光子

还记得我们在讲到牛顿时，提到牛顿提出了光的微粒说吗？牛顿认为光是由粒子组成的，这样就可以很方便地解释光沿直线传播这一现象。

在牛顿之后，科学家们研究认为光是一种波，各种各样的干涉与衍射实验也都佐证了光是波这一事实。

当光通过非常狭窄的缝隙时，会发生衍射，此时的光不再严格地按照直线传播，而是会在窄缝后面散开，这是波的特有性质，光的波动学说逐渐兴起。

但是，德国物理学家赫兹在1887年发现了光电效应，这个实验无法用波动学说解释。他把两块金属板并排放置，并且用导线连接它们。当用光照射其中一块金属板时，竟然在导线中测到了电流！原本不连通的电路中出现了电流，这只能说明：在光的照射下，有一部分电子从一块金属板飞到了另一块金属板！

难道是光照射的能量让电子飞出去了？但光的波动说无法解释这一实验中的很多细节，因为在实验中，如果降低照射光的频率，当频率低于某一数值的时候，电流就会突然变为零，是否能检测到电流，只和光的频率有关，而与光有多强无关！

如果光是波的话，波的能量与振幅是相关的，增大光的强度理应让传递出去的能量变强，而使得电子更容易被击飞才对呀！并且，波的能量可以累积，应该是照射的时间越长，电子越容易飞出去，为什么实验中没有观察到这些现象呢？在几十年的时间里，没有人能够正确解释这一实验现象。

直到1905年，爱因斯坦提出了光子说，他认为把电子从金属板中打飞的是光子，光子的能量和频率有关，频率越大，单个光子的能量越高，这和牛顿的微粒说并不一样。

爱因斯坦的解释直接引出了光的波—粒二象性，也就是说，光既是波，又是粒子。这是人类对光的本质的认知的一次飞跃，这与20世纪量子力学的迅猛发展也有着非常紧密的联系。

布朗运动

1827年，苏格兰植物学家布朗观察发现，水中的花粉或者其他悬浮的颗粒会不断地做不规则的运动，这种运动也被称作“布朗运动”。后来有科学家把布朗运动解释为分子运动，但是他给出的理论计算并不正确，直到爱因斯坦在1905年的论文里给出了正确的推演与计算。

他首先假设布朗运动是由于分子无规则的热运动碰撞了花粉，花粉的大小比分子大多了，它因为这种来自四面八方的无规则的碰撞也随之出现了随机的运动。尽管分子在随机运动，当数量足够多的时候，速度等属性会遵循一种统计规律，这种分子运动的统计规律也会使得被碰撞的花粉的运动符合某种统计规律。

爱因斯坦的论文正确地推演了这种规律，他推演出来的花粉应该符合的运动统计规律和实验观测的结果一致。

这说明，布朗运动这种看似无规则的运动，竟然是分子热运动的必然结果！尽管当时还没办法观测到分子，但是这个现象与推导可以说明分子是真实存在的！

爱因斯坦再一次向我们展示了物理理论推导与计算在科研过程中的强大作用。

狭义相对论

相对论可谓是爱因斯坦的代表性成果。相对论分狭义相对论和广义相对论，狭义相对论讨论了时间和空间的关系，广义相对论则进一步讨论了引力对时空的影响（时空弯曲），我们也会在后文讲到。

相对论的出现，完全颠覆了人们从古代开始的直观、朴素的时空观念。人们旧有的观念认为，空间就是一个平坦的盒子，这个盒子有三个维度（可以简单理解为长、宽、高），而时间是一条缓缓流动的河流，永远都平静地匀速流淌着，无论在空间中的什么位置，时间的流逝快慢都没有任何区别。这种关于时间和空间的认知观念，叫作“牛顿时空观”，是基于牛顿力学的时空观念。

那么，既然时间和空间是相对独立的，这就很自然地引出了一个相对运动的概念：坐火车的时候，我们看到铁道边的树不断地后退，其实就是你相对树向前运动的时候，树相对你向后运动了。

再考虑这样一个场景：你站在一列长度为1000米的火车的车尾，火车车速是100千米每小时，你走路的速度是1000米每小时，火车向前开的同时，你朝着车头的方向走，这时候，你相对地面的速度就是101千米每小时[42]。

所以说，我们讨论速度这个概念时，必须要讲以谁为参照物[43]。就像这个人在火车上步行的例子中，如果是以火车为参照物，那么人的速度是1000米每小时，如果换成以地面为参照物，那就是101千米每小时；地面上的树，相对地面的速度是零，相对火车的速度则是向后的100千米每小时。

我们前面提到过，麦克斯韦使用麦克斯韦方程组推导出了光是一种电磁波，并且推导出了电磁波的波速，也就是光速。他推导出光速是个常数[44]，是一个不变的量[45]！那么，这个光速的参照物究竟是谁呢？

有人提出，光速的参照物是“以太”。这种东西充斥着所有空间，完全透明，它没有质量，绝对静止。这种解释现在看起来显然很苍白，因为没有实验能证实“以太”的存在。

1887年，物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊和爱德华·莫雷试图寻找“以太”存在的证据。既然麦克斯韦方程组中推导出的光速是光相对“以太”的速度，那么我们只需要制造一个相对“以太”运动的参照物，去测量光相对这个参照物的速度，看看有没有变化，如果有，就可以证实这个参照物真的相对“绝对静止的以太”运动了。但是，这个相对运动的参照物，该怎么找呢？难道借助火车吗？当时的一列蒸汽机车车速也就几十千米每小时，而光速有30万千米每秒！巨大的差异会使得光速这细微的变化根本难以测量。后来，这两位科学家找到了一个绝佳的运动参照物——那就是地球自己。

地球一直在自转，地球表面由于自转产生的速度可以达到每秒400米，这比一切火车都要快得多，他们还制造了一种可以精确测量出光速变化的仪器——迈克尔逊干涉仪。他们用这台仪器测量了沿地球自转方向，和垂直于地球自转方向的光速，它们没有任何区别！这个实验结果深深地震撼了科学界，但是人们无法从理论上解释这个实验。

1900年，英国物理学家威廉·汤姆生在英国皇家学会的演讲中，回顾物理学的发展时，讲道：“物理学的大厦已经落成，所剩下的仅有一些修修补补的工作……只有两朵小小的乌云令人不安。”

汤姆生讲到的“两朵小小的乌云”，其一就是迈克尔逊-莫雷实验，该实验的结果与原有的牛顿理论不符；其二就是黑体辐射实验，其实验结果与现有的热力学理论不符。后来，这两朵乌云引出了20世纪人类在科学领域最重大的两项突破——相对论和量子力学。

爱因斯坦并没有拘泥于牛顿力学的理论框架，而是大胆假设：是否光速本来就是一个与参照物无关的量？他以这一论断为基本假设，做出了推演，得出了一系列颠覆人们直观感受的结论，后续的实验也证实了爱因斯坦是对的。

当光速不变时，时间、空间就不再是相互独立、互不影响的事物，而是相互影响的。在快速运动的物体上，时间会变慢，测量到的长度也会变化。随着速度不同，这些看似永恒不变的东西都会发生变化。

爱因斯坦的相对论，彻底打破了统治人类物理世界数百年的牛顿时空观，从此，人类对时空的认识进入到相对论时空观的时代。