32 打破遊戲規則的人：愛因斯坦
阿爾伯特．愛因斯坦（Albert Einstein，一八七九－一九五五）有著一頭代表性的白髮；他創立了著名的物質、能量、空間和時間理論；他寫下了方程式E=mc2；他的思想高深莫測，改變了人們思考宇宙的方式。曾經有人問他：「你的實驗室長什麼樣子？」他的反應是「嗖」地一下從口袋裡掏出鋼筆。因為他是一名思想家而不是行動者。他的工作檯是書桌或黑板，而不是實驗室的操作檯。
當然，他也需要實驗數據的支持，他最信賴的實驗結果來自德國物理學家馬克斯．普朗克（Max Planck，一八五八－一九四七）。普朗克既是思想家又是實驗家。他在柏林大學工作，將近四十歲時，有了一生最重大的發現。普朗克從一八九〇年代開始研究燈泡，想製造出一種既省電又明亮的燈泡。他實驗的理論基礎是「黑體」說。「黑體」是一種完全吸收所見光、不會造成任何反射的假設物。你可以自己站在陽光下體驗一下：穿件黑色T恤是不是比穿件白色的要熱得多？因為黑色衣服吸收了陽光的能量。同理，隨光而來的能量被黑體吸收。但是，既然黑體不能把全部能量儲存起來，那麼它又是怎樣把能量釋放出來的呢？
普朗克知道吸收的能量多少取決於光的波長（頻率）。他在嚴謹測量能量和波長的基礎上寫出了兩者的數學方程式E=hv，即能量（E）等於一個常數（h）乘波長頻率（v）。在這個公式裡，普朗克測出的能量值總是整數，沒有分數。這一點相當重要，因為一個常數意味著能量是以一個個獨立的小封包出現。他把這些小封包起名為「量子」，就是「數量」的意思。他在一九〇〇年向新世紀公布了「量子」理論。從此以後，物理學和我們對世界的理解方式再也不是一模一樣的了。常數（h）被稱作「普朗克常數」以示紀念。這個公式的重要性可以和更知名的愛因斯坦等式E=mc2相提並論。
革命性大發現和宇宙新理論有些物理學家思忖良久才領悟到普朗克實驗的真諦，而愛因斯坦可是一眼便識破天機。一九〇五年，他發表了三篇論文，從此聲名遠揚。那時候他還是蘇黎世專利局的一個小職員，僅在閒暇時間做點物理研究。他憑藉第一篇論文把普朗克的理論推向新的高度，並在一九二一年摘下諾貝爾獎的桂冠。愛因斯坦對普朗克的黑體輻射考慮得更多，他利用了當時全新的量子分析法。深思熟慮後，他透過一系列才華橫溢的演算，證明光的確是以一些能量小封包傳播的。這些封包聚在一起組成波，但在運動的時候獨來獨往。物理學家聞言目瞪口呆，因為自從一百年前的湯瑪斯．楊（Thomas Young）開始，他們在許多實驗狀態下分析光，得出光是連續的波動，當然是按波的方式運動。現在居然有一個在專利局打工的無名小輩說光可能是粒子——「光子」，或者叫作「光量子」。
愛因斯坦同年的第二篇論文也是石破天驚。他就是在這篇論文中提出了「狹義相對論」，說明所有運動都是相對的，只有透過和其他事物的比較才能測量。這是一個高深的理論，但是如果你發揮一下想像力，它就會變得淺顯易懂。（愛因斯坦的偉大之處在於，他對已知數據的透徹分析和對未知世界的無限探索，在他的大腦裡經常縈繞著這句話：「如果……，會怎樣？」）假設一列正在出站的火車，某節車廂的正中央有一個忽明忽暗的燈泡，每次發出閃光的前後間隔時間都一樣，每節車廂的尾部都掛著一面鏡子，映出燈泡的閃光。如果你剛好站在車廂的正中間，你會看到燈同時出現在兩面鏡子裡。但火車經過月臺時，月臺上的人看到的閃光卻是一個接一個分開的。雖然燈光是同時照到鏡子裡，但是列車在向前開，所以月臺上的人會先從較遠的鏡子（車廂前端的鏡子）裡看見閃光，然後從較近的鏡子裡再看到（車廂後端的鏡子）一次。由此可見，既然光速是不變的，那麼視覺上的不同取決於——更準確地說是相對於——觀察者是運動的還是靜止的。愛因斯坦強調（當然補充了很多天書般的方程式說明）時間是現實的重要維度。從此以後，物理學家不能只考慮熟悉的三維空間了——長度、寬度和高度，時間從此也要算在其中。
愛因斯坦證明，無論光離我們遠去還是朝我們而來，速度是不變的。（音速則不同，這就是為什麼我們可以從火車的聲音判斷它是開走還是向我們駛來）。所以，「狹義相對論」中的相對性不適用於這種穩定的光速，除非包括觀察者和時間因素在內。時間不是絕對的而是相對的，時間和記錄時間的鐘錶在旅行的時候都變快了。有一個老生常談的故事：一名太空人以幾近光的速度完成旅程回到地球，結果發現時間還是流逝了。她的熟人不是老態龍鍾就是離開人世，她倒沒比離開的時候老多少。她的錶慢了，所以她不知道自己離開了多久。（這是一個臆想實驗，只能出現在科幻故事裡。）
這些都不足以讓愛因斯坦心滿意足，他又寫出了著名的方程式E=mc2，把質量（m）和能量（E）以新的方式連在一起。「c」代表光速。事實上他證明質量和能量是物質的一體兩面。光速是一個很大的數值，它的平方值更大，這意味著即使是質量非常小的事物，如果全部轉換成能量，也會大得嚇人。原子彈只是利用了微乎其微的一點點質量轉換成能量而已。如果把你身體的質量全部轉換成能量的話，其威力相當於十五顆氫彈那麼大。不過無論如何，千萬不要以身試驗。
接下來的幾年裡，愛因斯坦拓展了自己的思路，並於一九一六年形成了他更寬泛的宇宙觀，即「廣義相對論」。他闡述了自己對重力和加速度關係的理解，以及對空間結構的解釋。他證明重力完全和加速度相對應。想像你站在電梯內，蘋果從你手上掉落，它會落到電梯的地板上。現在，假設有人剪斷了電梯纜繩，纜繩被剪斷的同一時間，蘋果從你的手上掉下來，那麼你將和蘋果一起墜落。蘋果對於你來說沒有真正地運動，因為你們在一起往下落。這期間，你可以隨時伸手接住蘋果，電梯（和你）繼續往下墜，但蘋果永遠不會落地了。這就是太空景象的再現，太空人和太空船其實都在自由下落。
愛因斯坦的廣義相對論表述了空間是彎曲的，或者更準確地說是時空彎曲，如此一來物理學家曾經百思不得其解的問題便迎刃而解。他提出光遇到龐大物體會略微彎曲，因為光（由光子組成）有質量，較大物體會對較小的光質量施加引力。日食是最好的證明。他的理論還解釋了水星圍繞太陽轉的神祕軌道特徵，這是連牛頓通俗易懂的重力定律都望塵莫及的。
愛因斯坦研究了非常小（光子）和非常大（宇宙）的東西，並把它們以令人信服的新方式聯繫在一起。他在推廣自己的相對論的同時，促進了量子論的發展。物理學家引用這些理論和它們涉及的數學方法來分析宏觀和微觀的世界。但愛因斯坦並不讚許物理界的許多新潮流，他一直堅信宇宙（包括原子、電子和其他粒子）被固定在一個因果系統裡。他有一句名言：「上帝不擲骰子。」意思是萬物皆以有規律、可預測的模式發生。這種說法並非人人贊同，那些相信普朗克量子論的物理學家得出了不同的結論。
永遠地改變了我們對宇宙的認知其他一些早期的量子研究以電子為核心。第三十章曾經提到波耳一九一三年的量子模型，其中帶有穩定能量的電子按照固定的軌道圍繞中央的原子核運轉。物理學家嘗試用數學公式解釋它們的關係，但屢試屢敗，看來普通數學不能解決問題。於是他們轉向矩陣。在普通數學中，2×3和3×2沒有區別，但是在矩陣中就不一定了。一九二六年，奧地利物理學家埃爾溫．薛丁格（Erwin Schrödinger，一八八七－一九六一）憑藉這些特殊的算法得出了一個新公式，他的波動方程式描述了原子外圍軌道上電子的表現。這是量子力學的起點。它描述的對象是渺小的，但其影響正如牛頓研究的巨大對象一樣。薛丁格和二十世紀初很多改變我們思考世界方式的物理學家一樣，走上了逃離納粹之路，他在都柏林度過了戰爭年代，而愛因斯坦去了美國。
薛丁格的波動方程式為當時的研究帶進了某種秩序。緊接著在一九二七年，維爾納．海森堡（Werner Heisenberg，一九〇二－一九七六）提出「不確定性原理」。這個原理是哲學和實驗的結合體。依據海森堡的觀點，電子實驗本身就會引起變化。我們能知道的是有局限性的。我們能夠得知一個電子的動量（質量乘以速度）或位置，但是不能同時掌握兩者，對其中一個進行測量必定會影響另一個。愛因斯坦（還有其他人）被激怒了，開始駁斥薛丁格的「不確定性原理」。然而最終，找不到證據的愛因斯坦認輸了。直到今天，這個原理仍原封未動地呈現在我們眼前：我們對微觀世界的瞭解是有限的。
保羅．狄拉克（Paul Dirac，一九〇二－一九八四）也對電子情有獨鍾。這個讓人猜不透的英國人簡直就是另一個愛因斯坦，他的量子力學著作三十多年來一直是這個領域的範本。他關於原子和亞原子粒子的量子活動方程式幾乎是天才之作，但美中不足的是，需要補充一種特殊的粒子——一個帶正電荷的電子——才能算得上是完美無缺。這就好比說物質和反物質同時存在。「反物質」概念的提出讓人匪夷所思，因為物質本來是宇宙中實實在在的東西。沒過幾年，這種粒子就被成功找到，「正子」被發現了。這個電子的孿生兄弟帶有一個正電荷，碰到一個電子迸發出能量後，兩者就會一起消失，物質和反物質在相逢的眨眼之間就會同時毀滅。
正子的發現告訴物理學家，原子的成分不僅僅是質子、電子和中子。在物理學家利用史無前例的高能量去「檢視」原子和粒子之後，我們後來才思考這些深奧的發現。「檢視」一詞不算非常準確，因為在使用高能量的時候，他們不能直接看到實驗的進行，只能看見電腦螢幕上的亮點，或者磁力的變化，抑或是實驗配置的能量變化。但是，原子彈、原子能和對量子潛能的估算都證實了自然的力量和奇蹟——即使我們根本看不見。
普朗克的能量封包，也就是量子，與愛因斯坦的質能關係理論，是認識同一物體的兩個角度，它們永遠地改變了我們對宇宙的認知方式。質量和能量、波動和粒子、時間和空間，自然向我們坦露她可以是「這個和那個」，而不一定是「這個或那個」。這不但幫助我們解釋了原子結構和宇宙的形成，還幫助我們在黑夜找到回家的路。衛星離地球那麼遠，導航衛星一定包含了狹義相對論，否則，你很快就會迷失方向。