书名：宇宙通识课：从爱因斯坦到霍金
ISBN：978-7-115-61157-4
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著 赵 峥
责任编辑 俞 彬
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20世纪初，众多物理学家认为物理学的大厦已经基本建成，只剩下了修修补补的工作。但随后诞生的相对论和量子理论让物理学进入了一个新的发展阶段，也深刻影响了人类对于时空的认知。
本书就以爱因斯坦和他的相对论为切入点，介绍了物理学的新发展。全书可分为三部分：第一部分从20世纪近代物理的开端讲起，介绍了爱因斯坦的一生和狭义与广义相对论；第二部分从相对论延伸开来，介绍了恒星和宇宙的演化，以及宇宙中的致密天体；第三部分主要介绍了黑洞理论和霍金一生的贡献。
本书改编自赵峥教授在网络平台的课程，保留了课堂的原汁原味，语言生动风趣、通俗易懂，内容深入浅出，适合对近代物理发展感兴趣的中学生、大学生等广大物理爱好者阅读。
爱因斯坦一生最伟大的成就是创立相对论，特别是创立了描述弯曲时空的广义相对论。近年来，建立在广义相对论基础上的宇宙演化、黑洞及时空性质的研究取得了显著的进展。物理宇宙学的创建、作为时空涟漪的引力波的直接发现、黑洞的理论研究和天文探测等成就相继获得了诺贝尔物理学奖项，引起了世人的广泛关注。
在这种背景下，B站（哔哩哔哩网站）把读书人平台录制的作者关于相对论及天体物理的一系列讲座进行了加工整理，并以《16堂宇宙课》为题在网站上播出，受到观众的热情欢迎。讲座用通俗的语言向大众介绍了狭义和广义相对论的创立背景与有趣内容，介绍了黑洞、引力波、恒星演化和宇宙演化，介绍了并非神童的爱因斯坦和霍金的成长经历与科研历程。依照张鹿先生的建议，作者对有关视频的内容进行了整理、修改和补充，写成本书，供视频观众与感兴趣的读者阅读和参考。
把语音内容整理成可翻阅的文字资料是一件十分枯燥而又烦琐的工作，需要付出艰苦的劳动。北京师范大学物理系理论物理专业的研究生王天志、唐艺萌耗费了许多时间和精力来协助作者完成这一工作。张华先生提供了许多参考资料和图片。读书人平台和B站的朋友们也付出了许多劳动。作者在此对他们表示深切的感谢。作者特别要感谢读书人平台的张鹿先生，以及李江兵、李北巍、赵小彬、刘建钢、周雁翎等朋友的参与。还要特别感谢人民邮电出版社科普分社俞彬社长的鼎力支持、赵轩编辑的热情推荐、杜海岳编辑与韩松编辑的精细加工，正是他们的努力使得本讲座在视频播出之后能够以文字形式和读者见面。
由于作者水平有限，错误之处在所难免，欢迎读者批评指正。
赵 峥
2021年5月于北京
开篇我们讲爱因斯坦与相对论。首先介绍一本书：《狭义与广义相对论浅说》。这本书是爱因斯坦亲自写的唯一的科普读物。还有一本书是爱因斯坦和他的朋友及合作者因费尔德两个人共同署名的，叫《物理学的进化》，但是那本书实际上是因费尔德写的。当时因费尔德因为生活上比较困难，想出一本书来缓解一下，于是他就请爱因斯坦跟他联名，这样这本书的销售量就会比较大。爱因斯坦同意了，当然这本书爱因斯坦肯定也提了不少建议，所以也是一本很好的书。《狭义与广义相对论浅说》这本书以比较通俗的语言介绍了狭义相对论和广义相对论。我们知道爱因斯坦一生中取得的成就是很多的，但是最重要的成就是相对论。相对论分两个部分，一部分是狭义相对论，另一部分是广义相对论。我将《狭义与广义相对论浅说》这本书推荐给大家，大家可以在学习相对论的时候看一下爱因斯坦是如何用通俗的语言来解释他的那些很难懂的理论的，我认为看这本书的人肯定会有所收获。
图1-1这张照片是爱因斯坦发表狭义相对论的时候，也就是他26岁左右时候的照片。通常大家看到的爱因斯坦的照片都是那个叼着个烟斗、头发乱糟糟、满脸皱纹的老头形象，大家觉得那时的爱因斯坦有着全世界最聪明的脑袋。其实那个时候的脑袋已经不行了，最行的是图1-1这个26岁左右时的脑袋。他26岁发表狭义相对论，37岁发表广义相对论，主要的成就其实都是40岁以前取得的。40岁以后虽然还有成就，但是远不及他中青年时期的成就大。实际上所有的科学创造和发明，特别是理论的创造，基本上都是青年人做出来的。到了中老年以后，人的学问大了，课会讲得更好，知识会更丰富，但是创新能力往往会降下来。我们以前宣传科学家，通常都是给人看他们早已功成名就、成为老头老太太时候的照片，其实这样会给人一种误解，以为重大的成就都是老年人做出来的。
图1-1 青年爱因斯坦
对于爱因斯坦，我们分几方面来介绍，首先介绍爱因斯坦的成功之路，然后介绍他的狭义相对论，再介绍他的广义相对论，最后讲相对论的进展，以及爱因斯坦一生中取得的成就和产生的影响。
1900年4月，英国皇家学会召开了一次迎接新世纪的年会，当时德高望重的老物理学家开尔文勋爵受邀发表了一个展望物理学前景的著名演讲。他说，物理学的大厦已经建成，未来的物理学家们只需要做些修修补补的工作就可以了。但是明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克耳孙-莫雷实验有关。
结果呢，在不到一年的时间里，就从第一朵乌云里头降生了量子论，不到五年时间，又从第二朵乌云当中降生了相对论。这两个新的理论一出现，原来的物理学的大厦看起来就像一个小的庙堂一样了。这两个新的理论，展现了新的物理学的天空，所以开尔文还真是非常有远见。
先来说一下当时物理学的研究背景。首先，介绍当时物理学家对光的本性的认识。之所以特别要讲对光的本性的认识，是因为刚才说的这两朵乌云都和光有关。一朵和黑体辐射有关，黑体辐射就是热辐射，热辐射和光都是电磁波，只不过波长不同。而另外一个迈克耳孙-莫雷实验，是跟光的传播速度有关的。
我们先看看光学的进展在当时是什么情况。
什么是光，在17世纪的时候就有争论。一派以笛卡儿、惠更斯、胡克为代表，他们认为光是一种波；另一派以牛顿为主，认为光是一种微粒。刚开始的时候是波动说占上风，因为胡克、惠更斯这些人都比牛顿要更加年长，他们在物理学界已经成名了。他们觉得光的波动说能够解释很多东西，例如光的反射、折射、直线传播等。
牛顿认为光是微粒。一开始的时候，胡克他们反对牛顿的观点。牛顿用光是微粒的观点，写了一篇文章，想投给英国皇家学会的《自然科学会报》发表。但是作为皇家学会实验主持人的胡克认为这篇文章简直是胡扯。光是波，怎么会是微粒呢？这个问题早已经弄清楚了，因此他拒绝刊登牛顿的文章。牛顿一气之下从此再也不给英国皇家学会投稿。
牛顿一生主要写了两本书，《自然哲学的数学原理》和《光学》，其他的文章则没有。但是我们现在有时候能看到一些牛顿的文章，比如《论运动》这样的文章，其实这些都不是他投的稿，都是他给朋友写信或交换意见时的长篇大论。牛顿成名以后，别人把这一段一段的内容截下来，加个小标题，就成为一篇篇牛顿的文章。牛顿的力学理论很受追捧，大家想牛顿的力学理论正确，他对光的解释是不是也是正确的？于是大家重新注意了光的微粒说。而且人们也注意到了波动说的缺点：如果光是波的话应该会有干涉现象，但是人们一直没有看见。于是牛顿的微粒说就占了上风。牛顿的微粒说击败了波动说以后统治物理学界100多年，一直到1801年（一说1802年）托马斯·杨完成了双缝干涉实验。这个实验的现象是微粒说不能解释的，这一下子又反过来，波动说重新战胜了微粒说。
英国的托马斯·杨是个很了不起的天才。据说他2岁的时候就能够读书，4岁的时候把《圣经》通读了两遍，14岁的时候已经通晓拉丁语、希腊语、法语、意大利语、希伯来语、波斯语和阿拉伯语等多种语言，他还会演奏多种乐器，在物理学、化学、生物学、医学、天文学、哲学、语言学、考古学等领域都有贡献。
托马斯·杨最开始当医生研究视觉，发现了眼睛散光的原因；转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验，认识到光是一种波，但是这遭到了很多人的反对，因为大家都认为牛顿那么了不起的人，怎么会有错？于是，有些人就反问了他一些问题，有的问题他用波动说解释不了。后来他才恍然大悟——光波跟声波不一样，光波不是纵波，而是横波。他一认识到光波是横波，那些反驳他的意见就都被他驳倒了。
他还提出了光的三原色理论，此后又破译了古埃及的罗塞塔石碑上的一些文字。那个石碑上有三种文字，其中两种为古埃及文，一种为古希腊文，可是当时的人一种都不认识。托马斯·杨用对比的办法破译了其中的一点东西，开了一个头，因此对考古学做出了贡献。
另外一个天才是法国的商博良，他把罗塞塔石碑上的文字全部都破译了。不过，商博良是专门搞考古的，而托马斯·杨的才华则覆盖科学的各个领域。虽然托马斯·杨是天才，但是当时他在反驳牛顿的微粒说的时候，也遇到了很大的困难。因为在英国人看来牛顿是他们的骄傲，是非常伟大的一个人。而托马斯·杨这小子简直不自量，居然敢说“祖师爷”牛顿有错误，于是大家都拒绝接受他的想法。他的文章发不出来，他就自己掏钱印了100份，结果只卖出去一份。不过，后来因为大家看到微粒说不能解释干涉和衍射现象，所以最终他的理论还是获胜了。
现在我们就来看这两朵乌云。第一朵乌云是黑体辐射，黑体辐射就是当一个物体处于热平衡状态时候的平衡热辐射。为什么要研究这个问题呢？这个问题和炼钢有关系。
1870—1871年的普法战争，法国战败。战败一方面导致了巴黎公社起义；另一方面，按照当时的和约，法国向普鲁士割地赔款，法国当时把阿尔萨斯和洛林这两个地区割让给了普鲁士。这两地割让给普鲁士至关重要，因为它们靠着普鲁士的鲁尔区，鲁尔区有煤矿，没有铁矿，这两地有铁矿，没有煤矿，现在都归了普鲁士。而且普鲁士还得到了一大笔战争赔款，于是普鲁士就决心发展工业，要把普鲁士从一个以生产土豆为主的国家，变成一个以生产钢铁为主的国家，实现工业化。
工业化很重要的一个标志就是发展钢铁工业，发展钢铁工业就需要炼钢。炼钢的主要技术是控制炉温，而炉温怎么测量？把温度计搁进去行吗？不行！搁进去它就化了。于是人们就在炉子上面开了一个小孔，让热辐射出来。出来以后人们发现，在不同温度的辐射能谱不一样。辐射的能量在不同波长的分布可以描成一条曲线，这条曲线在图1-2中用一系列圆点连成的线来表示。在不同温度的时候，曲线的“高低胖瘦”不一样。根据曲线的“高低胖瘦”就能判断炉温。
图1-2 黑体辐射曲线
当时德国的物理学家维恩得出一个维恩位移定律［式(1-1)］。根据这个定律，热辐射的能量密度取最大值时对应的波长λm和温度T的乘积是一个常数，也就是说，只要测出了这条曲线的λm，你就可以知道这条曲线所代表的温度。
λmT = b
(1-1)
为什么会出现这么一条曲线？大家不清楚。当时英国也在发展钢铁工业，英国的两个物理学家，瑞利和金斯（金斯主要研究天体物理）给出一个理论，想解释这条辐射曲线。他们认为炼钢炉的炉壁上面的物质，可以看成一个个小单元。当时原子论还没有被大家完全接受，有一部分物理学家已经承认原子是物质的最小微粒了，认为最小的辐射单元是原子。还有一些人不承认原子论，但是也承认存在最小的辐射体。当时的物理学家认为，这些辐射体就像一个个谐振子，类似弹簧，放出辐射时振动减弱，吸收辐射时振动加强。根据这样一个模型，瑞利和金斯计算出了一条曲线，即图1-2上面的这条曲线。
这条曲线在长波波段跟实验符合得很好，但是在短波波段就走向了无穷大。因为短波是紫外光的分布范围，所以这个问题在物理学上就叫作紫外灾难。为什么会出现这么一个跟实验不符合的、理论计算的无穷大结果呢？不清楚。
维恩给出了另外一个模型，这个模型的曲线在短波波段跟实验符合得不错，但是在长波波段就偏离了实验点，如图1-2所示。
这个时候，德国的理论物理学家普朗克提出了一个人们意想不到的理论。他在研究这些曲线以后发现，如果认为谐振子在辐射能量和吸收能量的时候是不连续的，或者说一份一份的，就会得到与实验相符的结果。当时物理学家们已经认识到热辐射跟光都是电磁波，一般认为电磁辐射是连续的，所以热辐射也应该是连续的，这个能量怎么可能是一份一份的呢？大家不清楚。但是普朗克发现，只要假定谐振子在辐射和吸收的时候能量是一份一份的，那么描出的这条曲线就能跟实验符合得很好。
普朗克做出这个发现以后感到很吃惊，他自己也有点不相信，他想是不是这样的，谐振子在辐射能量和吸收能量的时候是一份一份的，但是能量一旦离开了谐振子，所有的能量都混到一起的时候，就又是连续的了。他把自己的这个理论叫作量子论。根据量子论，热辐射是存在能量子的，能量子表现为谐振子的能级是不连续的，每一个能级之间差一个能量子。 普朗克一开始没有大张旗鼓宣传他的理论，因为他自己也觉得这个理论难以理解。他已经是教授了，发表一个错误理论闹个笑话可是不得了，他得小心翼翼的。所以他在自己学校里做报告介绍这项工作的时候，说得很保守，以至于有的学生听了以后说，今天白来了一趟，普朗克教授今天这个报告什么也没讲出来。学生们是这种感觉。
他是否知道这个发现很重要呢？他知道可能是很重要的，但是不知道是不是正确。他在跟儿子出去散步的时候跟儿子讲，自己有了一个重大发现，这个发现如果能够被证实是正确的话，成就是可以跟牛顿的成就相媲美的。可见他是知道自己工作的重要性的，但是他对外讲的时候还是很保守。这时候，他一会儿说原子在辐射能量和吸收能量的时候是一份一份的，一会儿又说这能量是连续的，所以有的人听不明白。有个记者就问他能量到底是连续的还是不连续的，普朗克解释说，有一个湖，湖里有很多的水，旁边有一口水缸，里面也有水。有人用碗把水从缸里一碗一碗地舀出来，倒到湖里，你说这水是连续的呢，还是不连续的？从这个回答当中大家可以很清楚地看到，普朗克认为能量本质上还是连续的，只是谐振子在辐射和吸收能量的时候是一份一份的。
到了1905年的时候，德国的《物理年鉴》（又称为《物理学杂志》，德国最重要的物理杂志之一）的编辑收到了一篇论文。这篇论文的作者是一个当时名不见经传的人物——爱因斯坦。这个人认为，普朗克说的能量的量子，不是离开了谐振子以后就变成连续的了，而是离开了辐射源以后，依然是保持一份一份的，这就是我们后来所说的爱因斯坦的光量子理论。量子不仅在谐振子辐射和吸收它的时候是一份一份的，它在传播过程当中也是一份一份的。利用这样的观点，爱因斯坦解释了光电效应。《物理年鉴》的编辑请普朗克看一看这篇文章。当时德国还没有完备的审稿制度，稿子来了，如果编辑觉得没问题就发了；如果觉得有点怀疑，就交给一位著名的专家去看一下，如果专家认为行就发，不行就算了，大概程序是这样。普朗克看了这篇文章以后，觉得此文观点好像不对，能量怎么会一直是一个一个的粒子，量子怎么会一直保持这种分离的状态呢？
但是爱因斯坦的这篇文章能解释光电效应。物理学是一门实验的科学、测量的科学：你的理论再漂亮不能解释实验，大家不能接受；你的理论虽然大家看着很别扭，但是能够解释实验，那还是可以勉强接受的。普朗克发扬了大家风范，把自己认为不对的这篇文章同意发表了。在同意发表的同时他给爱因斯坦写了一封信，向爱因斯坦“教授”请教这个问题到底是怎么回事。爱因斯坦当时根本不是教授，他在专利局工作，是一个普通职员。爱因斯坦收到这封信的时候，打开一看是普朗克的信，他都不敢相信，这位著名的物理学家会给他这个普通人回一封信。他想肯定是他那几个朋友拿他开玩笑，冒充普朗克给他写了一封信。当时他的夫人正在洗衣服，她一把拿过那封信，一看，说这个邮戳是柏林的，而他们当时在瑞士，他那几个朋友不可能跑到柏林去发这封信。
爱因斯坦再仔细一看，信真是普朗克写的，他就回信跟普朗克解释了一下。普朗克还派他的助手劳厄来拜访爱因斯坦，讨论这个问题。普朗克在爱因斯坦后来的几篇文章的发表上，也都起了很大的作用。但是普朗克长时间对爱因斯坦的光量子理论是持保留态度的。他在给维恩的信里说，他虽然同意爱因斯坦的文章发表，但他认为，爱因斯坦的光量子观点肯定是不对的。这种情况一直延续到爱因斯坦提出狭义相对论之后。他和能斯特一起，推荐爱因斯坦成为普鲁士科学院的院士并担任德国威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授的时候，写了好多赞扬爱因斯坦的话，但最后还说了一句：“当然，对于一个年轻人我们也不应该苛求，我们也应该想到他有时候可能会犯错误，比如他的光量子理论。不过他的这一点错误不能掩盖他在物理学上那么多重大的成就，所以我们还是要推荐他……”很有意思的是，过了几年，诺贝尔奖委员会给爱因斯坦颁奖的时候，特别指出获奖原因是他对光电效应的解释和在物理学其他方面的成就，而没提到相对论。而且在他获奖的通知上，诺贝尔奖委员会的秘书还特别提到，这次颁奖没有涉及他的相对论和引力论方面的工作。这个含义可能是双重的：一方面是委员会并没有说爱因斯坦的相对论一定是对的；另一方面的意思是，这个奖主要是因为爱因斯坦解释光电效应和提出光量子理论的成就而给的。他的狭义与广义相对论还有可能再得诺贝尔奖。但是诺贝尔奖委员会不大愿意给同一个人颁两次奖，所以爱因斯坦没有因为相对论获得诺贝尔奖——这不是一个大笑话嘛！可见诺贝尔奖这个事情，大家也不要看得很重，因为就连爱因斯坦最重要的两个成就都没有获得诺贝尔奖。
爱因斯坦是犹太人，他1879年诞生在德国的小镇乌尔姆，但是很快他们家就搬到了慕尼黑。他父亲是个小的企业主，办了一个生产电器的小工厂。他在慕尼黑度过了中小学时光。爱因斯坦小时候说话很晚，两三岁了才会说点简单的话，他的父母都曾经怀疑这孩子智力有问题，就带他去看医生，看了半天也没发现问题。原来是因为他平常不太注意大人们的谈话，爱自己摆弄一些东西。他有个很大的优点，就是能够长时间地集中注意力，这个优点他保持了一生。
爱因斯坦九岁就上中学了，中学时期每逢周末的时候，会有一个年轻的犹太大学生到他们家来，这个人叫塔尔梅。为什么呢？这是因为当时德国的犹太人有一个习惯，凡是中产阶级以上的犹太家庭，都会在周末的时候请一个贫困的犹太大学生到家里度周末，于是塔尔梅就到了他家。塔尔梅是学医学的，身边经常带一些书。爱因斯坦从小不太爱讲话，但是他很爱跟塔尔梅交谈。塔尔梅发现他爱看书以后，就经常把一些科普书带过来给他看。这些书包括物理的、化学的、天文的，还有些植物的、动物的、矿物的，什么都有，爱因斯坦对所有的书都很专心地看。有一本科普书中特别提到了测量光的实验，实验结果为不管光源是否在运动，测到的光速都大致相等。作者议论说，看来光的这个特性，可能是光的一个普遍的、重要的规律。这个观点对爱因斯坦很有影响。有一次塔尔梅带来了几何书，他也很专心地看，以至于他们家后来给他买了一本几何课本。于是他没开始学几何时就在那里看几何书，后来欧几里得几何影响了他一生。
爱因斯坦上高中的时候，由于他父亲的买卖做得不行，他们家搬到意大利投靠亲友去了。他父亲认为德国的教育水平比意大利高，希望爱因斯坦能在德国接受完中学教育，于是就把他留在慕尼黑，安排他进了一所重点中学，并托付给一位远房的亲戚来照顾。
爱因斯坦平常不爱说话，跟老师和同学都不大交往。当时德国是一种军国主义式的教育，老师在学生面前都表现出一副无所不知、无所不能的样子，对学生很严厉：“这个问题还不会？怎么回事？讲了两遍你还不会？……”课本上的东西爱因斯坦都会，他就不大问。可是从塔尔梅给的书里看到的那些东西，他觉得挺有意思，因此他就经常问老师这些课外书上的问题。这一问就难住了老师。他有时候还问，世界真是上帝创造的吗？《圣经》讲的都对吗？所以老师对他很是头疼，想这孩子真是讨厌，专门问这些东西，还敢怀疑《圣经》 ？！爱因斯坦也觉得自己压力很大，在这所学校待着也不痛快。这时候他突然想到一个办法，去找他们社区经常给他家看病的医生开一个神经衰弱的证明。他想休学半年一年的，到意大利去跟父母团聚一下，缓解一下压力。这个医生就是塔尔梅的哥哥，所以很容易就帮助了他，给他开了一个证明。可爱因斯坦的神经衰弱证明还没拿出来，班主任就跟他说校长找他。见面后校长建议爱因斯坦退学。校长觉得他的存在是这所学校的一个耻辱：功课一般，还在那里乱怀疑，持无神论观点，还是犹太人，再加上种族歧视，等等，简直是太讨厌了，所以希望他赶紧走。爱因斯坦一听让他退学，心里也吓了一跳，这怎么跟父母交代？后来一想也好，要休学的话，以后还得来，这次干脆就不用再来了。于是他愉快地接受了学校的建议，退学了，然后翻越阿尔卑斯山到意大利去跟他的父母团聚。
跟父母团聚了以后，他父亲觉得爱因斯坦还是应该上学，不上学将来没有本事怎么工作？他一想也是，因为在当时的德国，都是男人工作，妇女待在家里边的。他将来要结婚，自己还得有工作，所以学还是得上。但是他意大利语不好，而且意大利的科学也相对落后，所以他父亲建议他回德国继续上学，但是他不愿意，他讨厌德国。跟父亲商量以后爱因斯坦决定去瑞士。瑞士分成德语区和法语区，德语区跟德国一样讲德语，只是不是军国主义制度，所以爱因斯坦就到了瑞士的德语区。他投考苏黎世联邦理工学院，由于中学的课程没学完，他理科那几门课还可以，而文科的那些科目不灵，因此很遗憾第一年没考上。物理教授韦伯（这个韦伯不是物理学中的磁通量单位背后的那个物理学家韦伯，这个韦伯是搞电工学的，他的专业偏重电工）看爱因斯坦很喜欢物理，就说：“你把文科的课补一补，补完了以后明年你再来，我欢迎你学物理，当我的学生。你如果这段时间里有空闲，还可以来旁听我的课，我允许你来旁听。”校长就干脆跟他说，他只要拿到了中学毕业文凭就可以入学。于是他就去瑞士的阿劳州立中学补习了一年。
瑞士的教育跟德国不一样，它不是军国主义教育，老师跟学生一起平等地讨论问题，除去学习以外，还有各种活动。爱因斯坦在这里觉得很放松，很自在，所以他度过了愉快的一年，随后考上了苏黎世联邦理工学院的师范系。这个师范系是培养大学与中学的数学老师和物理老师的，所以上的课都是数学课和物理课。
爱因斯坦在阿劳中学那一年，因为功课不重，压力轻，思考了很多问题，特别是这个问题：光既然是一种波的话，如果一个人能够跑着追上光，是不是就可以看见一个不随时间变化的波场？
比如说这个人跟着波峰一起跑，他就能看见波峰一直跟着他，对不对？但是谁也没见过这种情况。这是怎么回事呢？这个问题在他头脑当中转悠了好多年，最后引导他发现了狭义相对论。
爱因斯坦一生对学校都没有好印象，包括小学、中学、大学他都没有好印象，唯独阿劳中学的补习班除外。他这样评价阿劳中学：“这所中学用它的自由精神和那些不倚仗外界权势的教师的淳朴热情，培养了我的独立精神和创造精神，正是阿劳中学成了孕育相对论的土壤。”你看，他没有说他上的大学是孕育相对论的土壤，而是说这个补习班是孕育相对论的土壤。
他上了苏黎世联邦理工学院以后，刚开始选了15门韦伯的课，其中10门理论课、5门实验课，可是越学他越觉得没意思。因为韦伯讲的都是比较实用的跟电工有关的东西，而爱因斯坦感兴趣的是那些理论问题，比如以太和光的传播速度，但韦伯对这些问题完全不感兴趣，还多次劝他：“你不要去抠那些东西，那些东西对你一点用都没有，我教你的这些电工知识是最有用的，你将来找工作都不用发愁……”于是他就开始疏远韦伯了，韦伯多次劝他都劝不回来，最后他就干脆不去听韦伯的课了。虽然不去听韦伯的课，但是他也没有混时间，他买了几位德国物理学家写的物理教材，然后躲在他租的小阁楼里边读书学习。西方的大学往往不是为每个学生都提供宿舍的，它们没有那么多宿舍，很多学生都住在大学周围的老百姓家里，爱因斯坦也在大学附近租了一间小阁楼。
他也不是完全不去学校，一般是五点下课以后他就去了。去干嘛呢？两件事情。一件事情，是跟他的同班同学一起去咖啡馆讨论，问问他们今天课上讲了什么，然后讲讲他在书上看了些什么，讨论讨论。另一件事就是到实验室去做实验。因为瑞士学校的实验室是开放的，学生可以随时进来做实验。爱因斯坦在那里做实验，想验证一下白天看的书上的那些东西。
他不去听课，考试怎么办？没有关系，他们班唯一的女生米列娃跟他关系不错，愿意帮他记笔记。但是米列娃功课一般，考试的时候光靠米列娃的笔记不行。正好他们班还有一个好学生格罗斯曼。格罗斯曼是标准的好学生，每天是西服革履，皮鞋擦得锃亮，对老师有礼貌，功课好，字也写得漂亮，从任何一个角度看都是好学生。他跟爱因斯坦关系不错。刚进大学的时候，学习成绩是爱因斯坦在班上考第一，他考第二。现在爱因斯坦一下儿掉下去了，他考第一，爱因斯坦则排到后边去了。
爱因斯坦每到考试前就跟格罗斯曼借笔记。大家知道考试前借笔记恐怕有点难，考试后借笔记一般都问题不大，考试前借笔记人家还要看，怎么会借？但格罗斯曼挺慷慨，每次都借给爱因斯坦。爱因斯坦突击两个星期看完以后就参加考试。一考，考过去了，于是他就跟别人谈感想，说这门课简直一点意思都没有。你们想，这种学习方式，它可能有意思吗？肯定没意思。这时爱因斯坦做实验出了问题。他不是不爱做实验，但是他不太喜欢实验老师给他安排的实验，他希望做他自己想做的一些实验。实验老师就跟他说你不能这样，再这样毕不了业。但是他还是这样做，最后那位实验老师给了他一个最低分，1分。而且有一次他居然在实验中引发了一个局部爆炸，把手还炸伤了，不过幸好没有造成太大的损失。学校老师、校长把他找去批评了一顿。
到了快毕业的时候，要做毕业论文。韦伯建议他做一下测各种物质热导率的实验。爱因斯坦认为这个实验没什么意思，他想测一下以太相对于地球的运动速度。韦伯不认为有以太，让他不要去想那些天方夜谭的东西，好好做热导率的实验，而且跟米列娃两个人一块做。他又跟老师商量，让他测一下热导率和电导率的关系。韦伯坚持让他测热导率。做完以后，他得了4.5分，满分是6分，米列娃得了4.0分。后来毕业总成绩他得了4.9分，米列娃得了4.0分。米列娃的成绩不及格，所以不能毕业。爱因斯坦的成绩是全班第四，也就是倒数第二，因为他们班一共五个人，爱因斯坦终于勉强毕业了。
爱因斯坦毕业时觉得韦伯可能会让他留校。当时格罗斯曼和另外一个同学已经被他们的数学教授闵可夫斯基留下来当助教了，他想韦伯肯定要把自己留下来当助教，结果韦伯不要他。他为什么会想到韦伯要把他留下来当助教呢？因为韦伯当时正需要人。韦伯和西门子公司的老总是朋友，那个西门子公司的老总向苏黎世联邦理工学院提出来，他准备捐赠给苏黎世联邦理工学院一个新的电气实验室，条件就是这个实验室的主任必须由韦伯来当。这个不是问题，因为韦伯本来就是他们学校的教授，于是学校愉快地接受了他的捐赠。
爱因斯坦想，韦伯当了实验室主任了，还不需要人？他肯定要我。结果韦伯不要他，也没要他们班上的其他人，而是从工科院系找了两个毕业生当助教。爱因斯坦非常失望，只好离开学校，另外找工作。
他向好多学校写了求职申请，都没有回应。他当时买了一些明信片，这些明信片都带一个附页，可以写回执，他这是为了让那些教授方便给他寄回执，但是还是没有回应。这时候他发表了一篇论文，是研究毛细管的。这篇论文是他看了著名的物理化学家奥斯特瓦尔德的文章后写的。于是他就给奥斯特瓦尔德写了一封信，顺便把他的文章也寄去了，说：“尊敬的奥斯特瓦尔德教授，您看这是我发的论文，我的这篇论文，就是在拜读了您的文章之后写出来的，我对您的工作十分感兴趣，想到您那儿去工作。”结果没有回应。他后来又给奥斯特瓦尔德写了一封信，说：“教授，抱歉，我上封信可能忘了写地址了，我再告诉您一下我的地址。”他的意思是要提醒一下奥斯特瓦尔德，你还没给我写回信呢，结果还是没有回应。
他的父亲看着儿子这么困难，也很心疼，于是背着爱因斯坦给奥斯特瓦尔德写了一封信，说：“尊敬的奥斯特瓦尔德教授，请您原谅一个老人打扰您，写了这封信。我实在是觉得我的儿子他非常钦佩您，其实我的儿子非常优秀，您只要跟他谈一谈，您一定会觉得他是一个很优秀的青年，您一定会愿意接受他在您那里工作。请您原谅我这个老父亲，冒昧地给您写这封信。”但还是没有回应。
当时爱因斯坦简直是走投无路，他一想准是韦伯捣的鬼。为什么？因为当时大学不多，大学里一个系就一个教授，这些教授可能相互都认识。你去大学求职，那所大学的教授一看，这不是韦伯的学生吗？肯定会问问韦伯这学生怎么样，他想韦伯肯定没说他的好话。但这都是爱因斯坦的推测，实际上他根本没有任何证据。
然后他开始多方面求职。他有一个朋友，叫贝索，他听说贝索的舅舅在一所大学当副教授，他就跟贝索讲：“贝索，你能不能跟你舅舅说说，让他跟他们的物理教授讲讲，是不是可以让我到他那里去工作。”他看贝索有点为难的样子，就说：“要不然这样，你把我领到你舅舅那里去，我去跟你舅舅说。”据说贝索的舅舅确实是向物理教授提了爱因斯坦，希望他能考虑，但人家还是没考虑。
后来爱因斯坦走投无路，开始在报上登小广告，说他可以教数学、物理、小提琴。最后就只来了一个人，这个人叫索罗文，后来成了爱因斯坦的朋友。爱因斯坦跟索罗文一聊，发现两人对很多问题有共同的兴趣，他也就不收钱了，所以还是没挣着钱。后来有个同学给他在另外一个城市找了三个月的中学代课老师的工作，爱因斯坦感激涕零，给对方写了一封感谢信，可见当时他确实很困难。爱因斯坦的妻子米列娃曾对自己的朋友抱怨说：“你要知道，我的丈夫有一张臭嘴，况且他还是一个犹太人。”看来他们已感觉到这里面可能存在种族歧视。
最后帮了他忙的还是老朋友格罗斯曼。格罗斯曼知道自己的父亲跟伯尔尼专利局的局长认识，于是就跟父亲说：“你那个局长朋友不是老说想找点聪明人到他那里工作吗？你看我的同学爱因斯坦不就很聪明吗？你能不能跟他说一下？”
现在所有的资料都表明，在爱因斯坦的老师和同学当中，第一个看出他聪明的就是格罗斯曼，别人都没看出来。结果他的父亲真的跟局长大人讲了。局长大人同意见见爱因斯坦。见了以后这位局长大人觉得这孩子还可以，但是他又不方便自己来招，觉得还是要避一下嫌。他就在专利局成立了一个招聘小组，他不参加，但是招聘小组准备问的题，他跟爱因斯坦商量过，所以爱因斯坦准备好了如何回答，他想这下大概没问题了。结果没想到面试完了以后，招聘组负责人跟局长说这孩子不行，他虽然理论上还可以，但是动手实验不行，还是算了。局长想，都答应老朋友了，还是应该再找他一下，于是又把爱因斯坦叫去亲自谈了谈，谈了以后觉得还行。原来爱因斯坦想取得一个二等职员的位置，这下二等职员不行了，就三等职员吧，于是局长把招聘组的组长说服了，让他当了个三等职员。三等职员是最低等的职员，但最低等的职员也有一份公务员的薪金。所以爱因斯坦立刻在经济上就有了起色，因为当时爱因斯坦实在很困难。
除去找不着工作以外，他的婚姻也遇到了阻力。米列娃是塞尔维亚人，不过爱因斯坦家不同意这门婚事，主要还不是因为米列娃不是犹太人。爱因斯坦的妹妹就嫁了个雅利安人，是个德国人。他们家的反对意见主要是：第一，她出生于被压迫民族；第二，更重要的，她有残疾，腿有点瘸。爱因斯坦的母亲想，这个女孩子怎么能配上我儿子，不行不行。但是好说歹说爱因斯坦就是不愿意听，而且最后爱因斯坦还产生了逆反心理，你越说不行，我就越要跟她好，双方处于僵持状态。爱因斯坦的父亲也是不同意这门婚事的。后来爱因斯坦父亲病危，他赶去看父亲。他的老父亲看到儿子如此难过，而且还没找到工作，心一软就同意他跟米列娃结婚了。当时的德国是男人主事的家长制，父亲说行了，母亲说不行也没用了，这事就算是通过了。
爱因斯坦找到工作以后，立刻就跟米列娃结了婚。爱因斯坦母亲难过极了，说这位米列娃小姐给我造成了终生最大的痛苦。而且爱因斯坦和米列娃还在婚前育有一女，这事被爱因斯坦的父母知道以后，爱因斯坦的母亲就给米列娃的父母写了一封信，把他们的女儿批了一顿。这件事情使得两家的关系更加恶化。但是他们还是结婚了，而且很快就有了两个孩子。
在专利局找到一份工作以后，爱因斯坦就能够稳定生活了。专利局的工作是这样的：一般一个发明专利申请来了，如果初筛人员一看是等级比较高的，可能这个发明有戏，就交给二等职员，二等职员如果通过，再交给一等职员看；如果初筛人员一看这个发明不怎么样，就给三等职员，三等职员一看确实不怎么样，就写一封回信拒绝了，如果一看还可以，再交给二等职员复审。爱因斯坦经常看到的都是一些永动机一类的发明，他觉得这些不靠谱的发明虽然浪费了自己一些时间，但是有一些人的想法还真的挺好，能活跃自己的思维。另外，专利局一个很大的“优点”是事情不多，爱因斯坦有很多空闲时间。他就把自己要看的书搁在抽屉里边，一看周围没有人，就把抽屉打开开始看书；一看有领导来了，马上把抽屉关上。那位局长有几次看见他在那里看与专利局工作无关的书，不过发现都还是一些正经的物理书或者哲学书，也就不管他。局长大人的宽容，为爱因斯坦后来的科学发现创造了条件。
他在专利局工作期间，还有一件对他来说很重要的事情。他在伯尔尼认识了几个好朋友，这几个好朋友对科学和哲学都有兴趣。他们在假期时经常聚在一起，读一些书，进行一些讨论。这些书一般是数学书、物理书，但是不是太专业的，而是带有哲学色彩的数学书或者物理书这样的东西。这几个人里，索罗文是学哲学的，但是他喜欢物理，还有的人是学物理的、学数学的或者是学工程技术的。大家开玩笑，说咱们像个科学院，就叫作奥林匹亚科学院吧。他们称爱因斯坦为院长，因为别看他年龄最小，很多讨论都是他主导的。他们看了很多书，我们现在知道的，有马赫的《力学及其发展的批判历史概论》、庞加莱的《科学与假设》。
这个奥林匹亚科学院对爱因斯坦的启发和帮助很大。爱因斯坦提出相对论以后，很多记者采访爱因斯坦时老问他小时候都有些什么特别的表现，在学校时学习怎么样。爱因斯坦就说怎么老问他小时候，怎么不问问奥林匹亚科学院，可见他是很肯定奥林匹亚科学院对他的影响的。
爱因斯坦在去专利局前就开始发表论文。1901年，也就是他去专利局之前的那一年，他发表了一篇论文，就是前文讲的关于毛细管的那篇。1902年发表了两篇，1903年一篇，1904年一篇。
1905年，26岁的时候，爱因斯坦发表了五篇论文：3月份他投了一个稿，解释光电效应，提出光量子理论，这是6月份登出来的；4月份提交了博士论文，博士论文必须是跟实验有关的，它的主题是测定分子大小的新方法；5月份投出了解释布朗运动的论文，这是7月份登出来的；6月份投出了一篇题目为《论动体的电动力学》的论文，也就是今天我们所说的提出狭义相对论的论文，这篇论文在9月份发表；9月份又投了一篇论文，这篇论文当中给出了E=mc2这个重要的公式。我们现在来看，他1905年的这几篇论文，除去那篇博士论文以外，其他四篇都是可以得诺贝尔奖的，而且现在得诺贝尔奖的许多论文都比不了他这几篇。所以这一年被称作爱因斯坦的奇迹年。
为什么这么说呢？因为牛顿在二十二三岁（1665年和1666年）的那两年时间里，在乡下躲避瘟疫，很多重要的成果都是那时候取得的。比如他的力学三定律（即牛顿运动定律）、万有引力定律，按他自己的说法都是那时候得出的。还有微积分的思想、光学的想法，都是那时候提出来的，因此1666年被称为牛顿的奇迹年。
爱因斯坦做出这些成绩以后，有一些记者就开始评论了，说你们看我们的社会有多么不公，像爱因斯坦这么优秀的人物，居然没有一个大学肯要他。如果有大学肯要他，他一定会做出更多的成绩。数学家希尔伯特是爱因斯坦的朋友，他就说，没有比专利局更适合爱因斯坦的工作单位了。为什么？就是因为没事儿。这个单位清闲而且宽容，爱因斯坦可以思考自己的问题，不用去备课、讲课了，也不会有其他的事情堆上来；而到了学校或者科研单位，上边布置的科研任务不一定是他想干的那些东西，现在他可以专心干他自己想干的事。
爱因斯坦1909年进入大学工作，首先回到他的母校苏黎世联邦理工学院，因为他的同学格罗斯曼已经担任了那儿的数学与物理系的主任，他邀请爱因斯坦回母校工作。爱因斯坦当然会去了，格罗斯曼是他的好朋友，于是他就到那里工作去了。1914年，他到了德国，担任柏林大学教授和威廉皇家物理研究所所长，当选为普鲁士科学院院士。1915年他在德国提出了广义相对论（1916年正式发表）。他在26岁时提出狭义相对论，36岁时提出广义相对论。二十六七岁到三十六七岁之间，是爱因斯坦一生成就的最高峰时期。他后来因为躲避纳粹德国的迫害，于1933年去了美国，在普林斯顿高等研究院（也称普林斯顿高级研究院）工作，一直到逝世。
