C中第89篇，以及派斯，《上帝难以捉摸》，第9章的讨论）。他意识

C中第89篇，以及派斯，《上帝难以捉摸》，第9章的讨论）。他意识

到，等效原理提供了一组可以和加速观测者进行适当的比较的观测者。

这些观测者处于一个引力场中（例如，在一个行星的表面）。因此，相

对性原理在无加速运动的特殊情况下告诉我们哪些观测者是等同的，而

等效原理却在更普遍的情况下指出哪些观测者是等同的。因此，在探索

一个更普遍的理论的时候，等效原理将取代相对性原理。广义相对论同

时也必将是一个新的引力场理论。

不仅相对性原理不适用于这个广义理论（因为它只用于惯性观测

者），还有狭义相对论的第二个基本原理（或公理）：光速不变原理，

也不适合。根据马赫（参见“影响爱因斯坦的科学先辈及同代人”一节）

光速不变原理仅适用于惯性观测者。加速中的或者处于引力场中的观测

者，测出的真空光速不必一定是 c。为了替广义理论找到第二条原理，

爱因斯坦采用了他所谓的马赫原理，并把它当作等效原理的一种推论。

众所周知，处于转动（旋转）参照系的人经历的某些力（离心力，科里

奥利力），在惯性观测者看来是不存在的。爱因斯坦提出这些力是由全

部宇宙质量的引力场以某种方式产生的。由于科里奥利力是一种切向而

非径向的力，爱因斯坦从一开始就预见到他的新引力理论将会展示我们

现在所谓的某些引力-磁性（参见“概念”一节），比如参考系拖曳，它

类似于麦克斯韦电动力学理论中磁场的性质。

早在1907年，爱因斯坦就意识到等效原理可以使人们将狭义相对论

的某些预测推广到引力研究中。如果位于引力场中和处于加速运动状态

二者是等效的，那么引力场外的观测者将会看到引力场中的时钟变慢

（参见“概念”一节中的“时间膨胀”）。他们看到空间距离也改变了的时

候，自然就会开始怀疑（参见“概念”一节中的“长度收缩”），但怀疑什

么呢？考虑了狭义相对论中旋转圆盘例子（参见“概念”一节中的“埃伦

费斯特悖论”），爱因斯坦得出了这样的结论：既然旋转圆盘的圆周与

直径之比不再是π，加速度和引力确实会扭曲空间维度。

在这里要注意狭义相对论和广义相对论存在一个重要的区别。狭义

相对论中，两个惯性观测者全都声称是另一个人在“真正”地移动，他们

自己则是静止的。因此，每一个惯性观测者都认为是另一个惯性观测者

的时钟变慢、米尺缩短。但在广义相对论中，每个人都认同谁是在真正

地加速，或谁在引力场中。因此，他们对谁的时钟变慢和谁的空间扭曲

是有共识的。因此在广义相对论中，空间和时间的扭曲不能仅仅通过改

变坐标系统来消除。广义相对论的扭曲不是测量的把戏，也不只是由个

人视点造成的人为现象。它们是空间和时间的客观的真实扭曲。爱因斯

坦意识到是引力改变了时空的度规（参见两者的概念）。

狭义相对论中，距离和时间的测量依赖于观测者的视点，不过时空

间隔总是通过毕达哥拉斯定理用距离和时间算出。然而广义相对论中，

当引力存在时，时空不再是平坦的，因此需要修正毕达哥拉斯定理。利

用空间和时间的测量值来定义时空间距的修正形式，就是时空的度规，

需要修正的原因在于存在时空的曲率（偏离平坦的程度）。

到1912年，爱因斯坦已经意识到他需要一种基于弯曲时空几何的四

维度规理论。因为自己不是高等数学专家，他向自己的朋友马塞尔·格

罗斯曼（参见第一篇，“朋友”一节）求助。格罗斯曼很快将他指向黎曼

几何。二人共同努力，为广义相对论寻找场方程，使之在表达出广义协

变的同时，也能针对太阳系得出牛顿引力的已知的结果。结果他们失败

了。

爱因斯坦提出空洞论断（参见“概念”一节）来解释自己的失败，并

放弃了对广义协变的追求。1913年，他和格罗斯曼发表了引力的提纲理

论。两年后爱因斯坦访问格丁根大学，在那里和数学家大卫·希尔伯特

（参见“同事”一节）广泛地讨论了自己的想法。希尔伯特让他相信，广

义协变是一个崇高、可实现的目标（大多数物理学家完全不清楚这一

点）。爱因斯坦抛弃了提纲理论，并且很快地在1915年11月找到了正确

的场方程。

他发现的重要结果，是这个（现在已经是完全协变的）理论不仅在

极限情况下符合牛顿引力定律，而且在一个例子——水星的近日点进

动；参见下文的“广义相对论的实验验证”——中与牛顿的差距，正好符

合天文学家的观测数据。爱因斯坦从一开始就认为这是新理论的实验验

证，但在确定理论可以通过检验之前，他避免在文字上提到它。

在接下来的几年里，爱因斯坦在对这一新理论的探索中，在必要的

地方进行修正（参见“概念”一节中的“宇宙常数”），发现了两个全新的

物理领域（参见“概念”一节中的“宇宙学”“引力波”）。实验上，理论通

过了另外两个他提出的检验。日食检验（英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱

丁顿因此而闻名）广为人知，使得爱因斯坦闻名世界，被誉为自牛顿以

来最伟大的物理学家。（亦见艾森施泰特，《相对论的奇妙史》

[Eisenstaedt， The Curious History of Relativity]；扬森和雷恩，“解开绳

结”[Janssen and Renn，“Untying the Knot”]；诺顿，“爱因斯坦如何寻到

他的场方程”[Norton，“How Einstein Found His Field Equations”]；还有

雷恩和舒尔曼，《阿耳伯特·爱因斯坦与米列娃·马里奇情书集》[Renn

and Schulmann， Albert Einstein, Mileva Maric The Love Letters]。）

广义相对论的实验验证

爱因斯坦有时被描绘成对自己理论的实验验证漠不关心的人。有一

个著名的故事说，在向一个博士生展示关于1919年日食观测结果的电报

后，他被问到如果这个理论被证伪了会怎么想，他回答道：“那我就不

得不怜悯我们亲爱的上帝了。这个理论反正是正确的”。（伊尔莎·罗森

塔尔·施耐德，《实在与科学真理》[Ilse Rosenthal Schneider， Reality and

Scientific Truth]，74页）（亦见第一篇“错误看法与误解”一节中的“广义

相对论的验证对爱因斯坦来说并不重要”。）类似的故事可能只能说

明，爱因斯坦对把自己描绘成一个极端自信理论家的新兴神话感到好

笑，而且乐得配合着表演一番。在理论发展的早期，他非常努力地劝说

天文学家进行观测来验证自己的理论。

广义相对论的实验验证所带来的挑战，与狭义相对论验证者所面临

的挑战一样困难。广义相对论的预言与牛顿理论的不同，主要表现在速

度接近光速和引力场特别强烈的时候，而这两个条件都非常难以达到。

爱因斯坦认识到紧邻太阳是最有可能进行成功测试的地方，因此他需要

呼吁天文学家来做验证。早在1907年，他就提出了两个可行的理论检

验：一个是测量太阳光谱线的引力红移，另一种是测量经过太阳附近星

光的引力偏折。这两种方案涉及的测量都将接近检测能力的极限。后一

种方案中，由于靠近太阳的恒星只有在日食的时候才可见，测量需要在

日食期间进行；而在前一种方案中，则存在某些竞争效应，比如太阳大

气中正在上升和下降的气体造成的多普勒频移。

一开始爱因斯坦发现天文学家对验证自己想法并不感兴趣，不过他

找到了一位年轻的德国天文学家，埃尔温·芬利·弗罗因德利希，他愿意

接受这一挑战。爱因斯坦筹集了资金，好让弗罗因德利希带领一支探险

队前往克里米亚，在1914年8月的日食中来检验光线弯曲的预言。不幸

的是，第一次世界大战刚好在日食之前爆发，导致弗罗因德利希被俄国

人当作敌国公民拘留。第一次世界大战和德国的战败，使得弗罗因德利

希一时无法继续着手日食观测工作，直到1919年著名的英国日食观测之

后（参见前文，“同事”，“亚瑟·斯坦利·爱丁顿”）。他尝试观测1922年

的日食，又被云雾所阻。具有讽刺意味的是，他尽管在后来的几年中对

理论进行了检测，但却与爱因斯坦发生了争执。弗罗因德利希是一个脾

气暴躁的人，和很多同事不和，而爱因斯坦似乎已经对这种敌对关系感

到不耐烦。也许是由于他与爱因斯坦的关系已经疏远，弗罗因德利希确

信自己后来的日食观测结果不符合广义相对论，但是天文学家同行们不

接受他的观点。

除了参与日食检测，弗罗因德利希还从事太阳红移检验。在柏林附

近的波茨坦的爱因斯坦塔（一座太阳观测台）于1924年建成之后（参见

第一篇“声望”一节中的“艺术和商业主义”），弗罗因德利希成为其台

长，直到后来因为躲避纳粹逃离德国。

对于最终成功的红移检验来说，可能更为重要的是位于波恩的两位

物理学家莱昂哈德·格雷贝（Leonhard

Grebe）和阿耳伯特·巴赫姆

（Albert Bachem）的工作。为了消除太阳天文学家们对相对论的怀疑，

爱因斯坦鼓励他们解决这个问题。他们的努力也确实为问题最终的解决

指明了方向。美国太阳天文学家查尔斯·埃弗拉德·圣约翰（Charles

Everard St.John）对太阳红移给出了最明确的解释：太阳中光谱线的红

移是两个不同效应的复杂叠加，这两个效应分别是太阳大气中气体柱上

升和下降所引起的多普勒频移，以及太阳强引力场所引起的爱因斯坦的

引力红移。

似乎爱因斯坦私下里也把解释当时天文学中最著名的反常现象作为

一个早期目标，这就是水星的近日点进动，既有的牛顿引力理论完全无

法解释这一现象。因此，广义相对论的经典检验有三个，在它们之后又

过了几十年的时间，其他的检验方式才成为可能。

新理论通过了三个检验，其中第一个是水星的近日点进动。爱因斯

坦于1915年11月发现场方程的最终形式后，立刻开展计算证明其结果符

合水星的近日点进动的天文观测数据。19世纪的天文学家们对水星轨道

中这一微小反常的大小已经有了足够精确的结果，与爱因斯坦的计算结

果符合得非常好。爱因斯坦能够证明水星的轨道并没有形成闭合的椭

圆，因为太阳的引力场扭曲了时空。在太阳附近的弯曲几何中，没有足

够空间让水星像其他行星一样绕行。这令人信服地证明了，强大的引力

场真的让时空弯曲。

对于第二个检验，在爱因斯坦之前，天文学家就已经注意到太阳光

谱线中有一个微小而可变的红移。尽管这一红移的大小符合关于爱因斯

坦理论的预测，但它在不同的光谱线和太阳表面不同位置之间的变化似

乎与爱因斯坦的预测相冲突。

第三个检验是最具有决定性的一个，也就是星光的偏转。1919年英

国日食远征队对理论的证实，鼓励天文学家以倾向支持理论的方式重新

解释已有的太阳红移的数据，还促使他们获取来自太阳和白矮星的新数

据，而新数据似乎提供了进一步的证实。（关于广义相对论实验验证的

一个详尽讨论，参见《爱因斯坦全集》第九卷，xxxi-xlii页；以及克瑞

林斯滕，《爱因斯坦的陪审团》。）

这三个让爱因斯坦闻名世界的成功的经典验证，也是20世纪50年代

前仅有的检验。物理学和天文学中的新发现，使得人们可能开展进一步

的检验，最开始的是20世纪50年代的庞德-雷布卡实验（Pound-Rebka

experiment），它最终明确地证明了引力红移。在20世纪70年代，由于

射电天文学能观测到为太阳所掩蔽的类星体，使人们可能进行许多更精

确的光偏折观测。新的检验出现了，包括由太空旅行实现的夏皮罗时间

延迟效应（Shapiro

time

delay），以及1974年发现脉冲双星PSR

1913+16。尤其是后者证明了引力波的存在（参见“概念”一节），这是

爱因斯坦广义相对论中更为新奇的预测之一。

爱因斯坦成功推翻了牛顿引力理论，引来了其他人的效仿，提出了

几十种其他的引力理论。20世纪50年代以来的理论检验实验的主要目标

之一，就是检验这些相对论的竞争替代理论——最著名的是布兰斯-迪

克理论（Brans-Dicke theory）。到21世纪初为止，广义相对论通过了所

有这类检验。所有其他理论要么在一个或更多的检验上失败了，要么被

迫和广义相对论的预言保持紧密一致，以致在现阶段的实验水平上测不

出差别。即使是全球定位系统也必须考虑这一理论——特别是引力时间

膨胀——才能正确运行。（亦见克瑞林斯滕，《爱因斯坦的陪审团》；

厄尔曼和格里姆，“相对论和日食”和“作为广义相对论的一种检验，引

力红移”[Earman and Glymour，“Relativity and Eclipses”and“The

Gravitational Redshift as a Test of General Relativity”]；亨切尔，“爱因斯

坦对实验的态度”[Hentschel，“Einstein’s Attitude towards Experiments”]

和《爱因斯坦塔》[ The

Einstein

Tower]；威尔，《爱因斯坦是对的

吗？》[Will， Was Einstein Right？]以及《引力物理学中的理论和实验》

[ Theory and Experiment in Gravitational Physics]。）

反相对论运动

1920年里发生了一系列针对爱因斯坦和相对论的事件。这些事件是

由物理学家菲利普·莱纳德和右翼宣传家保罗·魏兰发起的赤裸裸的反犹

攻击。他们指控爱因斯坦拥有“某个特定报纸，某个特定团伙”来负责吹

捧夸大自己。实际上，报纸中某些描述爱因斯坦及其工作的文章，确实

有夸张之处，而这些文章经常出自犹太作者之手。然而，对爱因斯坦这

样一个以厌恶公众关注著称的人来说，这类文章只能让他感到不快。旨

在揭露爱因斯坦是个宣传者和骗子的系列演讲，于8月24日在柏林爱乐

厅举办了第一场。两位演讲者，魏兰和光谱学家恩斯特·格尔克（Ernst

Gehrcke）极力贬低爱因斯坦和他的工作。当时在观众席的爱因斯坦于8

月27日在《柏林日报》（ Berliner Tageblatt）上发表了一篇文章予以回

应。文章中，他谴责了这一针对自己的攻击活动，逐条驳斥了演讲者的

论点，并列出了最受尊敬的物理学家们对自己理论的认可。尽管如此，

爱因斯坦还是受到惊吓，以至于考虑离开德国，并且收到了来自其他国

家的工作邀请。

事件之后，德国的科学家们和其他仰慕者纷纷表达支持和愤怒，并

且要求他留在柏林，继续与反相对论者斗争。拟定的20多场演讲，仅仅

只进行了一场就无疾而终，而魏兰的努力也没有获得科学界太多支持。

爱因斯坦觉得反对自己的运动已经陷入崩溃，所以决定留在柏林，并且

支持科学家之间继续讨论相对论。（参见附录C中第84篇；亦见罗，“爱

因斯坦的盟友和敌人”[Rowe，“Einstein’s Allies and Enemies”]，华兹克

和科比，《爱因斯坦的反对者》[Wazeck

and

Koby， Einstein’s

Opponents]。）

对手

尽管一些伟大的科学家在其职业生涯中曾卷入和其他科学家的臭名

昭著的竞争和论战（艾萨克·牛顿就是一个特别突出的例子），爱因斯

坦却没有。也许是因为其性格特点，人们看到的更多的是他（和像尼尔

斯·玻尔、马克斯·玻恩和保罗·埃伦费斯特等人）的科学友谊，而不是和

谁的对立。尽管如此，爱因斯坦却也不是一个能掩饰对他人的恶意的圣

人。偶尔，他在想到人际冲突时体验到一些快乐，而且确实讨厌某些

人。但是，他一般不嫉妒别人，并且对那些和他一样热衷于物理的人非

常和善，不管他们有什么分歧。

可以说，爱因斯坦唯一的职业竞争对手是才华横溢的物理学家马克

斯·亚伯拉罕，二人是同一代人，有相似背景（都是德国犹太人，等了

很多年才在德国获得学术职位），在类似的领域里工作。亚伯拉罕在比

爱因斯坦更幸运的情况下开始其职业生涯。他是马克斯·普朗克的学

生，因其电子理论而声名鹊起，而该理论在一段时间内正是爱因斯坦狭

义相对论的主要竞争对手。事实上，一开始的实验似乎支持亚伯拉罕的

理论，以至于和爱因斯坦结论一致的洛伦兹（他俩的理论被认为在电动

力学上是一样的）都感到绝望，而爱因斯坦展示了他一贯的镇定，预言

实验结果最终会支持自己，事实也确实如此（参见前文，“相对

论”，“狭义相对论——狭义相对论的实验检验”）。随后，亚伯拉罕着

手发展一个相对性的引力理论，以取代牛顿的理论。这再次将他放在和

爱因斯坦直接竞争的位置上，结果广义相对论的成功再次使他的理论完

全黯然失色。尽管命运将这两个人安排在平行轨道上，成为理论界的竞

争对手，可是爱因斯坦深信自己的理论是正确的，亚伯拉罕的是错的。

亚伯拉罕在第一次世界大战期间回到德国之前，在意大利待过多

年。战争结束后，他终于在德国找到了一个永久职位，却在开始新工作

之前突然发现自己患了脑瘤，不久后便去世了。

唯一和爱因斯坦卷入类似优先权之争的人，是他的同事，数学家大

卫·希尔伯特。然而，他的名字被放在这一卷的“同事”章节中，也没有

什么好奇怪的，因为二人之间争论的表象更多是出于当代历史学家们的

描述，而不是爱因斯坦和希尔伯特之间有什么敌意。

菲利普·莱纳德，如果不算是对手的话，也算是一个更严肃的反对

者。他是一位物理学家，对爱因斯坦很了解，却因为政治分歧和民族主

义情绪的驱动而反对他。正因为此，爱因斯坦反过来也反感莱纳德。尽

管他们彼此厌恶，但莱纳德还是被包括在本篇的“同事”部分里。莱纳德

为了证明有些人在爱因斯坦几个发现上的功劳比爱因斯坦更大，花了大

量精力去寻找证据，但却没法断言他莱纳德自己就是那些人中的一个。

所有他提到的人都已经去世，不能反对他们作为爱因斯坦的代理对手的

角色。他们当中包括了普鲁士天文学家约翰·格奥尔格·冯·索尔德纳

（Johann Georg von Soldner）（他发表了一个解释太阳引力下导致光偏

折的公式，与爱因斯坦的公式类似；参见“相对论”一节，“广义相对论

——广义相对论的实验检验”）；奥地利物理学家弗里德里希·哈泽内尔

（Friedrich Hasen?hrl）（他在一个具体实例中推导出著名的公式，在第

一次世界大战期间阵亡）；还有一位德国物理老师保罗·格伯（Paul

Gerber）（他或多或少偶然得出了一个公式，类似于爱因斯坦的水星近

日点进动预测公式；参见“相对论”一节，“广义相对论——广义相对论

的实验检验”）。

在爱因斯坦余下的职业生涯中，他在物理学领域里的大多数对手都

绝对不够资格以任何有意义的方式挑战他的工作。这些人有爱因斯坦在

伯尔尼专利局时的老同事，爱德华·纪尧姆（Edouard Guillaume）。不要

把此人和他的亲戚夏尔-爱德华·纪尧姆（Charles-Edouard Guillaume）混

为一谈，后者是一位瑞士发明家，较爱因斯坦早一年获得了诺贝尔奖。

和爱因斯坦关系不错的纪尧姆死心塌地地反对相对论，尤其是在广义相

对论发表之后的那个时期（尽管他的反对主要是针对狭义相对论的）。

爱因斯坦写了一封很长的信，耐心地向纪尧姆解释其反对相对论的论证

不成立。纪尧姆的反对是因为他未能正确理解这一理论，这和许多其他

反相对主义者的情况一样。与爱因斯坦关系非常好的弗里德里希·阿德

勒（参见“同事”一节）也试图证明相对论是错的。

对爱因斯坦的工作更有见识、也更猛烈的批评家是杰出的波兰裔美

国物理学家卢迪威格·席柏斯坦。尽管他的相对论教科书有助于在美国

大力普及这一理论，席柏斯坦也想试着通过实验推翻它。20世纪30年

代，他与爱因斯坦进行了一场关于相对论的辩论，认为爱因斯坦-罗森

桥的两端是两个独立的粒子，它们不能互相接近，这违反了我们对引力

的认识。事实上，桥在时空中形成了一个单一的几何结构，对外部观测

者来说，其末端将出现在两个不同的区域中（参见附录C中第157篇）。

席柏斯坦因物理学家不愿参与论证而感到恼火，转而召集媒体来报道他

对爱因斯坦理论的质疑。但是，最终，席柏斯坦和纪尧姆都收回了他们

的声明，而爱因斯坦对他们的友好也一如既往。

在统一场理论上，爱因斯坦的唯一对手是波动力学的发现者埃尔温

·薛定谔。爱因斯坦在柏林的最后几年里，和薛定谔彼此已经很了解

了。从30年代起，两人都对统一场感兴趣，并就这一话题通信往来。然

而，在1947年两人都已经离开德国之后，他们在媒体上互相指责，因为

薛定谔声称用爱因斯坦之前试过的方法发展了一个理论。薛定谔想让媒

体说他在爱因斯坦失败之处取得了成功，这让爱因斯坦感到恼火。这一

插曲似乎对他们的亲密关系造成了一些伤害，也无益于推进物理统一场

理论的研究。

反相对论运动的相当大一部分是各种怪人和政敌，这些人从任何专

业的意义上讲，都算不上是爱因斯坦的对手。

科学论文

参见附录C。

广泛的科学涉猎

爱因斯坦作为一名物质的分子运动论的专家开始他的职业生涯，并

以相对论和量子论方面的研究而著名。然而，在漫长的职业生涯中，他

对科学的兴趣比这些成就所能体现的更广泛、更全面，并且许多其他学

科也引起了他的兴趣。这些兴趣包括他曾几次试图从理论上解释却未能

成功的超导现象；还有河道蜿蜒，为此他试图解释人们所谓的北半球河

流右岸受到的水流侵蚀超过左岸的原因。尽管不可能给出这些工作的详

尽清单，但人们能感受到他的一生工作的广泛性。

爱因斯坦的一些业余兴趣仍在他的主要研究领域之内，但是和他在

这些领域的著名贡献并无很大关联。一个例子是关于辐射计效应（参

见“概念”一节）的论文，这显然与他最初对分子运动论的喜爱有关，但

是这个题目不像布朗运动，从来没有人觉得它有什么重大意义。

爱因斯坦非常喜欢参与实验或实践事务。他从自己在瑞士专利局分

析技术设计的工作中获得了丰富的经验。他经常抓住参与实验的机会，

尤其是有合作者的时候。他最有名的涉足实验的工作是与万德尔·德哈

斯（参见“合作者”一节）的合作，导致了爱因斯坦-德哈斯效应的发

现。通常说来，他不太可能亲自在实验室里工作，但会通过与实验者通

信来修改实验装置以达到预期的结果。这类合作的例子包括和埃米尔·

鲁普以及奥居斯特·皮卡德的合作（参见“合作者”一节）。

他对这些“涉猎”的兴趣经常涉及自己的某个重要研究项目，但最后

结果却没有很大关系。这样的一个例子是他与鲁普关于极隧射线（参

见“概念”一节）的研究，本来打算是要成为针对光子发射的量子特性的

一次判决性实验。相似的，1936年他与内森·罗森的论文引入被称为爱

因斯坦-罗森桥（参见“概念”一节）的一种几何时空结构，也叫虫洞。

按照爱因斯坦的想法，该结构应该是一个从纯粹时空中产生基本粒子的

可能模型（因此它与他的统一场论有关；参见后文）。然而它反而成了

爱因斯坦方程的解中最具娱乐性和科幻性的一个，时下它与时间旅行的

可能性密切相关。

一个类似的例子是爱因斯坦与皮卡德的合作，他们研究了爱因斯坦

年轻时的一个想法。19世纪末统一电场和引力场的诸多尝试中，有一个

是假定电磁场吸引力和排斥力之间存在不平衡。这样两个中性物体之间

实际上将产生一个净吸引力，或许就是引力的来源。到了20世纪20年

代，这一想法已被放弃，但是爱因斯坦又把它提出来解释物理学中的另

一个异状——地球的磁场。要解释地球为什么会有一个稳定持久的磁场

是非常不易的，因为即使地核中的电流运动可以产生这样的磁场，但这

些磁场应始终起到抑制产生磁场的作用。爱因斯坦指出不平衡的想法是

不能忽视的，哪怕这种不平衡可能是非常小的，却仍可以解释与地球一

样大的物体的磁场。在与爱因斯坦的通信中，皮卡德进行了非常灵敏的

实验，以证明这种不平衡如果有也非常小，不足以解释地磁场的存在。

尽管爱因斯坦仍然想用地核中可能的中性电流来解释地磁场，但在这一

研究中，他的想法被证明是徒劳的。我们现代的解释依赖于一个复杂的

地球动力模型，其中多个电流回路产生的场强化着彼此的运动。

爱因斯坦在其职业生涯的早期，对天文学几乎没有兴趣。数年后，

当这一领域可以提供证明广义相对论的方法时（参见“相对论”一

节，“广义相对论——广义相对论的实验检验”），他甚至向同事承

认，“我私下里经常嘲笑天文学的精密不过是学究气而已，但在这里却

帮了我们大忙”（1915年12月9日致阿诺尔德·索末菲，《爱因斯坦全

集》，第八卷，文件161；爱因斯坦档案编号21—383.1）。

当广义相对论的研究迫使他寻找这一理论的天文学检验时，爱因斯

坦自然地对某些天文问题有了了解。因为想知道是否能在比太阳系大得

多的规模上检验理论，他开始对包含数千颗恒星环绕银河系中心运行的

球状星团感兴趣。尽管它们从来没有能够被用来证明广义相对论宇宙学

（参见“概念”一节中的“宇宙学”），爱因斯坦还是发表了相关的论文。

在寻找牛顿理论和太阳系运动测量之间的异常和分歧时，对一些主要在

月球复杂运动中显现的现象（图40），他是最早提出这些现象可能来源

于一天时间长度不是恒定的人之一。现在我们知道，地心旋转的扰动能

减缓地壳转动，却被天文学家误解为附近天体运动速度的改变；实际

上，这只是因为我们的主要天文时钟丢失了一两秒。

最后，在鲁迪·曼德尔（参见“合作者”一节）的催促下，爱因斯坦

不情愿地发表了引力透镜论文。尽管他对此期望不高，这篇论文却成为

现代天文学中一个主要领域的基础，它已经帮助天文学家在太空中看得

更远、在时间上回溯更长，超越了爱因斯坦生前的想象。

索尔维会议

索尔维会议是杰出的物理学家们和化学家们参与的一个系列会议，

起源于1911年首次成功召开的特邀专家会议。由富有的比利时实业家和

发明家欧内斯特·索尔维（Ernest Solvay）赞助的这一会议，最初主要是

在瓦尔特·能斯特（参见“合作者”一节）的鼓动下召开的，目的是谈论

如何协调量子物理与经典物理学主体的重要问题。

1911年，尽管爱因斯坦只是出席会议的最年轻的科学家之一，却已

经被视为这一主题最具洞察力的思想家。首次会议讨论了辐射和量子的

问题。由于爱因斯坦已经证明了量子假说可以在（参见“概念”一节中

的“光电效应”）普朗克原始概念（参见“概念”一节中的“黑体辐射”）的

局限范围之外取得成功，考虑到光的众所周知的波动性质，就有必要讨

论光在什么程度上表现粒子性质。

早在1909年，爱因斯坦就曾主张光具有波和粒子的双重本质，并继

续在像索尔维会议的场合，向同行们推介这一想法。但是，这一观点得

到普遍接受，还需要10年的时间（参见“概念”一节中的“波粒二象

性”）。

图40　爱因斯坦月球陨坑。尽管爱因斯坦对月球研究只发表了一篇论文，他的名字却被用来命

名这一非凡特征。这里所见的被侵蚀的外环是一个相当古老的陨石坑。一个更年轻的陨石坑出

现在中心，这一次撞击在旧环内部形成了一个近乎完美的靶心。这个陨石坑位于月球的边缘，

只有在月球天平动（Lunar Libration）时人们才能从地球上偶尔看到它。（美国国家航空航天局

图片，由詹姆斯·斯图比[James Stuby]从两个月球轨道飞行器的4张照片组成。）

第二次会议于1913年举行，讨论了物质的性质。这是爱因斯坦应用

量子论开展研究的另一个新领域（参见“概念”一节中的“比热容”）。这

次会议上的讨论促进了他提出的热学定理的进一步发展，通过能斯特的

研究，这一定理变成了热力学第三定律。爱因斯坦拒绝了1921年第三次

会议的邀请，以抗议因第一次世界大战期间形成的国家间敌意而排斥其

他德国科学家的行为。（在德国之外，爱因斯坦被视为是一名放弃了自

己德国国籍并保留瑞士国籍的反战的德国人。）

索尔维会议在量子理论发展所起到的重要的早期作用，已经被爱因

斯坦与玻尔关于量子力学的著名争论所掩盖。公开的争论发生在1927年

（第五次）和1930年（第六次）的会议上。爱因斯坦在争论中试图证

明，由薛定谔、海森伯和其他人发展的量子力学理论必然会导致矛盾。

他提出了一系列的思想实验，但每一个都被玻尔在量子力学内以合乎逻

辑的方式解释清楚。在1930年的那次或许是最著名的交锋中，玻尔在前

一天被爱因斯坦的论证难住了，却能够在一夜之间找到爱因斯坦思想实

验的答案（参见下文“思想实验”）。

这些会议上辩论的结果是，爱因斯坦被迫接受量子力学目前为止是

一个自洽的理论。然而，他继续坚持这个理论是不完备的，最终将为一

个从基本原理上与经典理论更为一致的新理论所取代。索尔维会议在

1930年后继续进行（1933年到1948年之间空缺），但爱因斯坦不再参

与。起先是由于纳粹掌权造成的破坏，后来则是因为年事已高。

思想实验

爱因斯坦式“科学”风格的一个标志性特征是对所谓思想实验

（Gedanken-experimente）的创造性运用。思想实验在爱因斯坦物理研

究中起了重要作用。他喜欢抓住一个被广泛证实的实验结果，例如对每

一个被测物质来说，测出的惯性质量和引力质量总是完全相等的。然后

将其提升到原理的高度（等效原理）。接着，他能设计一些实验，尽管

实际上做不到，但可以根据等效原理预言其结果。

一个可能在广义相对论的发展中起到了作用的思想实验，就是其中

一例。在回应一些试图用符合狭义相对论的修正理论来取代牛顿定律的

天真想法时，爱因斯坦指出（由他年轻同事贡纳尔·诺德斯特伦[参见“合

作者”一节]提出的）新定律要求接近光速运动的物体要比从静止掉落的

物体下落更慢。爱因斯坦指出，要是伽利略在那个著名的比萨斜塔实验

中扔下两个弹丸，如果其中一个不是被放下任其下落，而是被从一口加

农炮中水平发射出去，那么这个弹丸会比另一个落得更慢。没人能做这

个测试，因为除非加农炮弹以近乎光速发射，否则下落速度的差异可以

忽略不计。爱因斯坦仍然认为等效原理要求它们以相同速度下降，因此

诺德斯特伦的理论既然违反了这个原则，肯定是错的。

和爱因斯坦有关的一项特别著名的思想实验，据说是他年轻时就已

构想出来的。实验假设你可以光速运动，这样就可以与光束保持同步。

你将看到什么？你将看到构成光束的电场和磁场的矢量被冻结在原地。

电磁场不再会时刻前后振荡，而是与你一起运动，因此永不会变化。但

是，爱因斯坦反驳道，麦克斯韦方程组说一个静态的电磁场只能来自附

近的电荷，它不可能存在于波能穿透的真空中。因此，光速旅行让我们

看到这一理论表现出一种不可能的形式。很自然地，我们由此得出，不

可能以光速旅行，这后来成为爱因斯坦狭义相对论的中心特征。

通常情况下，爱因斯坦会通过计算发现一个结果，接着用一个聪明

的思想实验，有力地论证这一结果的真实性。方程 E=mc2是一个很好的

例子（参见“概念”一节）。尽管他在1905年第一次提出这个定律，但在

第二年爱因斯坦又写了一篇新论文，提出了思想实验（参见“概念”一节

中的“E=mc2”）。这一思想实验显示可以通过将光从一端发射到另一端

来移动一个空心圆筒。物体内部的自身运动是不可能移动圆柱体质心

的。爱因斯坦证明，解决这个矛盾的唯一方法是假设光拥有和能量成比

例的质量。这个概念再次阐明了爱因斯坦的方法。他提出牛顿第三定律

和动量守恒，目的是坚持一个普遍原则，即一个人不去推系统之外的某

个东西就不能移动自身的质心——一个人不能拎着自己鞋带就把自己拉

起来。一旦我们承认这一点就会发现，如果光在吸收或释放时传递动

量，那么它一定有和自身能量成正比的质量。

关于爱因斯坦思想实验一些最有名的故事，涉及到他与尼尔斯·玻

尔在量子力学新理论上的辩论。这些辩论主要发生在20世纪20年代中晚

期的索尔维会议上（参见前文）。这些辩论中提出最著名的思想实验是

爱因斯坦的盒子，爱因斯坦认为在盒子里一定有办法绕过那时新提出的

海森伯不确定性原理。这个原理声称一个人永远不能拥有某些特定可测