第一章 照耀历史的业绩
第一章 照耀历史的业绩 (第1/3页)
引言
1955年4月18日1时25分，一颗伟大的心脏停止了跳动。阿尔伯 特·爱因斯坦与世长辞。
巨星陨落，全球悲恸。
电讯传遍世界：
“当代伟大的物理学家爱因斯坦逝世，终年76岁。”
山河为之动哀，天地为之震惊！
到处都是悼词：
“世界失去了最伟大的科学家。”
“人类失去了最伟大的儿子。”
到处都是颂词：
“爱因斯坦开创了物理学的新纪元。”
“爱因斯坦改变了人类对世界和宇宙的认识。”
众多的刊物，重登了法国物理学家郎之万在1931年对爱因斯坦的评 价：
“在我们这一时代的物理学史中，爱因斯坦将位于最前列。
他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他究竟是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构中。”
在当日下午爱因斯坦的遗体火化时，他的遗嘱执行人奥托·纳坦朗诵了歌德悼念席勒的诗句表达了对殒落巨星的崇敬和赞颂：
我们全都获益不浅，
全世界都感谢他的教诲；
那专属他个人的东西，
早已传遍广大人群。
他像行将陨灭的彗星，光华四射，
把无限的光芒同他的光芒永相连结。
爱因斯坦的骨灰撒入空中，和宇宙、天地、小河、人类融为一体。
人们深切地怀念着他。唁电和唁函，从世界各个角落飞往普林斯顿：来自学术团体，来自国家元首和政府首脑；来自著名科学家，也来自普通的人民群众。他享而无愧，因为他改变了人类对宇宙的认识，开拓了科学造福于人类的无限广阔的前景；他为争取光明，为人类的进步进行了不屈不挠的毕生斗争。
爱因斯坦在我们的全球上树立了一个伟大的形象。作为20世纪最伟大的物理学家和富于探索精神的哲学家、思想家，他被人们当做智慧、理性的象征。他为人类留下了很多，很多：
他作为物理学家和科学家，在诸多领域树立了科学的里程碑。他创立的相对论，震撼了经典物理学的大厦，像光彩夺目的火箭在物理学上空划出一道强烈的光泽，照亮了广阔的物理学未知领域。如果没有爱因斯坦，原子能发电站、宇宙飞船、今日的科学文明时代，或许还在探索之中。
他作为哲学家和思想家，在世界观、人生观、社会观、科学观、经济观、教育观、道德观、宗教观等诸多方面提出了精辟见解，留下了许多启迪人们的思想财富。他是一位不倦的伟大探索者。正如狄拉克所说：
“爱因斯坦的工作从根本上带有开创性的特征。他从意想不到的方向打开新的思路，他创造了奇迹。”
他作为社会的一个成员，人们把他称为和平和自由的伟大战士，而他自己渴望成为一个世界公民。他坦诚，极富正义感，对邪恶势力从不低头；他具有很强的人格力量。如波普尔所描述的，可以这样说：同他在一起感到很自在；不能不信任他，不能不无保留地信赖他的直率、他的和蔼、他的判断力、他的智慧和几乎是孩子般的天真。
毫无疑问，在20世纪科学家和思想家的画卷中，爱因斯坦为人类的物质文明和精神文明作出了伟大贡献；他的科学成果的深远意义和他的思想、人格的历史影响，至今仍无法估量；可以说，爱因斯坦，就是科学、智慧、公正、善良、真理的化身。他的品格与天地日月相争辉，他的科学和思想贡献，人类将万世景仰。他的伟大而光辉的形象永远铭刻在世人心中。
爱因斯坦走了，但他留下了不朽的足迹。请记住爱因斯坦这句话：“死去的我们将在我们共同创造的保留于我们身后的事物中得到不朽。”
1.升起的一颗科学巨星
踏上人生之路
法国著名小说家斯汤达尔在一本才气横溢的小说中，一开头就以法国人的自豪感写道：“1796年5月15日，波拿巴将军身先士卒，带领着他那支刚越过洛迪桥的年轻的军队进入米兰，使全世界知道，在相隔许多世纪以后，凯撒和亚历山大后继有人。”在整整一个世纪之后，一位年轻的异国人又来到这座意大利的名城米兰，不久又使全世界知道，在相隔许多世纪之后，物理学的巨人伽利略和牛顿又后继有人。世人除非有非凡的洞察力，否则难以看出这位刚越过阿尔卑斯山从德国慕尼黑来的15岁少年，是知识领域中未来的征服者，是一颗将以其明亮的光辉照耀整个物理学的科学巨星。他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）。
爱因斯坦1879年3月14日生于德国慕尼黑附近一个著名的小城镇乌尔姆，他的父亲在那里拥有一家电气工厂。双亲都是犹太人。出生一年后，父亲的工厂倒闭了，只好举家迁到慕尼黑。靠着阔亲戚的帮助，他的父亲又重新办起了工厂。在这座德国南方的第一大城市，历史悠久、守旧的大都会，爱因斯坦全家度过了充满苦涩和艰难的14年。
童年时代的爱因斯坦似乎是个迟钝的孩子，学会说话比一般孩子晚得多。他独来独往，时常故意躲开小伙伴，即使同亲人在一起，他也只是一个沉默的听众。谁要是破坏了他独处的心境，一向沉静的他会突然爆发出激烈的情绪。他喜爱一个人默默地做那些需要耐心和坚韧的游戏，比如用薄薄的纸片搭房子，不成功绝不罢休。他少言寡语，可他那双明亮的棕色大眼睛却又分明闪烁着聪明智慧的光辉。好像他从小就习惯于用一种沉默的独立思维去面对周围的世界。
在小学里，爱因斯坦除了空想的天才，并没有表现出什么特殊的才能。他念的中学是慕尼黑一所声名昭著的古典式预科学校，学校里那种呆板机械的教学方式完全不合他的口味。古典教育变成了死记硬背拉丁语和希腊语语法，而历史变成了枯燥乏味的大事记。教师们仿效军官的样子，而学生看起来像士兵。爱因斯坦后来在回忆这段生活时说：“对我来说，小学老师好像是士官，而中学老师好像是尉官。”学校教条式的教育抑制了他的才能。那些死记硬背的功课，全都引不起他的兴趣。他的成绩不好，老师们责备他“不守纪律，心不在焉，想入非非”。一个教师说：“爱因斯坦，你永远不会有什么出息。”而另一位教师干脆建议爱因斯坦离开学校，因为他出现在教室里有损于学生的尊严。有一次，爱因斯坦的父亲到学校去，问训导主任自己的儿子将来应该从事什么职业。这位主任直截了当地回答：“做什么都没有关系。你的儿子将是一事无成的。”
爱因斯坦早就不满这种专横、强制的教育了，他独立的个性促使他很早就开始了自己的知识探索。
爱因斯坦四五岁的时候，有一天父亲拿来一个小罗盘给他玩。他将罗盘拿在手中，不管怎样转，那根细细的红色磁针一直指着北边。他惊讶了，感到从未有过的惊奇。他想，一定有什么东西深深地隐藏在这件奇异的事物的后面。这给爱因斯坦幼小的心灵留下了一个极深刻而持久的印象，唤起了他强烈的探索自然奥秘的好奇心。
爱因斯坦进中学以后，有一天他的叔叔雅各布工程师给他谈起了数学：“阿尔伯特，代数可是一门有趣的科学！就像打猎一样有趣。那头藏在树林里的野兽，你把它叫做X，然后一步一步逼近它，直到把它逮住！”“几何嘛，那更有趣了。你看……”雅各布叔叔在纸上画了一个直角三角形，并写了一个公式，对他说：“这就是大名鼎鼎的毕达哥拉斯定理。你会证明吗？”爱因斯坦被迷住了，一连三个星期，他双手支着脑袋，坐在自己的小书桌旁苦苦思索。最后，居然被他证明出来了。他第一次体验到了发现真理的快乐。
在这以后，一位爱因斯坦家里的常客，来自俄国的大学生塔尔梅，送给爱因斯坦一本《圣明几何学小书》。爱因斯坦心醉神迷，竟一口气读完了。欧几里得几何的清晰优美，数学证明的明晰性和毋庸置疑的可靠性，给他造成了一种难以形容的印象。
数学使爱因斯坦经历了另一种性质完全不同的惊奇，他对人的思维有能力了解自然感到叹服。这个12岁的孩子在不可思议的感受中迷上了数学，并使他踏上了独立研究和思索的道路。
从12岁到16岁，爱因斯坦通过自学熟悉了基础数学和微积分，阅读了布赫纳的《力和物质》和伯恩斯坦的大部头的《自然科学通俗读本》等科学著作。从这些卓越的通俗读物中，他了解了整个自然科学领域里的主要成果和方法。蓬勃发展的自然科学为少年的爱因斯坦展现出自然界的神奇和和谐。当爱因斯坦的中学同学们还在墨守成规地死死啃着教条的知识和为初等数学绞尽脑汁时，他却早已在高等数学的海洋里遨游，并已奠定了充实的自然科学知识基础了。
1894年6月，面临破产的爱因斯坦的父亲接受了一位意大利人的建议，将家和工厂搬到了意大利的米兰。几个月之后，早已对德国死板的教条式教育深恶痛绝的爱因斯坦，毅然退学，启程来到了米兰，与家人团聚。到意大利的最初几个月，他享受到了完全的自由，兴致勃勃地独自徒步漫游了意大利北部，尽情领略异乡美丽的风光。他应该安排好自己的命运了。他虽然退了学，但他并没有丧失对科学的热爱。他的志愿已定：数学和理论物理吸引了他。他决定通过正式途径继续他的科学事业。于是，他向有名的瑞士联邦工业大学提出入学申请。由于他半途退学，没有拿到中学毕业文凭，必须要接受该大学的入学考试。1895年秋天，通过母亲的关系，他获准参加联邦工业大学的入学考试，结果没有考上。原来他没有好好复习功课，德文、法文、动物学、植物学这些需要背诵记忆的功课都考得不好。幸好，他的数学和物理成绩十分出色，赢得了教授们的称赞。校长建议他到瑞士的一所州立阿劳中学再读一年，以补上除数学和物理以外的几乎其他全部学科。1896年秋天，爱因斯坦顺利地在阿劳中学拿到了毕业证书。10月29日，他被免试录取到联邦工业大学的教育系。其实，这个教育系实际应称为物理数学系，因它是专门培养物理和数学教师的。
从1896年10月到1900年8月，爱因斯坦在联邦工业大学度过了4年大学生活。在大学，他选修了数学、物理以及哲学、历史、经济和文学方面的一些专门课程，但却很少去听物理和数学的主要讲课。杰出电工学家韦伯所讲授的物理课的内容他早已熟悉，他宁可自己直接去攻读物理学大师麦克斯韦、基尔霍夫、波尔茨曼和赫兹的著作。数学是由胡尔维茨、闵可夫斯基这样一些杰出的研究者讲授的，同样未能引起他的兴趣。原因是他已逐渐改变了对数学的看法。他觉得数学分支太多、太细，每一个分支都能吮吸掉一个人的全部时间和精力。他担心他永远也不会有眼光去判定哪一个分支是最基础的。那时他会处于布里丹驴子的境地：因为无法决定吃面前的哪一捆干草而饿死。然而物理学不同，尽管物理学也分为若干领域，其中每一个领域也都能吞噬掉一个人短暂的一生，可是在这个领域里，他认为他很快就学会了识别出那种能导致深邃知识的东西，而把其他许多东西撇开不管，把许多充塞脑袋，并使它偏离主要目标的东西撇开不管。在学生时代，爱因斯坦还不清楚，在物理学中，通向更深入的基本知识的道路是同最精密的数学方法联系着的。
在大学里，爱因斯坦很快发现，要做一名优秀的学生，必须要集中精力学好所有的课程，必须要遵守秩序，循规蹈矩有条有理地记好笔记，并且自觉地做好作业。而他自感到，这些特性正是他最为欠缺的，他不愿意为此多花精力，他要把他的时间集中用到学习那些适合于他的求知欲和兴趣的东西上。他于是抱着某种负疚的心情，满足于做一个中等成绩的学生。他“刷掉了”很多课程，而以极大的热忱在家里向理论物理学的大师们学习。因此他除了数学和物理学之外，其他成绩平平。好在，按瑞士的教育制度大学只有两次考试。更为幸运的是，爱因斯坦有位最要好的同学马塞尔·格罗斯曼，他正好具备爱因斯坦所欠缺的那些品质，并且慷慨地同这位桀骜不驯的同伴分享他那细微而条理分明的笔记。所以爱因斯坦能够坦然地按照自己的路子走下去，并且从格罗斯曼的笔记里适当地往脑子里填塞一些东西而顺利地通过考试。
1900年爱因斯坦从联邦工业大学毕业以后，几乎有两年时间，就像他早年作为一个“差生”的历史所预计的那样，没有什么成就。他申请当助教，但助教的位置给了别人。在这段时期里，他在知识分子的圈子里找些临时工作以维持生计。瑞士一所中学里有位教师服两个月的兵役，他就补缺去代课。他也曾在一所私立的寄宿学校当补习老师，还曾替苏黎世联邦观象台做过一些计算工作，而一直未能立即投身到物理学的研究中去。
最后，到1902年春，爱因斯坦的好朋友，留校当了助教的“无可挑剔的学生”格罗斯曼帮了他的忙。格罗斯曼的父亲把爱因斯坦推荐给瑞士伯尔尼专利局局长，经过一番严格的考试，他被任命为专利局三等技术员，干起了专利审查员的工作。这使他解除了经济上的困难，也提高了他的工作兴趣，并时时激发他的科学想象力。除了8小时的工作，他有充分的空余时间来思索宇宙之谜了。
在伯尔尼专利局的7年业余时间里，这位年轻的专利审查员创造了举世瞩目的科学奇迹。他简直把20世纪中理论物理发展的主要方向都勾划出来了，开创了物理学的一个新时代。
物理学上空的乌云
爱因斯坦真是生逢其时！在联邦工业大学学习和进入伯尔尼专利局工作的那些年，他跨越着一个动荡的激动人心的世纪之交，而这也正是他思想活跃、青春勃发的年代。物理学历史的发展正经历着一个令人困惑、危机四伏，并预示着一场伟大的革命即将到来的时期。当历史的需要呼唤一位伟人出现时，他正以矫健的步伐走向历史舞台了。
历史的车轮进入19世纪下半叶，由牛顿奠基，并经过数代物理学家的艰苦努力，一座庄严雄伟、美丽壮观而又动人心弦的经典物理学的殿堂骄傲地耸立起来了。大至恒星和星系，小至分子和原子，遍及声、热、光、电磁，物理学似乎都已给出了完满的解释。正如美国著名物理学家迈克尔逊在1894年所说：“虽然任何时候也不能担保，物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹，但是似乎十分可能，绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了，下一步的发展看来主要在于把这些原理认真地应用到我们所注意的种种现象中去。”在19世纪70年代，当普朗克进入慕尼黑大学向自己的老师约里表示，决心献身于理论物理学时，约里回答说：“年轻人，你为什么要断送自己的前途呢？要知道，理论物理学已经终结。微分方程已经确立，它们的解法已经制定，可供计算的只是个别的局部情况。可是，把自己的一生献给这一事业，值得吗？”面对着经典物理学的完美的大厦，几乎所有的物理学家都心满意足了，他们思考着往后的研究怎样去追求更高的精确性和在小数点后更多的位数去寻找物理学的真理。
正当物理学家们还沉浸在沾沾自喜之中的时候，新的发现和新的实验事实就开始接二连三地冲击经典物理学的大厦了。
1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了惊人贯穿能力的X射线；1896年法国物理学家贝克勒耳发现了铀元素具有放射性；1897年英国的汤姆孙和荷兰的塞曼通过测定阴极射线的荷质比确证了电子的存在；1898年居里夫妇又发现了放射性极强的新元素钋和镭；1902年卢瑟福和索迪根据对放射性进行的实验研究提出了元素嬗变理论……新的物理事实展示了物质结构隐藏着更深层的秘密。与此同时，黑体辐射、光电现象、原子光谱等一系列实验事实与经典物理学的理论产生了尖锐的对立。
在历史跨入新世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老开耳芬勋爵于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的讲演，并以这次讲演为基础撰写了题为“悬浮在热和光动力理论上空的19世纪的乌云”的文章，刊登于1901年7月出版的《哲学杂志》和《科学杂志》合刊上。文章一开头，开耳芬写道：“动力学理论断言热和光是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论。它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动的呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说。”
19世纪末的物理学界根深蒂固地确立了一种思想，认为有一种到处存在的、能穿透一切的介质，它充满所有物质的内部和它们之间的空间，惠更斯把这种介质称为宇宙以太。以太是传播光波的基础。由于遥远的星光可以传播到地球，所以以太应当充满整个宇宙。因为光是横波，所以作为传播光的介质，以太应具有固体的性质；同时由于光速非常大，所以不得不认为以太的弹性系数极大，它应当是绝对刚性的。而另一方面，宇宙天体包括地球和太阳等在运动过程中似乎又并没有受到以太的阻力，因此又必须假定它的密度几乎为零，或者如开耳芬勋爵所假定的那样以太有着类似胶状物质的性质，但这样就会同以太具有绝对刚性的假定发生矛盾。如果以太不阻碍物质的运动，说明以太和物质粒子之间没有任何相互作用，可是当光穿过玻璃或水时速度又变了，这又得假定以太同物质之间有着相互作用。此外，还得要求以太具有绝对透明的性质……总之，以太到底是什么东西，它有什么性质？这本身就充满着混乱和矛盾。
关于“第二朵乌云”，开耳芬在文章中简单回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该理论所遇到的困难，特别指出了一些理论计算值与实际观测值之间的偏离。他说：“事实上，玻耳兹曼—麦克斯韦学说的偏差比我们列举的还要大。”并断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼—麦克斯韦学说。”
经典物理学遭遇到了一场深重的危机，而危机正是科学革命的前夜。尽管开耳芬勋爵只提到了两朵乌云，实际上19世纪物理学的上空几乎已是乌云密布了。然而这位在物理学史上素以保守著称的英国爵士，似乎以超人的洞察力揭示的两个难题，竟与此后物理学上两个伟大的理论革命有着密切的联系。
大放光彩的一年
1905年作为物理学史上光辉灿烂的一年，永久载入了科学史册。在这一年，爱因斯坦完成了6篇使科学领域发生巨变的划时代论文，其中3篇发表在德国莱比锡出版的《物理学杂志》的同一卷上。1905年的第一篇论文，他是在26岁生日（3月14日）之后的第3天完成的。它证明光是由不连续的微小颗粒或者叫做光量子的微粒所组成的。今天，量子原理几乎影响了所有的物理学分支，它阐明了自然界中连续体所具有的基本的微粒状态。在3篇论文中，爱因斯坦提出了一种测量分子大小的新方法，并证实布朗运动显示原子是存在的，大大推动了原子理论和统计力学的发展。而其余两篇论文，爱因斯坦创立了狭义相对论，引起了物理学思想和观念的革命，开创了物理学的新纪元。他几乎同时在相对论、光量子理论和分子运动论这三个不同领域里齐头并进，并取得具有重大意义的成果。自从23岁的伊萨克·牛顿在1665年到1666年由于鼠疫流行而避居乡间期间，发明微积分并发展了引力理论以后，科学界一直没有取得过如此丰硕的创造性成果。
1905年快过去100年了，我们即将跨越一个新的世纪之交。我们回首这要过去的一个世纪，物理学取得了惊人的进展，这些进展是与一个伟大的名字爱因斯坦分不开的。1949年获得诺贝尔奖的法国物理学家戴布劳格利说过一段话：“20世纪上半叶取得了物理学上最惊人的突破，这成为科学史上辉煌的一章。就在这短短的几十年中，物理学中耸立起两座丰碑，它们在今后几个世纪中将一直巍然屹立着，这就是相对论和量子理论。相对论是阿尔伯特·爱因斯坦富有创造力的思想的成果。量子理论的首块基石由普朗克奠定，但量子理论中的最重要的进展也应归功于爱因斯坦。”而爱因斯坦在这两个伟大理论中的贡献，正是发端于他在1905年所写的论文。
在1905年短短的几个月中，爱因斯坦创造了如此丰富的科学研究成果，确实是科学史上的奇迹。更令人钦佩的是，所有这些贡献竟是一个在学术机构大门以外默默无闻工作于伯尔尼专利局的年轻小职员做的。他在完成本职工作的前提下，完全靠利用业余时间自己摸索，没有任何的学术联系，甚至和这一行的前辈也基本上没有接触，更没有名师指导。若干年以后，他在与自己的学生利奥波特·英费尔德谈起自己的科学经历时说，一直到30岁左右，他还从来没有见到过一位真正的理论物理学家。英费尔德曾风趣地补充说：“除非是在镜子里。”然而爱因斯坦成功了。这需要多么大的毅力！他付出了多么大的代价！正如爱因斯坦自己在1933年所写的那样：“一旦这种想法的正确性得到了承认，最后成果就水到渠成了。任何聪明的大学生理解这些成果都不会有什么困难。但是，在一个人茅塞顿开、恍然大悟之前，在黑暗中探索他能感受到但又表达不出的真理的那些年代里，那种强烈的求知**，那种时而有信心时而又产生疑虑的心理变化，只有亲身经历的人才能知道是什么滋味。”
2.科学道路上的新起步
分子存在吗
爱因斯坦最初发表的几篇论文，都是关于分子运动论和热力学方面的。1902年的《热平衡的运动和热力学第二定律》和1903年的《热力学基础理论》两篇论文，他是在不知道玻尔兹曼和吉布斯已经发表而且事实上已经把问题彻底解决了的早期研究工作的情况下，独立地搞出了统计力学这门学科。他还以玻尔兹曼和吉布斯都做不到的方式认真地对待这门学科，把它作为最终证明物质的原子本性的理论基础。他研究统计理论有一个明确的目的，就是要用来测定分子的实际大小，并尽可能地确证有确定的大小的原子的存在，以解决当时科学思想战线上争论最激烈的问题：原子和分子究竟是否存在？
1827年的一天，英国植物学家布朗坐在显微镜前，观察撒在水里的花粉。他注意到，飘浮在水中的植物花粉一刻也不静止，而是像跳一种
“塔兰台拉”舞那样无规则地跳来跳去，仿佛被某种看不见的力量踢来踢去似的。他当即在实验报告中记下了这个奇怪的现象，他无法进行解释，所以一直没有发表。布朗去世后，人们才在他的文件堆里找到这份躺了近40年的实验报告。后来，人们以发现者的名字把这种微粒的无规则行为称作布朗运动。
在这之后好多年，科学家一直都不能解释微粒的这种极度紧张的行为。无数学者为解释这种现象的奥秘，作了种种徒劳的努力。到了19世纪80年代，法国物理学家古伊提出了一种看法。他认为，花粉粒子或其他物质的粒子是受到周围分子的撞击而作这种不规则的布朗运动的。看不见的分子运动引起了看得见的花粉运动。
一些人反对这种解释，因为他们根本否定分子和原子的存在。他们问：“存在原子吗？存在分子吗？多大？什么样子的？”何况古伊的解释在当时不仅缺少数学基础，而且没有任何的实验证明。
爱因斯坦相信世界是物质的，相信原子和由原子组成的分子是存在的。但是，怎样才能用最有力的证据证明原子和分子的存在呢？在他从联邦工业大学毕业以后那些失业的日子里，他就开始思索这一问题了。以前在工业大学的物理实验室里，爱因斯坦也曾经在显微镜下观察过布朗运动。已经过了多年，但是那种奇妙的现象：粒子不规则的、永不止息的运动，仿佛仍在眼前。怎样解释这种神奇的现象呢？他对热力学规律与分子力学的不可分割性有强烈的印象，在他的心目中，热力学并不否定粒子的运动，而且热力学是间接地运用和确证物质的原子和分子运动规律的广阔领域。他想，按照原子论，一定会有一种可以观察到的悬浮微粒的运动，这就是布朗运动。他进一步分析，如果分子运动论原则上是正确的，这一点他毫不怀疑，那末，那些可以看得见的粒子的悬浮液就一定也像分子溶液一样，具有能满足气体定律的渗透压。按照热力学的气体动力学理论，这种渗透压与分子的实际数量有关，亦即同一克当量中的分子个数有关。如果悬浮液的密度并不均匀，那末这种渗透压也会因此而在空间各处有所不同，从而引起一种趋向均匀的扩散运动，而这种扩散运动可以从已知的粒子迁移率计算出来。另一方面，这种扩散过程也可以看作是悬浮粒子因热骚动而引起的、原来不知其大小的无规则位移的结果。通过把这两种考虑所得出的扩散通量的数值等同起来，他想，就一定可以得到这种位移的统计定律即布朗运动定律。于是，他用自己独立发展的将统计和力学结合起来的新的统计力学的方法，深入研究悬浮粒子在流体中的运动，分析原子和分子的运动及其与热之间的关系，计算出布朗运动的规律，得到了关于布朗运动的精确的数学理论。1905年4月和5月，他把这一研究成果写成两篇论文：《分子大小的新测定法》和《热的分子运动论所要求的静液中悬浮粒子的运动》。其中，前一篇论文是他向苏黎世大学申请博士学位的论文，当年以单行本在伯尔尼出版，后一篇论文则在当年莱比锡的《物理学杂志》上发表。在这两篇论文中，爱因斯坦从理论上科学地阐明了布朗运动产生的原因，并从悬浮粒子位移的平均值推算出单位体积中流体的分子数目，提出了一种通过观察布朗运动测定分子实际大小的新方法。爱因斯坦在第二篇论文的最后，向实验物理学家呼吁，希望他们能用实验证实他的这一理论。
法国物理学家佩兰作出了响应。3年后，他用极精细的实验证实了爱因斯坦的理论，计算了分子的大小。由于这项工作，佩兰荣获了1926年的诺贝尔奖。
这一铁的事实，迫使最顽固的原子论反对者奥斯特瓦尔德和马赫也不得不服输，声称“改信原子学说”了。一时甚嚣尘上的反原子论终于宣告彻底破产，爱因斯坦成功了。
辐射之谜
爱因斯坦对于布朗运动的理论研究，成功地继承了过去分子物理学的工作，并使它获得完满结果。他在光学理论方面的研究成果是同已经作出的发现分不开的。不过，他的这一研究，一开始就具有革命性。它意味着科学史上的一次飞跃：量子物理学的大门打开了。
19世纪末的西欧各国，由于城市和企业人工照明的发展，以及测量高温炉膛温度等的生产需要，人们对热辐射的物理现象进行了大量的研究。在实验中，科学家们发现，热辐射的辐射能及其按波长的分布是随温度变化的。为了从理论上解释这一实验事实，人们进而研究黑体辐射问题。物体不仅能发出热辐射，也能吸收热辐射；白色物体吸收热辐射的本领最弱，黑色物体吸收热辐射的本领最强。吸收热辐射本领最强的物体同时也是发射热辐射本领最强的物体。人们把百分之百地吸收热辐射的物体称为绝对黑体或理想黑体，简称黑体。在相同温度下黑体与其他任何物体相比，能够发出最强的热辐射。人们发现，黑体有一个重要特性，即不论它是由什么材料组成的，也不管它是什么形状，在相同温度下都能发出同样形式的光谱，也就是说光谱分布只与温度有关。因此，黑体是研究热辐射规律的理想辐射体。实验表明，黑体辐射能量按波长的分布曲线存在峰值，而与这种峰值能量相应的波长随着温度的增加而向短波移动。在实验室的温度下，黑体的这种峰值能量辐射在光谱上先是发出红光，然后随着温度的增加而变为桔红、黄、白，最后变为蓝光。就是说，温度越高，光谱中峰值辐射频率就越高。
起初，对于黑体辐射的辐射能量与绝对温度及辐射波长的关系，物理学家们都力图用经典物理的理论来解释。1896年，德国物理学家维恩，根据热力学的普遍原理和实验数据给出的公式：
在短波区域内与实验符合得很好，但在长波区域所给出的结果则低于相应的实验曲线。英国物理学家瑞利1900年在谈到维恩公式时说，这个公式从理论上看“似乎只不过是猜测”，而从实验方面来看，“好像也相当难以接受”。他想在更可靠的基础上导出分布式。瑞利证明，如果能量均分定理能够用于以太振动模型，那末黑体辐射分布就肯定与维恩公式不同。他运用统计力学、热力学和经典的电磁理论，推导出一个辐射公式，后经物理学和天文学家金斯修正，被称为瑞利—金斯公式：
它适合于波长较长的低频部分，但在波长较短的高频部分，它不仅与实验结果相矛盾，而且按照他们由这一公式推出的积分辐射公式，甚至得出在短波区域内，黑体辐射的分布曲线随着波长的减短而极快地单调上升，以至总的能量趋向于无穷大的荒唐结论。这个失败被称为“紫外灾难”。
从表面看来，维恩、瑞利和金斯的公式说明不了新的实验结果，似乎是他们给出的公式有错误。但是科学史表明，他们应用经典物理理论得出的公式，其推导过程是极其严谨、周密和合乎逻辑的。很显然，问题的实质是理论本身的缺陷，因而使许多物理学家在应用经典物理的理论去解释黑体辐射的能量分布时，便感到束手无策而陷入了窘境。
德国物理学家普朗克长期从事热力学的研究。1899年，他从热力学推导出维恩公式。但当他得知维恩公式在长波区与实验结果有很大偏离，而1900年瑞利提出的公式仅在长波部分与实验结果相符，在短波部分却又失效时，便立即尝试用内插片去建立新的辐射公式，使其在长波区和短波区分别同瑞利公式和维恩公式相一致。当时他得到的新公式被称为普朗克公式：
1900年10月19日普朗克在德国物理学会上公布了自己的公式。德国的物理学家鲁本斯当晚就把普朗克公式同自己的实验数据作了比较，发现两者完全符合，第二天就把这个比较结果告诉了普朗克。普朗克听到这个消息很受鼓舞，认为自己的公式同实验结果符合得如此之好绝非偶然，“如果可以把它仅仅看作是一个侥幸揣测出的内插公式，那么它的价值也只是有限的。由于这个缘故，从它于10月19日被提出之日起，我即致力于找出这个等式的真正物理意义”。为了揭开这个谜，普朗克进行了艰巨而深入的研究工作。以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为基础的经典物理学的所有方法，他都试过了，都失败了。经过56天的紧张探索，他终于发现，这个关系式之所以不能从经典物理的理论推导出来，根本原因是经典物理关于能量均分的原理建立在电磁辐射能量连续的观念上，只要作一个简单的假设，一切问题就会迎刃而解。于是他果敢地放弃了经典物理的概念，而提出了一个截然不同的新概念，并以此为基础构筑了一个新的科学假说。
在这之后的一个深秋的夜晚，普朗克教授像往常一样在别墅附近的树林里散步，他向陪着他散步的儿子说：“今天，我作出了一个假设，它和牛顿的发现一样重要。”教授说完这句话，两手一摆，显得非常遗憾。他的声音有点激动，这是很少有的。教授激动，倒不是因为研究有了进展，而是因为这个假设事关重大：它和现有的全部物理学观念格格不入。而且他受过严格的经典物理学的训练，他太爱牛顿，太爱经典物理理论了。
1900年12月14日，普朗克在柏林的物理学例会上，发表了题为《正常谱中的能量分布法则的理论》的论文，报告了自己的研究成果。普朗克在假说中设想，物质中具有振动着的带电粒子，称线性谐振子。由于谐振子带电，所以能与周围的电场交换能量。他提出，谐振子在交换能量的过程中，它吸收或发射的能量不是连续的，而只能是一份一份地进行。这一份一份的能量是一个最小能量单元的整数倍。这个最小的、不可再分的能量单元称为能量子，它的数值为用量子，后来叫做普朗克常数，它是微观世界的基本标志。根据这个假定，普朗克胜利地从理论上推出了普朗克公式。
由于普朗克对他的经验公式所作的推导和论证，其立论根据与经典物理相违背，所以当他宣布这一发现时，大多数科学家投之以冷淡的一笑。普朗克当时似乎也并不了解自己新发现的深远意义，用他后来的话说，这不过是“孤注一掷的行动”，“实际上并没有对它想得太多”。令人深思的是，他的假设是大胆的，但他的基本思想又偏于保守，他并没有把他的新概念、新理论坚持下去，在往后整整14年里，几度观望徘徊，多次力图削足适履，重新把他的新理论纳入经典的范围，只是最后才不得不坚信量子假说的正确性。
虽然普朗克在量子理论问题上有过徘徊甚至倒退，然而量子概念的革命意义是巨大的，它标志着一个伟大的时代——量子物理学的时代的到来。普朗克的历史功绩是不朽的。
光的微粒说与波动说之争
在普朗克提出量子假设之后，有四年多的时间，似乎并未引起人们的兴趣。然而在伯尔尼的瑞士专利局工作的年轻职员爱因斯坦，一看到普朗克的论文，就敏锐地看到了量子概念所隐含的普遍意义。1905年3月，正当普朗克犹豫彷徨之际，爱因斯坦就写了一篇题为《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》的论文。在这篇论文中，他把普朗克针对谐振子能量所作的量子假设大胆地引进光辐射的研究中去。爱因斯坦在思想方法上没有任何保守性，他很少顾及权威和因袭的教条，因而进一步发展了普朗克的思想，迈出了勇敢的一步。他认识到，正确运用普朗克的假说，光的理论便会焕然一新。
在光的理论方面，从17世纪以来就交织着牛顿的微粒说和惠更斯的波动说之间的斗争。牛顿在其第一部完整的光学著作《光学》中提出，光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流。他用光的微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于牛顿的微粒说简单，又能通俗地解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。然而光的微粒说在解释某些光学现象时也遇到了困难。比如，它
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