[爱因斯坦的相对论]可能是有史以来人类理智取得的最伟大的成
就。
——伯特兰·罗素
这就好像一道将我们与真理隔开的坚壁倒塌了。更广泛更深入的知
识宝藏现在已暴露在探索者面前，对这一领域我们甚至没有一点预感。
我们已处在比以往更接近于掌握一切物理过程发生这一机制的境地。
——赫尔曼·外尔
但是，经年累月地在黑暗中焦急地寻找一项真理，你可以感觉到
它，但却不能表达它，强烈的欲望，信心与担忧的交替呈现，最后眼前
突然闪现一道光——只有经历过这一切的人才能够真正欣赏它。
——阿尔伯特·爱因斯坦
不可能比光速更快，而且你肯定也不愿意这样，当你不想让帽子被
吹走的时候。
——伍迪·艾伦
在20世纪的早期进程中，宇宙学家发展并检验了各种各样的宇宙模
型。这些候选模型的出现得益于物理学家对宇宙及其运行的科学规律的
越来越清晰的认识。构成宇宙的物质是什么，它们是怎么运动的？是什
么产生出引力以及引力是怎么支配恒星与行星之间的互动的？宇宙是由
空间构成的并随时间演化，那么在物理学家看来究竟什么是空间和时
间？最重要的是，要回答所有这些基本问题，只有在物理学家们解决了
一个看似简单而又天真的问题后才有可能。这个问题是：什么是光速？
当我们看到一道闪电，那是因为闪电发光，这道光可能要走几千米
才能到达我们的眼睛。古代哲学家就琢磨过光速是如何影响到看这一行
为的。如果光是以有限的速度飞驰的，那么它就需要一些时间才能到达
我们这里，所以当我们看到闪电的时候，它可能已经不再是实际存在
了。另外，如果光传播得无限快，那么光将会瞬间到达我们的眼睛，我
们就会看到雷击，因为它正在发生。到底哪一种情形是正确的，这似乎
已超出了古人的智慧。
对声音我们可以问同样的问题，但这次的答案要显然得多。雷声和
闪电是同时产生的，但我们总是在看到了闪电之后才听到雷声。对于古
代哲学家们来说，假设声音具有有限的速度，而且跑的肯定比光慢得多
是合理的。因此，他们基于下列不完整的推理链建立了光和声的理论：
1.雷击产生光和声音；
2.光速要么非常快，要么无限快传向我们；
3.我们在事件发生后很快，或立即看到闪电；
4.声音以较慢的速度传播（大约1000千米/时）；
5.因此，我们要过一段时间后才能听到雷声，至于这段时间是多
长，这取决于雷击发生处与我们的距离。
但与光速有关的基本问题——它到底是有限的还是无限的——仍继
续折磨着世界上最伟大的头脑达几个世纪。公元前4世纪，亚里士多德
认为，光以无限大的速度飞驰，因此事件和对该事件的观察会同时发
生。公元11世纪，伊斯兰教科学家伊本·西纳（Ibn Sina）和海赛姆（aI-
Haytham）则采取了相反的观点，认为光速虽然非常大，但是有限的，
因此任何事情都只能在发生了一段时间之后被观察到。
两种观点显然存在着分歧，但无论哪种，争论仍属于哲学范畴，这
种情形一直持续到1638年。这一年，伽利略提出了一种测量光速的方
法。两个观察者带上提灯和快门装置分别站在相隔一定距离的两个地
方。第一个观察者向第二个观察者发送一个闪光信号，后者看到闪光后
立即回复一个光信号。由此，第一观察者可以通过测量从发送到接收到
回闪信号之间的时间间隔来估计光速。不幸的是，伽利略想出这个想法
时已经失明，而且被软禁在他的寓所里，因此他没能够进行自己的实
验。
1667年，伽利略去世25年后，佛罗伦萨著名的实验学院
（Accademia del Cimento [4]）决定将伽利略的想法付诸检验。起初，两
个观察者站得比较近。一个提灯人向另一个人发送一个灯光信号，后者
看到后立即发出回复信号。然后第一个人估计从发送原始闪光到他看到
回复信号之间的时间间隔，结果发现这个时间间隔只有几分之一秒。而
且，就是这么短暂的时间还可能主要是两人的反应时间。实验重复了一
遍又一遍，两个人分开的距离越来越远，如果光往返的时间随着距离的
增加而增加，那么这将表明光速相对较低并且确实是有限的。但实际上
往返时间保持不变。这意味着，光速要么是无限大，要么是快到光在两
地之间走个来回的时间比起人的反应时间可以忽略不计。实验者只能得
出有限的结论，即光速在10000千米/时与无穷大之间。如果再慢一点，
他们就能检测到一个随两人分开距离稳定增长的时间延迟。
光速到底是有限的还是无限的这个悬而未决的问题直到几年后才被
一位名叫奥勒·罗默的丹麦天文学家解决。罗默当时是一个年轻人，供
职于第谷·布拉赫以前所在的乌勒尼伯格（Uraniborg）天文台，负责测
量该天文台的确切位置，这样第谷的观察就可以与欧洲其他地方的天文
台的观测数据取得相关。1672年，罗默作为出色的天文观测员赢得了声
誉，他在著名的巴黎科学院获得了一个职位。这个学院的成立是为了让
科学家能够独立从事研究，不必迎合率性的国王、王后或教皇。正是在
巴黎，罗默得到了科学院院士乔凡尼·多美尼科·卡西尼的鼓励，开始研
究与木星的卫星——特别是木卫一——相关的一种奇特的异常现象。木
星的每颗卫星原本应以完全规则的方式环绕木星作轨道运动，就像我们
的月球围绕地球做规则的轨道运行一样。但天文学家震惊地发现，木卫
一的运行步调稍有些不规则。有时，木卫一出现在木星后方的时间比预
期的提前了几分钟，而在另一些时刻，又推迟了几分钟。在天文学家看
来，卫星不应该表现出这副模样，他们对木卫一的漫不经心的态度感到
莫名其妙。
为了调查其中奥秘，罗默研究了卡西尼所记录的星表上木卫一的位
置和时间的细微末节。开始时看不出任何有意义的迹象，但慢慢地他明
白了其中奥妙。罗默断定，如果光有有限的速度，那么他就可以解释这
一切（如图19所示）。地球和木星有时候在太阳的同一侧，而另一些时
候它们位于太阳的两侧，相距遥远。当地球与木星相距最远时，从木卫
一反射的光得走过3亿千米才能到达地球，这比起两个行星最接近时的
距离要远得多。如果光速有限的话，那么光就需要更长的时间来穿越这
段额外的距离，于是木卫一看起来就好像迟到了一样。总之，罗默认
为，木卫一的运行是完全规则的，其表观上的这种不均匀性是一种由于
在不同时期光从木卫一到达地球需要走过不同的距离所造成的错觉。
图19 奥勒·罗默通过研究木星的卫星木卫一的动向测定光速。这些图与他的实际方法稍有不
同。在图（a）中，木卫一即将消隐在木星后面；在图（b）中，木卫一刚好转过半圈，位于木
星的前面。同时，木星几乎没有移动，而地球则已显著移动，因为地球的绕日轨道运动速度是
木星的12倍。地球上的天文学家测得（a）与（b）之间的时间间隔，即木卫一完成半圈所花费
的时间。在图中（c）中，木卫一完成另一半圈的转动回到其起始位置，而地球则移动到远离木
星的位置。天文学家再次测量（b）与（c）之间的时间间隔，这原本应该与（a）与（b）之间
的时间间隔相同，但事实上前者要长得多。究其原因，这多出来的时间是花费在光从木卫一到
（c）图中地球位置的额外距离上，因为地球现在远离木星。这个时间延迟和地球到木星的距离
可被用于估计光速。（在这些图中地球移动的距离被夸大了，因为木卫一绕行木星的周期不到
两天时间，而且与此同时木星的位置也会发生变化，这些都会使问题变得复杂化。）
为了帮助理解这里所发生的事情，我们不妨想象一下你位于一座炮
台附近，这座炮台每小时发一炮。当你听到炮声，便立即启动秒表，并
驾车以100千米/时的速度直线前行，这样当大炮再次开炮时你正好在
100千米外。你立即停车，随后才听到很微弱的炮声。假设声速大约为
1000千米/时，你会察觉出，从第一声炮响到第二声炮响之间的时间间
隔是66分钟，而不是60分钟。这66分钟里包含了两次发炮的时间间隔60
分钟和第二次炮响到传递到100千米外的你这里所需的6分钟。
罗默花了3年时间来分析木卫一的观测时间记录以及地球和木星的
相对位置数据，他估计光速为190000千米/秒。事实上，这个量的实际
值大约是30万千米/秒。但重要的一点是，罗默的工作表明，光有一个
有限的速度值，尽管他导出的值不很准确。古老的争论终于得到了解
决。
然而，在罗默宣布了他的结果后卡西尼却悲痛欲绝，因为他无法接
受罗默德的结论，尽管这一计算结果主要是根据他的观测数据。卡西尼
对罗默作了严厉批评，并成为一大群坚持光速无限大的学者们的代言
人。罗默没有退缩，他用他的有限光速理论预言了木卫一将在1676年11
月9日发生月食，他所预言的时间比他的对手所预言的要晚10多分钟。
这是“我告诉过你肯定是这样”的一个典型例子——木卫一的月食时间确
实晚了几分钟。罗默被证明是正确的，他发表了另一篇证实他的光速测
量的论文。
这次星食的预言本应一劳永逸地解决这一争论，但正如我们在日心
说与地心说的论战中所看到的那样，有时很多纯属逻辑和说理之外的因
素会影响到科学的共识。卡西尼既比罗默资历深也比他活得长，因此仅
凭政治影响力和活着这两点，他就能够动摇人们对罗默的光速有限的说
法。然而，几十年过后，卡西尼及其同事还是不得不让位给新一代科学
家，后者对罗默的结论不带偏见，他们亲自予以检验并接受了它。
一旦科学家公认了光速是有限的，他们便开始试图解决另一个谜团
——它是如何传播的：究竟是什么媒介负责光的传递？科学家知道，声
音可以在各种介质中传播——说话的人通过气态介质空气传递声波，鲸
通过液态介质水来彼此唱和，我们可以通过牙齿和耳朵之间的固态介质
骨骼来听到我们的牙齿发出的格格声。光也可以通过气体、液体和固
体，例如空气、水和玻璃，但光与声波之间有根本性区别，这一点德国
马格德堡市的市长奥托·冯·格里克在1657年的一项著名的系列实验中就
给予了证明。
冯·格里克发明了第一台真空泵。他对探索真空的奇特性质非常热
心。在一项实验中，他将两个大铜质半球面对面地合起来，然后抽去其
中的空气，于是它们便表现得像两个吸力非常强的吸盘紧紧吸在一起。
为了展示这一科学成果的奇妙性质，他让两对八匹马分别向两边拉这两
半球，结果根本拉不开。
在一项精心安排的实验中，冯·格里克将一个内置有响铃的玻璃瓶
抽真空。当空气被抽出瓶子后，观众就再也听不到铃声了，但他们仍然
可以看到木槌敲击响铃的动作。因此很明显，声音不能在真空中传播。
但同时实验表明，光可以在真空中传播，因为响铃还能被看见，瓶子里
面没有变得漆黑一片。奇了怪了，如果光可以在真空中传播，那么一定
有什么东西穿过了真空。
面对这种明显的矛盾，科学家们开始怀疑真空是否真的是空的。玻
璃瓶已被抽去空气，但里面也许还剩有一些其他东西，它们提供了传播
光所需的介质特性。到了19世纪，物理学家们提出，整个宇宙中充满了
他们称之为发光的以太物质，它在某种程度上起了传播光的媒介作用。
这种假设性物质具有一些显著的特性，正如维多利亚时代[5]伟大的科学
家开尔文勋爵所说的那样：
什么是发光的以太呢？它是一种其密度远远小于空气的物质——为
空气密度的百万的百万的百万的分之一。对这个极限我们可以有某种概
念。我们相信它是真实的东西，与其密度不同，它很硬：每秒钟可以振
动4亿万次；并且在这样的密度下不会对通过它的任何物质产生丝毫的
阻力。
换句话说，以太硬得令人难以置信，同时又稀薄得无以言表。它还
是透明的、无摩擦的且具有化学惰性。它就在我们身边，但它显然很难
识别，因为从来没有人见过它、抓住过它或是撞上它。不过美国的第一
位诺贝尔物理学奖获得者阿尔伯特·迈克耳孙却相信他能证明它的存
在。
迈克耳孙的犹太教父母为了逃离普鲁士的迫害于1854年来到美国，
那时他才两岁。他在旧金山长大，后就读于美国海军学院，在那里，他
以第25名的较低排名毕业于航海技术专业，但他在光学方面的成绩却是
顶尖的。这促使学院院长做出这样的评价：“如果将来你少关注些科学
上的事情，在海军火炮使用方面多加研讨，这样才可能在未来某个时候
你已具备足够的知识服务于你的国家。”迈克耳孙明智地转向专职光学
研究。1878年，在他25岁那年，他断定光速为299910±50千米/秒，这个
值比以往的估计精度上提高了20倍。
随后，在1880年，迈克耳孙设计了一项实验，他希望能够证明传播
光的以太介质的存在。他将一束光分成相互垂直的两束光。一束沿地球
在太空中运动的方向行进，另一束沿与第一束光成直角的方向行进。两
束光行进相等的距离后，被反射镜反射回来，然后合成为一个光束。在
合并时它们经历一个被称为“干涉”的过程，它使得迈克耳孙能够比较两
光束并确定经过这段时间是否存在光程差。
迈克耳孙知道，地球绕日运行的速度大约为100000千米每小时，这
意味着它也以同样的速度穿过以太。由于以太被认为是弥漫在宇宙中的
稳定介质，地球在宇宙中穿行将产生一种以太风。它与我们在无风的日
子里开着敞篷汽车兜风时感觉到的伪风类似——它不是自然风，而是你
自身的运动引起的风。因此如果光是由以太传递，其速度就应受到以太
风的影响。更具体点说，在迈克耳孙实验中，一束光是顺着或逆着以太
风行进，因此其速度应受到明显影响，而另一束光的方向与以太风垂
直，因此其速度受到的影响较小。如果两束光走过的时间不同，那么迈
克耳孙就能够将这一差异作为以太存在的强有力证据。
由于这项检测以太风的实验很复杂，因此迈克耳孙用一个难题来解
释实验的基本前提：
假设有一条宽度100英尺的河流和两个游泳者。二者的游泳速度相
同，例如都是5英尺每秒。河水的流速稳定在3英尺每秒。游泳比赛按以
下方式进行：他们在同一岸边的同一地点同时出发。一个直接游到河对
岸的最近点，然后转身游回来。另一位选手就在河的一侧游，逆流而上
游过与河的宽度相等的距离（沿岸测量），然后再游回到起点，问谁能
赢得比赛？（见图20图解）
迈克耳孙为他的实验置备了最好的光源和反射镜，在设备装配时采
取了一切可能的预防措施。所有光学器件都被仔细地准直、调平和抛
光。为了提高设备的灵敏度，最大限度地减少误差，他甚至将主要组件
平台漂浮在一个巨大的充满汞液的浴缸内来隔离外部影响，例如远处脚
步声所造成的震颤。这个实验的主要目的是要证明以太的存在。迈克耳
孙已竭尽一切可能来最大限度地提高检测机会——这也正是为什么他在
检测到相互垂直的两束光在时间上没有任何差别时会感到那么惊奇。没
有存在以太的任何迹象。这是个令人震惊的结果。
迈克耳孙对独自找出什么地方出错已经感到绝望，他聘请了化学家
爱德华·莫雷来和他一起重整旗鼓。他们一起重建了装置，改进了每一
台设备以使实验更灵敏，然后一遍遍地进行测量。最终，在1887年，经
过7年的重复实验后，他们发表了自己的明确结果。仍未观察到存在以
太的任何迹象。因此，他们被迫得出结论：以太不存在。
图20 阿尔伯特·迈克耳孙用这幅游泳竞赛的比喻来解释他的以太实验。两位游泳者扮演着相互
垂直的两束光的角色，二者最后回到同一起点。一个先逆流游过去再顺流又回来，另一位横着
水流游——就像一束光先顺着再逆着以太风传播，另一束光垂直于以太风传播。两位选手在静
水中的游速均为5英尺每秒，要游的距离都是200英尺。选手A先向上游游100英尺，再顺水向下
游游100英尺；选手B游到河对岸再又回来，也是200英尺。水流速度是3英尺/秒，问同时出发后
哪一位选手先回到出发点？
选手A的时间，先上游后下游，很容易分析。考虑到水速，出发时游泳者的总的速度为8英尺/秒
（5英尺/秒+3英尺/秒），所以100英尺需要12.5秒。回来时逆流，意味着其游速只有2英尺/秒
（5英尺/秒—3英尺/秒），因此游过这个100英尺需要50秒。因此他游200英尺的总时间为62.5
秒。
选手B游到河对岸，为了补偿水流的影响必须斜着游。勾股定理告诉我们，如果他的游速是5英
尺/秒，那么正确的倾斜角度应能使他有3英尺/秒的上游分量，以抵消水流速度，因此他的横渡
游速为4英尺/秒。因此他游100英尺需时25秒，返回时还需25秒，游过200英尺总共需时50秒。
虽然两位选手在静水中游速相同，但横渡者将赢得比赛。因此，迈克尔孙认为横穿以太风的光
束走过整个行程所花的时间应较短。为此他设计了一个实验，来看看是否真的如此。
我们还记得其荒谬的属性——它被认为有最小的密度但却是宇宙中
最坚硬的物质——现在看来毫不奇怪，以太是一种虚构。尽管如此，科
学家们抛弃它时显得极不情愿，因为它是解释光传播的唯一可能的方
式。甚至迈克耳孙自己在达成他的这一结论时也是心情复杂。他曾怀旧
地提到：“亲爱的老以太，它现在被遗弃了，虽然我个人还是对它有一
点点记挂。”
不存在以太带来的这场危机还在加深，因为以太一直被认为负责执
行电场、磁场和光之间的联系。科普作家班诺什·霍夫曼对这种严峻的
形势曾作过很好的概括：
起先我们有了发光的以太，
随后我们有了电磁以太，
而现在我们什么都没了。
所以，到19世纪末，迈克耳孙已经证明了以太并不存在。具有讽刺
意味的是，他是以一系列成功的光学实验确立起其职业生涯的，但他最
大的胜利却是一项否定性的实验结果。他的目标是要证明以太存在，而
不是它的缺失。物理学家现在不得不接受这样一个事实——光可以以某
种方式在真空中传播，即通过没有任何介质的空间。
迈克耳孙成就的取得需要昂贵的、专门的实验设备和多年的专业努
力。而在大致相同的时间段里，一个孤独的少年，在对迈克耳孙实验的
突破性成就毫不知情的情形下，同样得出了以太不存在的结论，而且仅
凭理论论证的基础。他的名字是阿尔伯特·爱因斯坦。
爱因斯坦的思想实验
爱因斯坦年轻的实力和他后来在全盛时期所绽放的才华，很大程度
上源自他对周围世界的巨大的好奇心。在他多产的、革命性的和富有远
见的一生中，他从没有停止过对支配宇宙的根本规律的思考。甚至在他
5岁时，他就曾对他父亲给他的指南针的神秘性质迷恋不已。是什么无
形的力量在牵引着针头，为什么它总是指向北方？磁的性质成为他终生
的迷恋，这是爱因斯坦对探索看似微不足道的现象充满强烈兴趣的典型
一例。
正如爱因斯坦对他的传记作者卡尔·塞利格说的那样：“我没有什么
特殊天分。我只是痴迷不已。”他还指出：“重要的是不要停止问问题。
好奇心都有其自身存在的理由。当我们思考永恒的、生命的和实在的宏
大结构的奇妙性质时，我们不免会心存敬畏。如果我们每天都试图领悟
一点点这些奥秘，就足够了。”诺贝尔奖获得者伊西多·艾萨克·拉比强调
了这一点：“我认为，物理学家是人类的彼得·潘。他们从来不曾长大，
他们一直保持着他们的好奇心。”
在这方面，爱因斯坦与伽利略有很多共同之处。爱因斯坦曾这样写
道：“我们就像是一个小孩进入一个巨大的图书馆，它的墙壁前堆满了
用不同语言写成的一直码到天花板的各种书籍。”伽利略也做过类似的
比喻，但他将整个大自然这座图书馆凝聚成一本盛大的用一种语言写就
的书，他的好奇心促使他破译这本书：“这是一本用数学语言写就的
书，其特征是三角形、圆形和其他各种几何图形，不懂得它，人类甚至
无法理解其中的一个字；不掌握这些语言，我们就只能在黑暗的迷宫中
徘徊。”
将伽利略和爱因斯坦联系在一起的是他们对相对性原理的共同兴
趣。伽利略发现了相对性原理，但爱因斯坦则充分利用了它。简单地
说，伽利略的相对性原理是说：所有的运动都是相对的，这意味着，如
果不借助外部参考系，你无法检测是否在运动。伽利略在他的《关于两
门新科学的对话》一书中生动地说明了他所说的相对性是什么意思：
把你和一位朋友关在一条大船的甲板下的主舱里，你们还带有几只
苍蝇、蝴蝶和其他一些小飞虫。舱内还放有一大碗水，水里有几条鱼；
舱室的顶上倒挂着一个瓶子，瓶内的水一滴一滴地滴到下方的大口罐
里。当船停着不动时，你仔细观察，所有的小昆虫都以同样的速度在舱
内向各个方向飞行；鱼朝各个方向游动；水滴滴入下方的容器中。而
且，你将东西扔给你的朋友时，只要距离相等，你朝一个方向扔无需比
朝另一个方向扔更用力。你并起双脚起跳，无论朝哪个方向，跳过的距
离都相等。
当你仔细观察了所有这些事情后……让船以你乐意的任何速度行
进，只要运动是匀速的，而且不存在这样或那样的晃动，你将发现，所
有上述现象都没有丝毫变化，你也无法根据其中任何一个现象来判断船
是在移动还是处于静止状态。
换句话说，只要你是在以恒定速度做直线运动，你就没法衡量你运
动得有多快，或者说清楚你是否在运动。这是因为你周围的一切都正以
同样的速度在运动，所有的现象（如正在下落的瓶子，飞舞的蝴蝶）都
一样，不管你是在运动还是处于静止状态。此外，伽利略设定的场景是
在“甲板下的主舱”，所以你是被隔离开来的，它剥夺了你参照外部参照
系来检测到任何相对运动的希望。如果你以类似的方式将自己隔离开
来，譬如塞上耳朵闭上眼睛坐在平滑轨道上开行的火车车厢内，那么你
同样很难判断列车是在以100千米/时的速度在跑还是停留在车站，这是
伽利略相对性原理的又一例证。
这条原理是伽利略最伟大的发现之一，因为它有助于说服持怀疑态
度的天文学家，地球确实是在绕着太阳运动。反哥白尼的批评人士认
为，地球不可能绕着太阳运行，因为如果那样的话，我们就应该感觉到
这个运动，譬如有恒定速度的风或是感到被拉离地面，但显然，这一切
都没有发生。但是，伽利略的相对性原理解释说，我们不可能感知到地
球在空间中运动的这一巨大速度，因为从地面到大气层中的一切事物都
在以与我们相同的速度运动。运动的地球所提供的环境与我们处在一个
静止的地球上所经历的环境是等效的。
一般而言，伽利略的相对性原理是说，你永远无法知道你是在快速
运动，还是在缓慢地移动，或是根本不动。这一原理的适用条件是你是
否被隔离在地球上，或是塞上耳朵闭上眼睛待在火车上或船的甲板下面
的船舱里，或是以其他某种方式隔绝了与外部参照系的联系。
爱因斯坦不知道迈克耳孙和莫雷已经否定了以太的存在，他用伽利
略的相对性原理作为他探索以太是否存在的基石。特别是他将伽利略的
相对性原理运用到一项思想实验上。这是一种只能在物理学家头脑中进
行的纯粹想象的实验，通常是因为它所涉及的过程无法在现实世界中实
现。虽然纯属理论建构，但思想实验常常会导致对现实世界的深刻理
解。
在他1896年（当时年仅16岁）进行的一项思想实验里，爱因斯坦想
知道，如果他能以光速运动，同时在他面前放置一面镜子，他将看到什
么。尤其是他很好奇是否能从镜子里看到自己的镜像。维多利亚时代的
以太理论将以太描绘成一种弥漫于整个宇宙的静止的物质。光被假定是
由以太传递的，所以这暗示着以光速（300000千米/秒）行进就是相对
于以太以这个速度前行。在爱因斯坦的思想实验里，他、他的脸和他的
反射镜通通以光速穿过以太。因此在通常情形下，光将离开爱因斯坦的
脸并运动到他手中的镜子，但现在光永远不会真正离开他的脸，更别说
到达镜面了，因为一切都在以光速运动。如果光不能到达镜面，那么它
也就不可能被反射回去，因此爱因斯坦将无法看到自己的镜面反射影
像。
这个假想的情景令人震惊，因为它完全违反了伽利略的相对性原
理。根据这一原理，人在做恒定速度运动时根本无法确定其运动的快
慢，是向前还是向后运动，甚至是否真在运动。而爱因斯坦的思想实验
暗示他会知道他在以光速运动，因为他的反射影像消失了。
这个男孩很惊奇，如果进行这么一项基于充满宇宙的以太的思想实
验，其结果竟是自相矛盾的，因为它违背了伽利略的相对性原理。爱因
斯坦的思想实验也可以搬到伽利略的甲板下的船舱里进行：这样水手就
会知道船是否在以光速运动，因为他的反射影像将会消失。然而，伽利
略曾坚定地宣称，水手不可能分辨出他的船是否在运动。
两方面总有一方面得放弃。要么是伽利略的相对性原理错了，要么
是爱因斯坦的思想实验存在根本性缺陷。最后，爱因斯坦意识到，他的
思想实验有错，因为它是基于充满宇宙的以太进行的。为了解决这个矛
盾，他的结论是：光不是以相对于以太的某个恒定速度运动，光不是由
以太传递的，以太甚至根本不存在。爱因斯坦不知道，这个结论已经由
迈克耳孙和莫雷发现了。
你可能会对爱因斯坦的稍显曲折的思想实验持保留态度，特别是如
果你认为物理学是一门建立在利用实际设备进行真实测量的真实实验基
础上的学科，那就更是心存疑虑。确实，思想实验只属于物理学的边
缘，而且不完全可靠，这就是为什么迈克耳孙-莫雷的真实实验显得如
此重要。但不管怎么说，爱因斯坦的这个思想实验显示了他稚嫩心灵的
光辉，而且更重要的是，这使他走上了一条探索没有以太的宇宙意味着
什么，以及这对于光速又意味着什么的道路。
维多利亚时代的以太概念原本很让人欣慰，因为它为科学家们谈及
光速时提供了足够充分的内涵。每个人都接受光是以30万千米/秒的恒
定速度运动，每个人都当然地认为这个30万千米/秒的恒定速度是相对
于它所经过的介质的，这种介质被认为是以太。在维多利亚充满以太的
宇宙里，一切现象都解释得通。但是迈克耳孙-莫雷实验和爱因斯坦的
思想实验表明，不存在以太。这样，如果光的传递不需要介质，那么当
科学家谈及光速时这个速度指的是什么？所谓光速30万千米/秒是相对
于什么的呢？
在以后的几年里，爱因斯坦时不时就会想起这个问题。他最终想出
了一个解决这个问题的办法，而且还是严重依赖于直觉。乍一看，他的
解决方案似乎很荒谬，但后来他被证明是完全正确的。根据爱因斯坦的
想法，光的30万千米/秒的恒定速度是相对于观察者而言的。换句话
说，无论我们处于什么样的环境下，无论光是怎么发射的，我们每个人
测得的光速均相同，都是30万千米/秒，或3亿米/秒（更准确地说，应是
299792458米/秒）。这似乎很荒谬，因为它有违于我们对普通物体的速
度的日常经验。
想象一下，一个学童拿了把射豌豆子弹的玩具枪。豌豆的出射速度
是40米/秒。你靠墙站在街头离这个学童一定距离的地方。他向你射
击，豌豆离开玩具枪的速度是40米/秒，它在空间飞行的速度也是40米/
秒，当它击中你的额头时你感觉到的豌豆的速度肯定也是40米/秒。现
在如果学童是骑在自行车上奔向你并向你射击，自行车的车速是10米/
秒，豌豆的出射速度仍是40米/秒，但它相对于地面的速度为50米/秒，
这时当它击中你时你感觉到的速度为50米/秒。这额外的速度源自运动
的自行车。如果此时你是以4米/秒的速度奔向学童，那么情况将会变得
更糟，因为豌豆现在的速度变成54米/秒。总之，你（观察者）感知到
的不同的豌豆速度取决于各种因素。
爱因斯坦认为光的表现不同于此。如果男孩的自行车处于静止状
态，那么车灯射出的光线的速度为299792458米/秒。当自行车是在10米/
秒的速度朝你驶来，这时射向你的车灯的光的光速仍是299792458米/
秒。甚至当你开始奔向自行车，而它也正朝你驶来，照在你身上的光速
还是299792458米/秒。爱因斯坦坚持认为，光的行进速度相对于观察者
是常数。无论是谁来测量光速，得到的总是相同的答案，不管是什么情
况。后来实验证明，爱因斯坦是正确的。光线的行为与豌豆这样的其他
东西的区别可以列表如下。
爱因斯坦确信，光速相对于观察者必定是恒定的，因为这一断言似
乎是让他的镜像思想实验能够说得通的唯一办法。我们可以根据光速不
变这个新的法则重新审视上述思想实验。如果爱因斯坦——作为他的思
想实验中的观察者——以光速运动，他仍将能看到光以光速离开他的
脸，因为它是相对于观察者运动。所以光会以光速离开爱因斯坦，并以
光速反射回来，因此他能够看到自己的镜像。如果他是站在浴室的镜子
前，同样的事情一样会发生——光以光速离开他的脸，并以光速反射回
来，因此他能看到自己的影像。换句话说，通过假设光速相对于观察者
恒定不变，爱因斯坦无法分辨他是正在以光速运动还是静止地站立在浴
镜前。这正是伽利略的相对性原理的要求，即不论你是否在运动，你都
有同样的体验。
光速相对于观察者不变是一个惊人的结论，它一直主导着爱因斯坦
的思想。当时他还只有十多岁，正是这种年轻人的雄心和无畏，使他敢
于深入探讨他的这一思想的意义。最终，他想公开他的这一想法，给世
界以革命性的震撼，但当时他的这一工作都是私下进行的，他还得继续
接受主流教育。
最重要的是，在进行这一深度思考期间，尽管大学教育渗透着专制
的本质，但爱因斯坦始终保持着他的天性、创造力和好奇心。他曾经
说：“妨碍我钻研的唯一障碍就是我接受的教育。”他很少认真听讲，包
括杰出的赫尔曼·闵可夫斯基的课，后者对这种蔑视的回应是称他为“一
条懒惰的狗”。另一位主讲老师，海因里希·韦伯，对他说：“你是个聪
明的孩子，爱因斯坦，你非常聪明，但你有一个很大的缺点，就是你不
愿意听课。”爱因斯坦对韦伯的课之所以态度消极，部分是因为韦伯拒
绝在课堂上教授最新的物理学概念，这也是为什么爱因斯坦称他为平庸
的赫尔·韦伯，而不叫他赫尔·韦伯教授。
这场意志比拼的结果，是韦伯不给爱因斯坦写推荐信，使得他无法
继续从事学术事业。为此，爱因斯坦在毕业后花了7年时间在瑞士伯尔
尼的专利局当文员。事实表明，这段时间并非可怕的困境，反倒使爱因
斯坦可以不受当时著名大学里主流理论的限制，坐在他的办公室里，好
好琢磨他十几岁时提出的思想实验的意义——赫尔·韦伯教授曾嗤之以
鼻的那种思辨性的思考方式。此外，爱因斯坦的办公室工作平淡无奇，
因为他刚入职，还只是个“试用的三级技术专家”，这让他每天只需花费
短短几个小时就可以做完他的所有专利审核工作，然后留下大量时间进
行他个人的研究。如果他真是一所大学的学者，那他可能需要日复一日
地应付各种学术环节、无尽的行政杂务和繁重的教学任务。在给朋友的
一封信中，他将他的办公室描述成“世俗修道院，在那里我可以慢慢孵
化我最优美的想法”。
做专利局职员的这些年被证明是他学术生涯中最富有成果的一个时
期。同时，这段时期也是这位日渐成熟的天才的感情生活最为复杂的一
段时期。1902年，他父亲得了致命的疾病，爱因斯坦经历了他一生中最
深重的冲击。在他临终前，赫尔曼·爱因斯坦给阿尔伯特的祝福是允许
他与米列娃·玛丽奇结婚。他不知道这对夫妻已经有一个女儿莉瑟尔。
事实上，历史学家们也一直不知道阿尔伯特和米列娃有这么一个女儿，
直到20世纪80年代末，他们看到了爱因斯坦的私人信件，才知道有这件
事。米列娃是回到她的祖国塞尔维亚生下孩子的。爱因斯坦一听到他们
的女儿出生的消息，便写信给米列娃：“她健康吗？已经会哭了吧？她
有什么样的小眼睛？我们两个她更像谁？谁喂她奶？她饿吗？还没长头
发吧？我非常爱她，但我还一点都不了解她！……她肯定已经会哭了，
但要学会笑还要等一段时间。这里面有深刻的道理。”阿尔伯特既不会
听到女儿的哭声也不会看到她笑。这对夫妻不敢冒险让人知道他们有这
么一个非法生养的女儿，这在当时是难以被社会接受的耻辱，所以莉瑟
尔被寄养在塞尔维亚。
阿尔伯特和米列娃于1903年结婚，他们的第一个儿子，汉斯·阿尔
伯特，第二年出生。1905年，在一边忙着尽到做父亲的责任，一边切实
履行专利局职员的职责的同时，爱因斯坦终于打磨好了他对宇宙的想
