在20世紀(jì)之初，科學(xué)界一位默默無聞的小人物，以創(chuàng)立相對論，突然間成為牛頓之后，世界上無與倫比的最偉大的理論物理學(xué)家，他就是阿爾伯特·愛因斯坦。
在愛因斯坦創(chuàng)立相對論之前，電磁學(xué)方面的實驗現(xiàn)象和新的理論與經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了一系列矛盾，物理學(xué)已經(jīng)發(fā)生了危機(jī)，正醞釀著革命。在上個世紀(jì)末，這種危機(jī)明顯尖銳。從麥克斯韋方程可以推算出光在真空中的速度約為每秒30萬公里，并且光速和光源本身的運(yùn)動無關(guān)。
經(jīng)典物理學(xué)告訴我們，任何物體的運(yùn)動速度都是相對于一定坐標(biāo)系的。一個坐在火車上的人，以火車作為坐標(biāo)系，人的速度是零；以地球作為坐標(biāo)系，人的速度就等于火車的運(yùn)行速度。為什么會有和坐標(biāo)系沒有關(guān)系的不變光速呢？麥克斯韋等人從經(jīng)典物理學(xué)觀點出發(fā)，用想象中的“以太”來解釋光波的傳播。“以太”的存在也被邁克耳孫和莫雷的實驗所否定。
荷蘭物理學(xué)家洛倫茲(1853—1928)想彌補(bǔ)新事物和經(jīng)典物理學(xué)之間的裂隙。1892年，他還是抱住“以太”這個概念不放，提出了物體相對于“以太”運(yùn)動的時候長度將縮短的假設(shè)，企圖用這樣一個假設(shè)來解釋邁克耳孫和莫雷的實驗結(jié)果。他還提出高速運(yùn)動的參考系和靜止參考系之間的時間、空間坐標(biāo)的變換形式，后來被稱做洛倫茲變換。洛倫茲把麥克斯韋電磁理論和關(guān)于物質(zhì)的粒子理論結(jié)合起來，在研究電磁運(yùn)動規(guī)律的電動力學(xué)方面作出了卓越貢獻(xiàn)。
愛因斯坦繼承了洛倫茲的成就，又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了洛倫茲。他認(rèn)為，他提出的相對論的實質(zhì)就是麥克斯韋和洛倫茲電動力學(xué)的有系統(tǒng)的發(fā)展，而又指向它本身范圍以外。
1879年3月14日，阿爾伯特·愛因斯坦出生于德國烏爾姆鎮(zhèn)的一個猶太人家里。在青少年時，他在慕尼黑受教育，讀過許多自然科學(xué)方面的書，科普讀物不但增進(jìn)了愛因斯坦的知識，而且撥動了年輕人好奇的心弦，引發(fā)他對問題的思考。愛因斯坦自幼喜歡音樂，并且是一名熟練的小提琴手。17歲時，愛因斯坦到瑞士進(jìn)入蘇黎世理工學(xué)院，1900年畢業(yè)并取得瑞士國籍。畢業(yè)后失業(yè)了一年半，在同學(xué)的幫助下，在瑞士專利局謀得一個工作。在專利局工作期間，愛因斯坦利用業(yè)余時間獨自進(jìn)行科學(xué)研究。1905年，他在物理學(xué)刊物上發(fā)表“分子尺度的新測定”論文，取得蘇黎世大學(xué)的哲學(xué)博士學(xué)位。接著發(fā)表了4篇重要論文，其中有一篇名為“論動體的電動力學(xué)”。這篇論文就是愛因斯坦的狹義相對論，它是愛因斯坦經(jīng)過10年醞釀和探索完成的。
愛因斯坦創(chuàng)立的相對論包含兩種學(xué)說，即1905年提出的狹義相對論和1915年提出的廣義相對論。
提起狹義相對論，人們馬上會想起鐘慢尺縮現(xiàn)象。有的科幻題材的作品，描寫一個人坐上光子火箭遨游太空，回來后發(fā)現(xiàn)自己還很年輕，而孫子已經(jīng)變成老頭。實際上，鐘慢尺縮現(xiàn)象只不過是狹義相對論的幾個結(jié)論之一，它是指高速運(yùn)動的時候，運(yùn)動物體上的時鐘變慢了，尺子變短了。狹義相對論有兩條基本原理，即相對性原理和光速不變原理。從上述兩條基本原理出發(fā)，所推出的時空變換恰好是洛侖茲變換。在洛侖茲變換下運(yùn)動尺子縮短，運(yùn)動時鐘變慢。鐘慢尺縮現(xiàn)象也就是時間和空間隨物質(zhì)運(yùn)動而變化的結(jié)果。狹義相對論還有一個質(zhì)量隨運(yùn)動速度而增加的結(jié)論。實驗中發(fā)現(xiàn)，高速運(yùn)動的電子質(zhì)量比靜止的電子質(zhì)量大，證實了這個結(jié)論。
狹義相對論最重要的結(jié)論是質(zhì)量守恒原理失去了獨立性，它和能量守恒原理融合在一起了，質(zhì)量和能量可以互相轉(zhuǎn)化。兩者的關(guān)系可以用公式E=MC²來描述，其中E代表能量，M代表質(zhì)量，C代表光速。這個公式只說明質(zhì)量是m的物體所蘊(yùn)藏的全部能量，并不等于都可以釋放出來，在核反應(yīng)中消失的質(zhì)量就按這個公式轉(zhuǎn)化成能量釋放出來。很小量的物質(zhì)即使只發(fā)生部分轉(zhuǎn)變也會釋放出巨大的能量。質(zhì)能轉(zhuǎn)化和守恒原理就是利用原子能的理論基礎(chǔ)。
狹義相對論從理論上似乎使人感到高深莫測，長期以來被人視為沒有實用價值的假說而擱置不論。自從1945年原子彈襲擊長崎、廣島以后，相對論方被人刮目相看。當(dāng)然，人們不能只根據(jù)E=MC²來制造原子彈和建立核電站。在原子彈出世的科學(xué)道路上，有許多原子物理學(xué)家做出了貢獻(xiàn)，但是，愛因斯坦在理論物理學(xué)上帶有指導(dǎo)性的貢獻(xiàn)卻是突出而巨大的。1939年，愛因斯坦致函羅斯福總統(tǒng)，指出制造原子武器的可能性，促進(jìn)了曼哈頓工程的建立，導(dǎo)致了第一顆原子彈的成功試爆。
在狹義相對論中，雖然出現(xiàn)了用牛頓力學(xué)觀點完全不能理解的結(jié)論：空間和時間隨物質(zhì)運(yùn)動而變化，質(zhì)量隨運(yùn)動而變化，質(zhì)量和能量的互相轉(zhuǎn)化。但是，狹義相對論并不是完全和牛頓力學(xué)割裂的，當(dāng)運(yùn)動速度遠(yuǎn)比光速低的時候，狹義相對論的結(jié)論和牛頓力學(xué)就沒有什么區(qū)別。幾十年來的歷史發(fā)展證明，狹義相對論大大推動了科學(xué)前進(jìn)，成為現(xiàn)代物理學(xué)的基本理論之一。
在狹義相對論發(fā)表以后，愛因斯坦又經(jīng)過10年的努力，在數(shù)學(xué)家的幫助下，運(yùn)用非歐幾里得幾何學(xué)，完成了廣義相對論。在廣義相對論中，時間和空間跟引力場有關(guān)，而引力場又是由物質(zhì)產(chǎn)生的。但引力效應(yīng)并不是通常所說的物理力，而是空間本身彎曲的結(jié)果。怎樣才能測出空間本身的曲度呢？空間彎曲究竟意味著什么呢？愛因斯坦不僅提出了這一學(xué)說，而且把這一學(xué)說用清晰的數(shù)學(xué)公式表達(dá)出來，他的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以做出一些具體的預(yù)見，使他的假說得到驗證。比如水星近日點的進(jìn)動、光譜線的引力紅移和引力場中光的彎曲。拿引力對光的作用來說，愛因斯坦預(yù)言了從遙遠(yuǎn)星體射向地球的光線經(jīng)過太陽附近，由于引力場變化，會發(fā)生1.75弧秒的彎曲。1919年5月29日日全食的時候，測得光經(jīng)過太陽附近的彎曲度是1.61～1.98弧秒之間。1960年在實驗室中驗證了廣義相對論預(yù)言的引力場對光的作用。
廣義相對論雖然在發(fā)表后的幾年里就得到一些觀測的驗證，曾經(jīng)轟動一時；但是在以后的幾十年中，由于很少得到新的觀測或者實驗的檢驗，同時也由于數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)過于艱深，一直很少有人問津。差不多在半個世紀(jì)里，廣義相對論受到了冷落，游離在物理學(xué)發(fā)展的主流之外。
20世紀(jì)60年代以后，情況發(fā)生了新的變化。廣義相對論重新煥發(fā)了青春。由于大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新天體，那里存在很強(qiáng)的引力場，廣義相對論正是進(jìn)行這方面研究的重要工具，它曾經(jīng)預(yù)言過有引力波。引力是從牛頓時代就為人們所熟悉的，而引力波就不同了。這跟人們很早就知道帶電體之間有作用力，但是不等于已經(jīng)認(rèn)識到電波的存在一樣。直到1978年，人們才從對一個脈沖雙星系進(jìn)行幾年觀測結(jié)果的分析中，找到了引力波存在的間接證據(jù)。
愛因斯坦還根據(jù)廣義相對論，提出了關(guān)于宇宙的有限無邊模型，推動了宇宙學(xué)的發(fā)展。愛因斯坦創(chuàng)立相對論，關(guān)鍵過程的完成是靠直覺的，是一種經(jīng)過長期醞釀、反復(fù)思考以后的豁然省悟。承認(rèn)科學(xué)創(chuàng)造中的直覺作用，承認(rèn)愛因斯坦非凡的思維洞察力，從這個意義上講，他是個天才的科學(xué)家，他的攀登之路并不是隨便什么人都能夠開創(chuàng)出來的。
愛因斯坦創(chuàng)立的相對論，是現(xiàn)代物理學(xué)領(lǐng)域的一場大革命，開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元。他的一生，在人類對宇宙認(rèn)識的貢獻(xiàn)上是無與匹敵的，被譽(yù)為人類歷史上的科學(xué)巨人。