↑圖(左)1921年，正在演講的愛因斯坦。圖(右)1893年，14歲的愛因斯坦。

愛因斯坦的生平

1879年3月14日，愛因斯坦出生在德意志帝國符騰堡王國烏爾姆市的一個猶太家庭，父親是一名商人、同時也是電機工程師，母親是音樂家。

愛因斯坦五歲到八歲期間，在天主教辦的小學讀書，中學教育在慕尼黑完成。現在發現的記錄讓我們知道，愛因斯坦的小學及中學學業都非常優秀。他思維敏捷、聰明，有時甚至十分叛逆，語言方面不是十分出色，但自然科學的表現卻很優異。

1896年，愛因斯坦進入蘇黎世聯邦理工學院師範系學習物理學，1900年畢業。1901年，他受瑞士專利局錄用為技術員，從事發明專利申請的技術鑑定工作。在專利局的工作很輕鬆，他便利用業餘時間從事科學研究，並於1905年在三個不同領域取得歷史性的成就，特別是提出狹義相對論和光量子論，帶來物理學理論的革命。翌年1月15日，愛因斯坦取得蘇黎世大學的博士學位。

1915年，愛因斯坦發表廣義相對論。他提出光線經過太陽引力場會彎曲的言論，於1919年經英國天文學家亞瑟‧愛丁頓的日全蝕觀測，結果獲得證實。「愛因斯坦」和「相對論」，在西方從此成為家喻戶曉的名詞。

1933年1月，納粹取得德國政權並鼓吹反猶太主義，愛因斯坦成為科學界的首要迫害對象，當時正在美國訪問的愛因斯坦，遂於同年10月接受創建不久的普林斯頓高等研究院邀請，擔任常駐教授，直至1945年退休。

二次世界大戰之後，猶太人建立以色列國，1952年第一任總統過世，以色列總理邀請愛因斯坦出任以色列總統一職，他對如此榮譽的邀請十分感動，卻還是婉拒了，理由是──因為多年從事科學研究，並不善於處理人際關係。

愛因斯坦於1955年過世，享年七十六歲。後人遵照他的遺囑，沒有舉行任何喪禮，也不建墳墓、不立紀念碑，骨灰撒在永遠保密的地方，目的是不使埋葬他的地方成為聖地。愛因斯坦後半生一直從事尋找「統一場論」的工作，可惜並未成功。

提出相對論

愛因斯坦在1905年發表六篇劃時代的論文，這一年也被稱為「愛因斯坦奇蹟年」，一百年後的2005年被定為「世界物理年」。以下列出的兩篇論文，就是今天為人熟知的狹義相對論。

1.1905年6月30日，德國《物理年鑑》發表〈論動體的電動力學〉，首次提出狹義相對論基本原理，論文中提出兩個基本公理：「光速不變」以及「相對性原理」。
2.1905年9月27日，德國《物理年鑑》刊出〈物體的慣性同它所含的能量有關嗎？〉，認為「物體的質量可以度量其能量」，隨後導出E=mc2公式。

從這個理論發展出一些結果：
1.相對於在靜止狀態的時鐘，運動中的時鐘會變慢。
2.相對於在靜止狀態的觀測者，運動中的物件會變短。
3.質量和能量可以互相轉變，這個質能轉換的公式E=mc2。
4.真空中，光運行的速度是一切運動速度的極限。

狹義相對論提出前，從日常生活經驗，人們認為時間和空間都是各自獨立，並且絕對存在。自伽利略時代以來，這種絕對時空的觀念就開始建立，牛頓提出的牛頓經典力學和經典運動學，就是在絕對的時空觀基礎上成立。而愛因斯坦的相對論在牛頓經典力學、馬克士威經典電磁學的基礎上，首次提出「四維時空」的概念，認為時間和空間都不是絕對的，絕對的是它們的整體──時空。愛因斯坦提出狹義相對論的時候只有二十六歲。

↑愛因斯坦的廣義相對論預測，地球周圍的時間和空間被地球的自轉扭曲。美國太空總署(NASA)在2004年4月20日發射的科學探測衛星──重力探測器B(Gravity Probe B)證實了這個推測。

我們都知道這個小故事：牛頓在蘋果樹下看書，一顆蘋果掉下來打在他的頭上，讓他領悟萬有引力（或稱萬有重力）的原理。愛因斯坦的狹義相對論應用了牛頓的經典力學和經典運動學、經典電磁學，接下來愛因斯坦花了十年時間，思考如何把相對論應用到重力場。1915年愛因斯坦發表廣義相對論，廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，並在此基礎上應用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）；這種時空曲率與處於時空中的物質與輻射的能量──動量、張量直接相聯繫，其聯繫方式即是愛因斯坦的引力場方程式，從這個理論發展出一些結果：
1.在重力場的影響下，時間會變慢。
2.光線在重力場的影響下會彎曲。
3.旋轉的質量會影響它附近的時間空間。
4.愛因斯坦的引力場方程式。

愛因斯坦的廣義相對論在天體物理學中有非常重要的應用。愛因斯坦引力場方程式描述處於時空中的物質如何影響其周圍的時空幾何，並成為愛因斯坦的廣義相對論核心。

愛因斯坦的引力場方程式是一個二階非線性偏微分方程組。這個方程式或簡稱「愛因斯坦場方程式」：

相對論在生活上的驗證

在愛因斯坦發表相對論之前，科學家相信物質不變定律，但是相對論告訴我們，質量和能量可以互相轉換，質量轉換成能量是十分巨大的，這樣轉換的能量等於質量乘以光速的平方：E=mc2。

二次世界大戰期間，美國開始研究和製造原子彈。1945年，第一顆原子彈在美國新墨西哥州的沙漠試爆成功，證實從質量轉換成能量可以釋放巨大的能量。今天的核能發電，以及其他的核能應用，已經成為我們日常生活的一部分。

接著就是相對論中關於時間膨脹的問題。時間變快或變慢在我們日常生活中實在無法體驗。狹義相對論告訴我們，當物體運動時，不論運動的方向，從靜止的觀察者的時鐘去測量，運動中的時鐘會變慢，在光速運動的物體，像是光子，在時間軸上是靜止的，運動速度低於光速的物體，它的時間轉換是根據洛倫茲轉換公式：
T = T0 / (1–(v/c) 2)0.5

在這個公式裡，v是運動物體的速度，c是光速，光速是每秒鐘30萬公里。現在波音777客機每小時飛行900公里，每秒鐘是2.5公里，把這個速度放進洛倫茲轉換公式，這個時間的改變因為太小，而無法察覺。

但是在今天的生活裡，有一件事情必須用到相對論的時間轉換公式，就是全球衛星定位系統（Global Position System，GPS）。全球衛星定位系統是由二十四顆在兩萬公里高空運行的衛星來定位，因為衛星運行的速度，使它的時間變慢了；但是因為它在兩萬公里的高空運行，重力減弱，根據廣義相對論，時間就變快了，合併的效果是快了36微秒。這個非常微小的時間改變，使全球定位系統計算出來的地球上的位置差了幾公里，所以全球定位系統利用相對論的公式，校正它在衛星上的時間，並給予正確的定位。

相對論在宇宙學的應用

相對論改變人對於絕對時間和絕對空間的想法──原來時間和空間並非絕對，也非獨立，時間和空間竟然有彈性，而且是四維的時空結構。

愛因斯坦時代的非基督徒科學家和一般人相信，宇宙是自有永有的，宇宙不是被創造出來的、也不會改變，物質元素不滅，而且我們所處的銀河系就是整個宇宙。這種認知是根據當時科學界對宇宙的觀察而得。

雖然相對論在日常生活上沒有太多應用和影響，但是相對論開啟宇宙科學的研究。過去一百年來，根據廣義相對論的場方程式，以及狹義相對論的質能互換公式，使人對宇宙有了更大更多的認識。比利時物理學家羅梅村根據廣義相對論的場方程式，發現宇宙的空間和時間是有開始的；美國物理學家伽莫根據狹義相對論的質能互換公式，發現今天的物質世界是由能量轉換而來。因此，相對論成為宇宙大爆炸論的理論基礎。

〈詩篇〉九十篇4節：「在你看來，千年如已過的昨日，又如夜間的一更。」

〈彼得後書〉三章8節：「親愛的弟兄啊，有一件事你們不可忘記，就是主看一日如千年，千年如一日。」

從今天的科學知識來看這兩段聖經，我們知道這並非簡單的文學修飾，而是啟示宇宙的奧祕，上帝的時間座標跟人確實不一樣。

下一次，我將介紹近代天文學的研究和發展。(全文完)

……(請見2016年2月雜誌)