据并不在于它们是派生于感觉所给予的东西。（在逻辑的可推演性
的意义上）从来没有，甚至在任何地方都没有这种派生过程，即使
在近代科学出现以前的思想领域里也不会有的。对我们表现为“实
在”[das‘Reale’]的这种构造的合理性，仅仅在于它们能够更完美
地，或毛病最少地使感觉上给予的材料变得可以理解的那种性质
（因我力求简洁，所以在这里不得不采用这种模糊的表述）。（席
尔普，《阿耳伯特·爱因斯坦》，669页）[48]
“简洁”（Brevity）没有给爱因斯坦带来好处。举个例子，大概是由
于他对量子理论众所周知的反对立场（认为其不完备），爱因斯坦时常
并且继续被认为是一个“规范实在论者”（paradigm Realist）。那么，爱
因斯坦一直给“真实”或“物理实在”加提示性引号，有什么意义呢？实在
论者怎能认为“存在”或“实在”是一种“智力构建”？另外，“自由假定”又
是什么意思？
要完全令人满意地回答这些问题，就必须考虑爱因斯坦对物理理论
特点的理解。这种理解受到狭义和广义相对论的公理（或“原理”）结构
的指导，但也吸收了19世纪末20世纪初的经典物理理论家们，特别是亥
姆霍兹、赫兹、玻尔兹曼、洛伦兹、普朗克、庞加莱、迪昂对该主题的
哲学讨论。在这里无法尝试给出这样一个答案。尽管如此，在上述评论
中仍可能指出更为明显的趋势。亥姆霍兹、赫兹和普朗克（后两位是亥
姆霍兹的学生）强调了大体上是康德的观点，也就是我们能够了解的物
理实在，是智力的一种“构造”（或由智力“构造”）；几页之后，爱因斯
坦同样引述了康德的“真正有价值”（“truly valuable"）的意义，认为其
意思是“有这样一种人与人之间相互理解的概念构造[ begriffliche
konstruction]，其权威完全在于它的被确认[Bew?hrung]。这种概念构造
（通过定义）确切地谈到了“实在”[ Wirkliche]，而关于“实在的本性”的
每一个进一步提问都显得空洞无物。（席尔普，《阿耳伯特·爱因斯
坦》，680页。）
庞加莱的约定论首先强调了经验主义的局限，尤其是几何学公理决
不能通过测量空间距离和角度来唯一地决定，而是“自由选择”的约定，
选择的标准是“简易”或方便。赫兹、普朗克，尤其是迪昂强调方法论的
事实，即经验观察和理论假设的关系常常是间接的，物理理论因此是作
为一个“整体”被假设性演绎地加以检验，方式是检验由理论假设导出的
经验预测。玻尔兹曼和普朗克反对实证主义，认为物理理论的目的
是“把握”实在，尽管他们不可避免地（对普朗克来说，是清醒地）认识
到这种目标不可能实现。在世纪之交，爱因斯坦深为钦佩的H.A.洛伦
兹，实质上明确表达了爱因斯坦1919年提出的关于“原理性理论”（比如
相对论理论）和“构建性理论”（比如气体分子运动论，它试图从基础性
的简单规律和假设出发推导出观测现象来解释这些现象）之间的差别。
爱因斯坦为这些倾向增添了一种与众不同的特征风格，对基本物理理论
产生了持续的影响，尤其是在1933年6月牛津的赫伯特·斯宾塞演讲中：
在对称性和美学思考的引导下，数学推测可能成为一种发现的模式。然
而富有启发性的是，爱因斯坦认为这种理性主义冲动是“温和”的，并且
意识到自己在统一场理论上的堂吉诃德（Don Quixote）式的失败（参见
1950年4月15日，致米凯勒·贝索；爱因斯坦档案编号7—396）。
量子理论
爱因斯坦自己承认花在思考量子理论问题上的时间超过其他任何物
理学领域。如果不是因为他非常公开地反对20世纪20年代中叶出现的量
子力学的某些方面，爱因斯坦的名字会更加普遍地和量子联系在一起。
然而，量子力学之前的旧量子论的很多部分都是爱因斯坦的工作，远超
任何其他物理学家的贡献。
量子论始于马克斯·普朗克（参见“同事”一节）关于黑体谱线（参
见“概念”一节）理论的研究。之前的黑体（只发射热辐射的那些物体）
热辐射发射谱线的理论，在解释实验室中所观测到的光谱的高频端时遇
到了问题。普朗克用一种似乎有点临时性的方法解决了这个问题。他提
出，当电磁波以困在物质腔壁之间的空腔中的驻波形式出现时，其能量
只能以量子，也就是能量包的形式存在，每个包的大小与辐射频率成正
比。因此，辐射能量（至少在这种特殊情况下）以离散包而不是连续的
形式存在。由于高频区能量包更大，量子效应只出现在高频辐射中。这
样，普朗克就解释了为什么经典理论在解释黑体频谱的低频端时没有困
难，但只有他的量子假设能解释高频端。
爱因斯坦通过提升普朗克量子假设的意义而迈出根本性的一步。他
提出，如果量子假设适用于腔内驻波的特殊情况，就没有理由不适用于
一般的电磁辐射。1905年，他在研究光电效应（参见“概念”一节）时首
次应用了量子假设。他认识到，光照射在金属表面时产生电流的现象，
是光的行为违反连续现象预期的另一个例子。在光电效应的研究中发
现，小于某一频率的光，打到特定的金属上时没有产生电流的能力。爱
因斯坦注意到，如果光像一列波那样被连续吸收，就很难解释这一现
象。即使让原子释放一个电子来产生电流需要一定的能量，如果能量能
随时间不断累积，那么我们只需等待其吸收足够的能量，就会产生电
流。但实际上，电流总是要么在光照射金属的时候立即产生，要么就在
光的频率低于某个临界值时干脆一点没有。这一现象显示，电子吸收了
普朗克所提出的量子包中的光。所以，电子要么一次得到所需的全部能
量，要么一点能量都没有得到。如果辐射量子携带的能量太少，不足以
释放一个电子，那么它们就永远无法做到，时间再长也没用；如果它们
能释放电子，那就不需要等候期。
精通基于统计物理学的旧分子运动论（参见前文）的爱因斯坦，开
始研究该理论在其他领域是否也遇到困难。他在物质的比热容（参
见“概念”一节）研究中发现了这样一处困难。实验表明，一些材料随着
温度降低会开始失去吸收热量的能力。爱因斯坦认识到，这是进入量子
领域时经典理论开始失效的另一个例子，这里出问题的是能量均分定理
（参见“概念”一节）。均分定理是分子运动论的基础，它强调在统计系
统中，能量在所有可能模式中是均等共享的。然而，如果能量以离散包
的方式出现，那么，当拥有的能量值变小时（低温下就是这样），就完
全没有充足的能量去激发一种模式。因此，更高频率的模式将困在基
态，不能吸收任何能量。随着温度再降低，将失去越来越多的模式，物
质原来吸热的能力也随之失去了。爱因斯坦通过用这种方式解释观测到
的效应，巧妙地为阐明热力学第三定律（参见“概念”一节）的表述打开
了一扇门。热力学第三定律指出，随着温度接近绝对零度，在那里根本
没有任何热量，所有物质的比热容将接近零。
爱因斯坦版本的量子理论存在一个明显问题，那就是存在大量实验
证据表明光确实具有波的表现。然而，爱因斯坦基本上是在回归牛顿倡
导的光粒子（我们现在称之为光子）的旧图景。作为回应，爱因斯坦着
手提出一种早期形式的波粒二象性。他认为光的波动表现为一种幽灵
场，该幽灵场在概率意义上告诉小粒子或光量子应该去哪里。（有关这
些主题，参见“概念”。）
为了设法证明发出的光是一种波还是粒子，爱因斯坦在20世纪20年
代早期寻找一种实验性判决，即可以决定这个问题的判决性实验
（ experimentum crucis）。可当他提出让埃米尔·鲁普完成极隧射线实验
（参见“概念”一节中的“极隧射线”）时，却碰上了科学骗局。鲁普本人
是一名有前途的年轻实验家，却在多年后承认一些实验结果完全是自己
伪造的。当代历史学家认为，对于爱因斯坦所要求的实验，他很可能也
以欺诈的方式伪造了结果。
大约在同一时间，爱因斯坦迈出了最后至关重要的一步，将他对统
计物理学一直以来的兴趣与量子理论的研究相结合起来。他回应了印度
物理学家萨特延德拉·玻色的工作。玻色寄给爱因斯坦一封私人信件，
信中说明了如何从第一原理推出普朗克黑体辐射定律。爱因斯坦比玻色
更敏锐地认识到，后者推导的关键是将所有粒子都视为不可区分的。经
典统计假设从原理上总是可以单独跟踪每个粒子，从而知道哪个粒子是
哪个。但理解量子统计的关键是认识到，由于粒子是一样的，而且太小
不能跟踪（光子显然就是如此），所以在任何给定时刻，人们都不知道
哪个粒子是哪个。这一事实对统计有意义深远的影响。因此，我们今天
把玻色-爱因斯坦统计（参见“概念”一节）称作一种用来描述一大类基
本粒子的统计方法。这类粒子（称为玻色子）都具有在低温下凝聚成一
个单一状态的特殊性质。在研究了玻色的想法后，爱因斯坦首先认识到
这种效应，现在它被称为玻色-爱因斯坦凝聚（参见“概念”一节）。
此时，受爱因斯坦思想启发，并欣然认同的新一代年轻物理学家
们，已经发展出了量子力学的成熟理论（参见“概念”一节）。当爱因斯
坦拒绝这个新理论时，许多人感到震惊和意外，因为这一理论与爱因斯
坦自己的思想看起来是这么的一致！具有讽刺意味的是，作为统计物理
学大师的爱因斯坦，居然反对量子力学的这样一个主要结果：在许多情
况下，波函数结合在一起的粒子的命运是不可能区分的。爱因斯坦最终
信奉了一幅经典图景，主张至少从原理上，总是可以认为系统中的粒子
从根本上是独立的，各自的未来命运与其他粒子是可区分的。他试图用
一系列精妙的思想实验来破坏这个新理论，其中很多实验是在索尔维会
议（参见后文）上提出的，而爱因斯坦的朋友和同事尼尔斯·玻尔则机
智地回答了这些问题，从而支持了新理论。
爱因斯坦对这场对话的最后回应是在20世纪30年代中期提出的著名
的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（Einstein-Podolsky-Rosen）（EPR）佯谬
（参见“概念”一节）。这里，他提出了自己对纠缠（两个粒子有一个联
合的波函数）的最大胆的指控，说明它要求某种超距作用（参见“概
念”一节），因而违反了信息不能超光速传播的相对论原理。尽管EPR
论文最终没有形成对量子理论的挑战，但在爱因斯坦逝世后的岁月里，
它确实为一系列非常富有成效的理论和实验努力提供了基础。
晚年的爱因斯坦对量子力学的主要回应是，希望努力找到统一场理
论（参见后文），用一种能设法解释量子效应的，根本上来说属于经典
的理论来最终取代量子力学。他这一希望未能如愿。现代对统一理论的
尝试采取相反的路线，希望用本质上是量子的最终理论取代像爱因斯坦
广义相对论这样的经典理论。（亦见卡西迪，《爱因斯坦与我们的世
界》[Cassidy， Einstein
and
Our
World]；库恩，《黑体理论》
[Kuhn， Black Body Theory]；以及惠特克，《爱因斯坦、玻尔和量子困
境》[Whitaker， Einstein, Bohr, and the Quantum Dilemma]。）
相对论
狭义相对论
这一理论可能是爱因斯坦对物理学的最大贡献。尽管他获得诺贝尔
奖是因其在量子理论方面的工作，并且因广义相对论的成功而享誉全
球，但是爱因斯坦1905年两篇关于狭义相对论的论文对20世纪物理学各
个方面产生的影响，超过他自己其他任何具有可比性的工作。
20世纪初，人们越来越意识到需要检视电动力学中的相对运动问
题。像H.A.洛伦兹和昂利·庞加莱这样的重要理论家已经在这个方向上
迈出了一系列关键的步伐。洛伦兹已经发现了一组（以他的名字命名
的）转换关系，把在一种“参考系”中得到的一组物理方程转换成一组适
用于另一种框架的有效方程组。这两个参考系被理解为两个相互运动的
不同观测者做出的测量或观测的一种数学表达。他还证明了一个物体在
运动时可能比在静止时要短，这是由于它相对电磁场运动（参见“概
念”一节中的“长度收缩”，也称为洛伦兹长度收缩）。庞加莱已经认识
到这些问题关系到测量的意义这一微妙问题。如果考虑到像测量长度这
样的量，本身就涉及空间中信息传递的过程，会引起什么问题？如果这
些信息的传递速度是有限的，测量本身就会受到影响。
然而爱因斯坦意识到，看起来是电动力学的研究中出现的一些有趣
怪事，实际上却对现代物理学的基本主题之一的运动学研究产生了革命
性影响。事实上，在爱因斯坦之前没有人做过这样研究的一个原因是，
大多数物理学家都满足于忽略这些基础性问题——他们已经解决得很
好，懒得再去思考它们。例如，尽管从麦克斯韦方程组中导出的电动力
学理论遵守的相对运动转换关系与牛顿力学中的不同，却没有引起很多
物理学家的关注。他们的期望是既然电磁学是一种描述波状现象的理
论，那么用来处理粒子或抛体运动的相对理论并不适用于它也没有什么
奇怪。
对粒子的相对性和波的相对性之间存在差别的这种理解，意味着许
多物理学家期待能有一个实验，比如“迈克耳孙-莫雷实验”（参见下
文，“狭义相对论的实验检验”），应该能测定地球在以太中运行的速
度。当这一尝试遭到失败时，他们感到很惊讶。相反地，作为一个深信
不疑的相对论者，爱因斯坦相信的相对性，比其他物理学家的相对性更
强。他认为不看地球之外的物体，只在地球上做实验，应该是不可能测
定地球的运动状态。这就是爱因斯坦的相对性原理。因为迈克耳孙-莫
雷违反了这一原理，所以爱因斯坦应该预期实验会失败。尽管人们常常
说这个实验对爱因斯坦有很大的影响，实际上在他试图发展狭义相对论
时，该结果对他的思考没起到什么作用。一旦接受了自己的相对性原
理，迈克耳孙-莫雷实验的失败就完全在意料之中，不过是表明了原理
很可能是正确的。爱因斯坦要解决的问题，是如何说明这个原理与其他
物理实验结果和理论是兼容的。
爱因斯坦所面临的问题就是，在相对论中光的行为既不像波也不像
粒子。如果它表现得像一个粒子，人们就会期待一颗快速移动恒星发射
的光（比如在一个双子星系统中）会比一颗静止恒星发射的光跑得更
快。如果它表现得像波，那么迈克耳孙-莫雷就应该得出某个肯定结
果，因为地球相对波的介质应该有移动（麦克斯韦本人相信以太是光波
的传播介质）。这两种期望都没有得到实验的支持。这使得爱因斯坦提
出他的第二条原理——光速不变原理。
为了调和这两条原理与已知的实验结果，爱因斯坦不得不像之前的
庞加莱一样认真思考时间问题（参见“概念”一节）。大多物理学家假定
不同观测者对两个事件之间的时间间隔的测量结果总是一致的。某一
天，爱因斯坦意识到要证明不同地方同时发生了两件事，必须等待有关
这两件事的消息的到来。消息必须由光（电磁）波“带来”，而这些波本
身就是研究的对象。爱因斯坦认识到如果正确理解了同时性的相对性
（参见“概念”一节），那他的两条原理就没有矛盾了。不同观测者可能
会在两个事件是否真的同时发生的问题上产生分歧。结果，不同观测者
测到的两个事件之间的时间间隔，可能并不一致（参见“概念”一节中
的“时间膨胀”）。
这种情况似乎让整个问题陷入了一场毫无希望的混乱之中。一切都
是相对的，所有测量都不可靠。爱因斯坦却意识到，不变量的数值还是
保持不变的，这里不变量的意思是所有观测者测得的数值都是相同的。
不过单独的空间和时间，都不是不变量。只有将这两个概念统一到单一
的时空统一体中（参见“概念”一节），并且只有在测量事件之间的时空
间隔，而不是测量距离和时间的时候，才能找到不变量。爱因斯坦觉得
这些不变量才是理论的基础，故而对物理学家们用“相对论”称呼整个理
论感到失望。他最初只谈到了相对性原理。后来他声称假使要为整个理
论取名字的话，他会将其称为“不变量理论”。
在提出以同时性的相对性为具体表现的概念性突破后，爱因斯坦很
快地发表了完整的理论（因为他已经花了数年时间反复思考这个问
题）。在完成第一篇论文之后不久，他意识到新理论隐含了一个更重要
的结果。就像相对静止观测者来说，一个运动物体会缩短（长度收
缩），其时钟会变慢一样，这个物体的质量也会比它静止时更大。原因
是它拥有更多的能量（因为它运动，所以有动能）。并且爱因斯坦意识
到能量产生惯性，进而拥有质量。所以，他提出了著名的方
程 E=mc2（参见“概念”一节）。这毫无疑问是所有物理学中最著名的方
程，它表明了狭义相对论的重要性。（亦见施塔切尔，《爱因斯坦的奇
迹年》[Stachel， Einstein’s Miraculous Year]；马丁内斯，《运动学》
[Martinez， Kinematics]。）
狭义相对论的实验检验
众所周知，某些实验结果在爱因斯坦于1905年发表的理论的发展过
程中起了重要作用。其中包括伊波利特·斐索（Hippolyte Fizeau）关于
流水中光速的实验以及恒星光行差的天文学研究。他也受到了迈克尔·
法拉第（Michael Faraday）电磁感应定律的影响，特别是其中不管是移
动磁铁还是移动电线圈都会引起电流，结果都是一样的，说明起作用的
是相对运动而不是绝对运动。然而事后被许多人认为是引发了爱因斯坦
理论的迈克耳孙-莫雷实验，在爱因斯坦的思考中几乎没起什么作用。
他只是在后来的岁月中偶尔以谈话的口气让人觉得他在研究自己的理论
时已经知道了这个实验。实际上，这个实验只是给他已有的信念提供了
额外证据——他确信相对性原理适用于自然界的所有物理效应。
在爱因斯坦发表狭义相对论后的10年里，大多数物理学家，特别是
那些想用实验检验相对论的物理学家，认为它是H.A.洛伦兹电磁理论的
一个版本。所以，早期的实验性证实或证伪的尝试集中在爱因斯坦-洛
伦兹理论上。主要竞争理论是马克斯·亚伯拉罕的电子理论（参见后
文，“对手”）。早期最著名的实验是瓦尔特·考夫曼完成的，他通过尝
试测量不同速度的电子质量，实际上检验了公式 E=mc2。考夫曼1905年
的结果声称符合亚伯拉罕的理论，而不支持爱因斯坦的理论，但普朗克
重新分析了考夫曼的研究结果，并对这一结论提出了质疑。爱因斯坦似
乎没有因明显的挫折而不安。
到1915年为止，一些其他实验者进行了类似的检验，所有结果都符
合爱因斯坦理论。这些实验难度很大，其结果并非无懈可击，但是氢原
子谱线精细结构的细节与基于爱因斯坦质能方程的计算结果非常接近。
狭义相对论的预言中，归功于爱因斯坦个人的贡献是时间膨胀现
象。然而，直到爱因斯坦预言该效应（1905年）的几十年之后，才有足
够精确的时钟。通常认为1938年的艾凡斯-史迪威实验（Ives-Stillwell
experiment）是这一预言的首次验证。今天的一些技术系统，如全球定
位系统（GPS），必须考虑到时间膨胀，或者也叫横向多普勒频移。总
体来说，时间膨胀是狭义相对论的特征之一，设计验证它的实验相对较
少，但是当代物理学许多重要结果都取决于它是正确的假设。
广义相对论
爱因斯坦的狭义相对论（参见前文）在物理学界受到欢迎。到1907
年，有人请他写一篇评论文章，总结这一领域的研究现状。他利用这个
机会讨论了广义相对论作为理论合乎逻辑的进一步发展的可能性。狭义
相对论基于的原理及原理衍生出的结果，都局限于惯性观测者的情形，
也就是观测者处于恒定速度、没有加速度的运动状态。如果只和这样的
观测者打交道，狭义相对论的变换关系（洛伦兹变换）就能将和一位惯
性观测者相关的物理方程组转换成另一惯性观测者有效的方程组。很明
显，这些惯性观测者们会一直沿直线以恒定速度做相对运动。爱因斯坦
相信有可能实现广义协变，使得即使观测者彼此相对加速，也有可能找
到一种（普遍适用的）变换关系，把对其中一人适用的正确方程组转换
成对另一人有效的方程组。
爱因斯坦认为可能构建这样一种理论，这本身就体现了他对推广相
对性观念的信念。大多数物理学家不相信加速观测者与其他观测者看到
的世界也能有某种意义上的相同之处，因此觉得即使有可能存在广义协
变，也不会有什么特别用处。然而在撰写评论文章的时候，爱因斯坦有
了一个深刻的洞见，他后来自述为“我一生中最快乐的思想”（参见附录
