德国总理。纳粹分子查抄了爱因斯坦在柏林的公寓，还有他在德国卡普斯的另一套住宅。幸运的是，他的资料已经被秘密地送到了法国大使馆。同年，爱因斯坦第三次来到美国，并接受了普林斯顿高等研究院的教授职位。从此以后，他再也没回过欧洲。
革命性科学发现的推动力
1938年，爱因斯坦与利奥波德·英菲尔德（Leopold Infeld）合作出版了《物理学的进化》（The Evolution of Physics ），让全世界的人有了一个不可多得的机会，聆听爱因斯坦这位物理学领域最重要的科学家亲口讲述他取得重大突破的传奇经历。这部著作的独特之处在于浅显易懂，即使非专业人员也可以一睹为快。事实上，爱因斯坦和英菲尔德视这本书为他们和读者之间的“简单对话”。虽然两位作者没有回避整个故事中极具挑战性的部分，但他们没有使用数学方程式，而是通过思想实验或类比来帮助读者理解。这本书之所以非常独特，还因为爱因斯坦和英菲尔德不仅解释发生了什么，还解释了原因。也就是说，这本书介绍了这个用于解释现实的新理论是如何产生的。与此同时，爱因斯坦和英菲尔德还揭示了科学进步的很多智力过程。 [19]
全书分成4个部分。第一部分是现代科学的起源，即牛顿力学理论。爱因斯坦写道：“我们外部世界的现实是由粒子和粒子之间的简单作用力构成的，简单作用力的大小仅与粒子之间的距离有关。”第二部分是法拉第和麦克斯韦的电磁场理论。爱因斯坦对场论进行了总结：“要让所有事件都变得井井有条，要理解这些事件，最重要的或许不是了解物体的行为特点，而是了解物体之间的某个事物（也就是场）的行为特点。但是，只有通过大胆的科学想象才能充分理解这个问题。”第三部分是爱因斯坦的狭义相对论。它彻底推翻了诸如“绝对时间”这样的旧概念，并创造了一些新概念，比如，观察者选择的参照系对于事件的描述和解释具有非常重要的意义。第四部分是量子理论。爱因斯坦写道，量子理论“没有提出个体必须遵循的法则”，而是提出了“概率律”。 [20]
牛顿力学理论
牛顿的目标是解释运动，但这项任务可能比他预料的复杂得多。爱因斯坦说：“一块被抛到空中的石头，一艘航行在海上的船，一辆在街道上运动的手推车，实际上都是非常复杂的。”静止的物体，比如静止的手推车，需要通过某个动作或施加作用力才能让它运动起来，也就是说，必须有人“推它或抬它，或让其他物体……对它产生某种作用”。牛顿的惯性定律认为力是必不可少的，“物体会保持其静止或匀速直线运动的状态，除非有外力迫使其改变这种状态”。 [21]
力并不是体现在观察对象的运动速率（或速度）上，而是体现在速度变化上，这是爱因斯坦最早指出的牛顿力学必须面对的一个最重要的细节。换句话说，手推车的运动速度并不能证明手推车受到了力的作用。相反，只有观察到手推车的速度发生了变化，才能证明作用力的存在。如果石头从塔顶上掉下来，它的速度会在坠落的过程中不断增加。如果这块石头被抛向空中，它的运动速度就会逐渐减慢。在石头脱手的那一刻，向上的作用力非常大，随着石头上升，它的速度会减慢，因为重力正在把石头拉向地面。从速度的变化，我们可以断定石头受到了力（重力）的作用。爱因斯坦说，力体现在速度变化上，而不是速度本身上，这是一个非常复杂又微妙的难点，也是“牛顿经典力学的基础”。 [22]
牛顿力学是针对所有现象提出的，但重力是日常生活中最普遍的力量。牛顿的万有引力定律指出，任何两个物体之间都存在相互吸引力，即万有引力。万有引力与物体的质量成正比，与两个物体间的距离成反比。物体越大，引力就越强；物体越远，引力就越弱。然而，这条定律导致牛顿之后的所有科学家都认为引力与物体的重量（质量）及物体之间的距离有关。法拉第和麦克斯韦最了不起的地方就是对这种观点提出了质疑，并通过不同方法解释了电和磁之间的吸引力。爱因斯坦因此把他们视为自己的榜样。
法拉第和麦克斯韦的电磁场理论
经典力学最无法完成的任务就是解释“所有现象”，而不仅仅是重力现象。当牛顿的力学理论无法解释电、磁和光时，新的科学便呼之欲出。爱因斯坦回忆说，库仑为了让牛顿力学可以解释电现象，曾断言电动力与距离和质量有关。两个物体之间的距离越短，电量越大，物体之间的电动力就越强。然而，爱因斯坦发现，库仑的努力并不能完全解释电现象，因为电动力和万有引力之间存在明显的不同。万有引力一直存在，但电动力不会自动产生。此外，万有引力表现为吸引力，而电动力既包含吸引力也包含排斥力。爱因斯坦认为，电和磁之间的联系被发现后，牛顿力学对电现象的解释就不攻自破了。例如，电荷的速度增加时，所产生的磁力也会增加，由此可见，磁力并不像牛顿和库伦所认为的那样，只与距离和质量（或电量）有关。 [23]
爱因斯坦强调，法拉第、麦克斯韦和赫兹把“一些革命性的观点引入了物理学”。在阐述这些观点的核心内容时，爱因斯坦说：“这些新概念源于它们与电现象的联系。”电不仅颠覆了现代社会的运行方式，还让人类对自然界运行方式的基本认识发生了根本性变化。 [24]
接下来，爱因斯坦阐明了为什么场论在解释电磁现象时效果优于力学理论。他回顾了电流对磁体的作用，然后提出一个问题：电流对磁体的作用力是如何产生的？爱因斯坦解答了这个问题：“事实证明，场是一个非常有用的概念。场首先是场源与磁针（用来描述吸引力）之间的某种东西。”如果物体之间看似空荡荡的空间不是空的，而是充满电力线和磁力线，牛顿力学理论怎么可能正确呢？吸引力又怎么可能只与物体的质量及距离有关呢？ [25]
场论的最终成果来自它与波动说的联系。爱因斯坦明确指出，麦克斯韦方程的“数学推导结果”是“电磁波……电场的每一个变化都会产生一个磁场，磁场的每一个变化又会产生电场……如此循环反复”。最后，爱因斯坦提出了另一个问题：“电磁波在真空中的传播速度是多少？”他给出的答案是：“电磁波的速度等于光速。”爱因斯坦说：“从理论上发现电磁波以光速传播，是科学史上最伟大的成就之一。”电的独特性在于，它不仅可以满足人类的日常生活需求，还是推动革命性科学进步的关键因素。 [26]
爱因斯坦的相对论
爱因斯坦的相对论毫无疑问是具有里程碑意义的科学突破。在法拉第的电磁感应定律和麦克斯韦方程式的启发下，爱因斯坦开始思考光速恒定会产生什么结果，从而和电的研究建立了重要联系。狭义相对论就是这种思考的成果之一。
爱因斯坦通过若干简单的例子介绍了他的科研成果。在每个例子中，观察结果都变化不定，原因就在于爱因斯坦所谓的坐标系，或者更简单地说，就是观察者的参考系。在其中一个例子中，爱因斯坦设想有一个人正在行驶的船上行走，速度是每小时3英里。船上的观察者肯定认为这个人的速度是每小时3英里。如果观察者在岸上，而不是在船上呢？如果船的速度是每小时30英里，岸上的观察者就会说，船上的那个人正在以每小时33英里（人的步行速度和船的行驶速度之和）的速度前进。在牛顿经典力学中，这两种观察结果的差别是完全可以理解的。事实上，一个观察者的观察结果可以被“转化”成另一个观察结果，就像上文那样，把两个速度相加即可。 [27]
但是，当科学家们开始测量光速时，问题就出现了。光的速度会随参考系的变化而变化吗？如果船上的人以光的速度行走，那么在岸上的人看来，他的速度需要在光速的基础上加上船的行驶速度吗？如果麦克斯韦方程组适用于这个情境，答案必然是否定的。正如爱因斯坦所说：“光的速度在所有坐标系（或参考系）中都相同，与发射源是否运动、如何运动，没有任何关系。”爱因斯坦断言，如果光速在所有参考系中都相同，“（牛顿的）运动定律就存在自相矛盾之处”。 [28]
这个发现令人惊讶。如果光速在任何参考系中都是恒定的，时间和距离的测量就会因参考系的不同而不同。爱因斯坦指出：“如果光速在所有坐标系中都相同，那么移动的木棒长度必然会改变，移动的时钟节奏也必然会改变。”他据此得出了一个著名结论：时间和距离的测量因观察者的参考系的变化而变化。由此可见，爱因斯坦的观点建立在光速是一个不变常量的基础之上。 [29]
接下来，爱因斯坦将牛顿定律定义的力的概念与他的相对论定义的力的概念进行了比较，并很快推导出他的那个著名的方程式。对于牛顿来说，力可以用速度的变化来表示，而速度的变化量与初始速度无关。在相对论中，这个观点是不对的。已知力导致的速度变化与初始速度是有关系的，把速度从每小时100英里提高到每小时101英里，比从每小时10英里提高到每小时11英里需要的力更大。也就是说，在提高速度时，初始速度越大，需要的力就越多。因此，我们可以得出一条法则：速度越接近光速，进一步提高的难度就越大；一旦达到光速，速度就无法再提高了。 [30]
随后，爱因斯坦开始考虑质量、运动和参考系的影响。牛顿经典力学认为，质量越大，改变运动状态时遇到的阻力就越大。简单地说，推动一辆满载的手推车比推动一辆空手推车需要的力更大。相对论提出了一个新概念，即运动状态变化遇到的阻力还会随着速度的增加而增大。借助这个概念，爱因斯坦把能量与质量联系起来。他认为：“静止的物体有质量，但是没有动能，即动量。运动的物体有质量和动能，它抵制速度变化的能力比静止物体强。如果两个物体的静止质量相同，那么动能较大的物体对抗外力的能力更强。”他给出了一个令人惊讶的结论：“所有的能量都会对抗物体运动状态的改变，所有的能量都与物体质量具有相同的行为特征。” [31]
最后，他将牛顿力学的基本观点与他的相对论进行了对比：“经典物理学引入了质量和能量这两个物理量……经典物理学有两个守恒定律：质量守恒定律和能量守恒定律……根据相对论，质量和能量之间没有本质的区别。能量有质量，质量有能量。所以，相对论只有一个守恒定律，那就是质能守恒定律。” [32]
对于电学来说，这种质能等效性的直接影响力是巨大的。根据狭义相对论得出的著名方程式，即E=mc2 ，使核技术成为可能。爱因斯坦的科学突破之路具有同等重要的意义，它建立在法拉第和麦克斯韦电磁研究的基础之上，因为电磁研究促生了电磁波的发现，进而发现光速是恒定不变的。光速恒定是蕴含在E=mc2 方程中的质能等效性的基础，这个方程改变了整个世界，其中也包括电力业务。
量子理论
在讨论了场论和相对论之后，爱因斯坦在《物理学的进化》的第四部分介绍了量子理论：“一些基础性问题还有待解决。我们知道，所有物质都是由有限的几种粒子构成的。这些基本粒子如何形成了各种各样的物质？这些基本粒子如何与场相互作用？通过寻找这些问题的答案，物理学引入了一些新思想——量子理论。”量子力学研究的是微观粒子的运动规律。 [33]
爱因斯坦在1938年写作的关于量子力学的文章中进一步表明，电在物理学取得的这个重大进步中起到了核心作用。对于爱因斯坦来说，电和量子力学的基本联系来自“一个认识：电子是带负电荷的基本粒子，是原子的组成部分，也是构成所有物质的基本单位之一”。他指出，著名物理学家约瑟夫·汤姆逊（J.J.Thomson）已经证明，“电流是由微粒构成的，就像沙滩是由沙粒组成的，房子是由砖块砌成的一样”。构成电流的“沙粒”，更确切地说是基本粒子，叫作电子。他再次强调了电的重要性：“这个研究成果将物质的结构问题与电紧密地联系在一起。毫无疑问，这与许多独立实验得出的结果是吻合的。” [34]
核武器的诞生
不仅是爱因斯坦本人，他的方程也被他人著书立说，科学作家戴维·博达尼斯为它创作了一部质量上乘的传记——《E=mc2传》（2000）。在这个方程的影响力不断扩大的过程中，其他科学家利用爱因斯坦在1905年的第五篇论文中提出的伟大见解，开辟出一条通向20世纪40年代开发和使用核武器的道路。
至少在某种程度上，核武器的诞生过程始于20世纪早期的原子研究。大约在1910年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）研究发现，原子几乎是中空的，原子核居于中心位置，带负电荷的电子沿着外侧运行；原子核中有带正电荷的质子。后来，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）在1932年发现原子核中还有呈电中性的中子。查德威克用中子高速轰击原子核，想看看中子数量增加后原子核会发生什么变化，但是方法无效。1934年，恩里科·费米（Enrico Fermi）发现缓慢移动的中子可以挤进原子核。 [35]
这个研究方向上的下一个重大发现是由莉泽·迈特纳（Lise Meitner）在1938年完成的。迈特纳是德国最著名的科学家之一，她和奥托·哈恩（Otto Hahn）在威廉皇帝研究所合作过，并取得了丰硕的成果。希特勒在1933年上台后，迈特纳便被逐出柏林大学，因为她是犹太人。后来，她又被逐出威廉皇帝研究所；遗憾的是，这一次被驱逐也有哈恩的一份“功劳”。尽管如此，迈特纳在斯德哥尔摩流亡期间，并没有停止与哈恩的合作。 [36]
迈特纳专注于研究自然界中最重的元素铀。铀的原子核里挤满了中子，迈特纳想知道用中子轰击铀原子核会产生什么结果。会创造出什么东西呢？会变重吗？在瑞典过圣诞节期间，迈特纳收到了哈恩的一封信，信中说他发现了一些不寻常的现象。迈特纳的外甥罗伯特·弗里希（Robert Frisch）是在丹麦工作的一名物理学家，与尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）是同事。当时，弗里希正和他的姨母迈特纳一起在瑞典度假。哈恩说，对铀原子核的轰击引发了放射性现象——“能量流喷射而出”。这个结果并不是特别令人惊讶。玻尔认为，原子核随时会分裂，因为带正电荷的质子相互排斥（同性相斥）。现在的问题是：中子数量增加，能否导致原本平衡的天平发生倾斜，进而使原子核分裂呢？ [37]
迈特纳和弗里希发现，中子的轰击让原子核发生了分裂，而没有让原子核变大。迈特纳和弗里希借用了一个生物学词汇，把这个过程称为裂变。这与爱因斯坦方程有着非常重要的联系。在一个原子核裂变为两个较小原子核的过程中，失去的质量被转化为能量，这与爱因斯坦方程的预测不谋而合。博达尼斯说，如果这个发现是在其他时间完成的，那么爱因斯坦方程可能需要花几十年的时间才能得到科学界的认可，“但在1939年，地球上刚刚爆发有史以来最大的一场战争。世界各国都在比赛，看哪个国家能率先找到方法，将这个方程的潜力发掘出来”。这是一场争相制造核武器的竞赛。 [38]
1939年，爱因斯坦的一位老朋友、时任哥伦比亚大学教授的匈牙利物理学家利奥·西拉德（LeóSzilárd）找到他。听了西拉德的解释，爱因斯坦很快就认识到铀裂变研究有可能造成危险的后果。雷曼兄弟公司的经济学家亚历山大·萨克斯（Alexander Sachs）给了爱因斯坦一些建设性意见，随后爱因斯坦给罗斯福总统写了一封信。他在信中写道：“这个新的发现还可以用来制造炸弹。可以想象，尽管我不是特别确定，这种新型炸弹的威力巨大。只需用船只将一枚这样的炸弹运载到某个港口，然后引爆，就可能将整个港口连带周围陆地上的设施彻底炸毁。”萨克斯在将近两个月后才找到机会把爱因斯坦写给罗斯福的这封信送了出去。尽管爱因斯坦当时已然是世界上最著名的科学家，但罗斯福并没有特别重视这件事。读完爱因斯坦的信后，罗斯福成立了一个由利曼·布里格斯（Lyman Briggs）博士领导的铀顾问委员会，布里格斯当时是美国国家标准局局长。 [39]
然而，1940年，迈特纳的外甥弗里希已经让英国人相信了制造核武器的可能性。德国人也相信了这种可能性，并且委派世界排名第二的科学家沃纳·海森堡来负责这项工作。1940年，海森堡从希特勒军队占领的捷克矿井中提取了铀，开展了第一次核试验。费米当时已经发现，如果想通过原子核裂变的方式将质量转化为能量，关键点就在于减慢中子的速度。如何减慢中子的速度呢？水可以起到辅助作用，而含有更多氘的重水效果最好。氘是氢的同位素，质量是普通氢的两倍。对德国人来说，重水供应是他们的一个弱项。他们不得不依靠挪威的一处设施来获取重水，但它很快成为盟军的进攻目标，由此延迟了德国科学家得到重水的时间。 [40]
海森堡的第一次核试验失败了，1942年，他终于找到了一个可行的方法。1941年12月7日珍珠港事件发生后，美国实施了“曼哈顿计划”。1945年8月，一架载有核弹的美国飞机飞到日本上空。就这样，爱因斯坦方程第一次对人类产生了重大影响，并造成了灾难性后果。
爱因斯坦既没被告知也没被邀请参与曼哈顿计划，因为美国联邦调查局认为他是一个安全风险。时任美国联邦调查局局长的埃德加·胡佛（Edgar Hoover）称，爱因斯坦是一个潜在的不利因素，因为他是一个和平主义者。尽管如此，《时代周刊》杂志却在封面上刊登了爱因斯坦、他的著名方程式以及原子弹的照片，并因此引发争论。《时代周刊》认为，爱因斯坦虽然没有直接参与发明原子弹，但这个项目是在他的提议下启动的，项目的基础也是他的方程式。爱因斯坦说过，如果他早知道德国人研制不出核武器，他就不会帮忙。他呼吁成立一个国际组织，赋予它“军事力量垄断权”。爱因斯坦说，阿尔弗雷德·诺贝尔设立诺贝尔奖是为他发明炸药的行为“赎罪”，因此他和其他参与者也必须为发明核武器的行为赎罪。爱因斯坦说：“我不知道第三次世界大战爆发时人们会用什么武器……但我可以告诉你，第四次世界大战爆发时人们使用的武器将是石块。” [41]
爱因斯坦留给世人的遗产
爱因斯坦留给世人的最直接遗产，是在他1905年发表的5篇论文中的最后一篇。这篇论文中的E=mc2 方程，是核武器和核技术的科学基础。无论这些技术给我们带来了什么，爱因斯坦都不应受到指责，也不应独占全部功劳，但他确实推动了这些技术的发明。
物理学在19世纪和20世纪取得的伟大进步，在很大程度上要归功于对电的性质以及电、磁、光三者间的密切联系的研究，这对于电的历史而言意义重大。牛顿力学的经典地位促使科学家们在解释自然界的其他主要作用力时，往往倾向于运用万有引力定律。但也正是因为牛顿力学无法解释电、磁和光，才为法拉第和麦克斯韦的电磁场理论打开了一扇门。麦克斯韦的研究不仅颠覆了牛顿力学，还通过证明光速恒定为下一个伟大的进步——爱因斯坦的相对论——奠定了基础。值得一提的是，电磁学凭借它在量子力学中的核心地位，继续在科学进步中发挥着关键作用。
遗憾的是，进一步探索电学发展道路的努力已经让位于电力行业的其他关键因素，包括法律、法规，尤其是政治。看看今天关于电学的讨论，鲜少有像电学研究引发伟大科学革命这样的内容，科学革命推动电力生产和电力技术应用的内容更是少之又少。当然，科学引领新革命的潜力还未完全被发掘出来，人类必须重新走上这一发现之路。
爱因斯坦留给我们的遗产还包括他为科研人员设定的行为标准：彬彬有礼，平易近人，谦虚低调。他欣赏在他之前以及和他同时代的科学家们。他对科学进步的过程表现出深深的关注，他说，“提出新的问题、新的可能性，从新的角度审视旧问题，需要创造性的想象力，也是科学取得真正进步的标志。” [42]
从他与英菲尔德合写的那部著作中可以看出，爱因斯坦是一个脚踏实地的人。1916年，爱因斯坦又写了一本适合门外汉阅读的《狭义与广义相对论浅说》（Relativity:The Special and General Theory ），还出版了文集《想法和意见》（Ideas and Opinions ）。爱因斯坦的写作范围广泛，除了科学，还涉足政治、政府、和平主义、教育、友谊和宗教等。他不仅关注科学研究，还关注科学对当代世界的影响。
爱因斯坦写道：“我的信仰包含了对不懈追求卓越的精神的恭敬之心，当我们用脆弱无力的才智去感知那些细微之处时，这种精神就会展现在我们眼前。”他对科学和宗教的相互作用发表了更深入、更自由的观点。1939年，爱因斯坦在普林斯顿神学院发表演讲时坦承：“人们普遍认为，知识与信仰之间存在不可调和的矛盾。”然而，他说：“科学只能断言‘是什么’，而不能断言‘应该是什么’。” [43]
爱因斯坦于1955年4月离开人世，享年76岁。《时代周刊》在题为“天才陨落”的讣告中指出，如果没有被爱因斯坦的外表蒙住双眼，我们就会发现“这个在新泽西州普林斯顿默瑟街112号的一幢不起眼的木屋里”居住了22年，“穿着肥大的裤子，戴着蓝色绒线帽，不修边幅，谦虚低调的矮个子男人”，“不仅智商非常高，而且想象力丰富，所以才能够超越经典的科学理论，更深入地研究前人未曾研究的物质的奥秘”。 [44]
在爱因斯坦生活的那个时代，普通民众往往会接受科学家对这些“物质的奥秘”的看法，即使他们无法对科学家给出的证据做出独立的判断。彬彬有礼、平易近人、谦虚低调的爱因斯坦也很容易得到他们的信任，今天我们比以往任何时候都更需要这种信任，以及像爱因斯坦一样的科学家。 [45]
[1] Albert Einstein and Leopold Infeld,The Evolution of Physics: The Growth of Ideas from Early Concepts to Relativity and Quanta (New York: Simon & Schuster,1938),197–98.(With all due respect to Professor Infeld,and for convenience only,the remaining cites only Einstein in the text.)
[2] Walter Isaacson,Einstein: His Life and Universe (New York: Simon & Schuster,2007),438;Kristen Rogheh Ghodsee,“Einstein’s Pacifism: A Conversation with Wolfram Wette,”Institute for Advanced Study,2015,accessed October 1,2016,<https://www.ias.edu/ideas/2015/ghodsee-einstein-pacifism>
[3] Matthew Chalmers,“Five Papers That Shook the World,”Physicsworld.com,January 5,2005,accessed October 1,2016,<http://physicsworld.com/cws/article/print/2005/jan/05/five-papers-that-shook-the-world>
[4] Chalmers,“Five Papers That Shook the World.” The speed of light is about 186,000 miles per second.
[5] Isaacson,Einstein: His Life and Universe,10–11,18–19.
[6] Don Howard and John Stachel,eds.,Einstein: The Formative Years,1879–1909(Boston: Birkhaüser,2000),91–92.
[7] Isaacson,Einstein: His Life and Universe,25,32–34,36,48.
[8] Isaacson,Einstein: His Life and Universe,56–57,71.
[9] Isaacson,Einstein: His Life and Universe,73,77–79.
[10] Chalmers,“Five Papers That Shook the World.”
[11] Albert Einstein,“On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transformation of Light,”Annalen der Physik (1905),online atPrinceton University Press Einstein Papers,accessed October 1,2016,<http://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol2-trans/100>;Chalmers,“Five Papers That Shook the World.”
[12] Chalmers,“Five Papers That Shook the World”;Albert Einstein,“On the Movement of Small Particles Suspended in Stationary Liquids Required by the Molecular-Kinetic Theory of Heat,”Annalen der Physik (1905),online atPrinceton University Press Einstein Papers,accessed October 1,2016,<http://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol2-trans/137>.
