無論是對非科學家還是對科學家來說，相對論簡直就是本世紀科學革命的同義語，而對於那些知情者來說，量子論（尤其是它的發展形式量子力學）是一次更為偉大的革命。我們將看到愛因斯坦作為科學家的偉大之處，他對這兩場革命都做出了根本性的貢獻。
談到相對論，我們必須記住有兩種不同的相對論理論：一是狹義相對論（1905），它研究時間，空間和同時性問題，由此推導出著名的質能關係式E＝mc2。二是廣義相對論（1915），它研究引力問題。儘管兩種相對論都是革命性的，但對相對論革命的探討主要集中在狹義相對論的結果上。然而，真正促成全世界對狹義相對論引起重視的事件是1919年廣義相對論的一個預言——星光經過太陽附近時，會因太陽引力場的作用而發生偏轉——獲得了證實。這次驗證是在一次日蝕時進行的天文觀測完成的，這一事件立即使相對論風靡全世界，而愛因斯坦也一夜之間成了家喻戶曉的人物。
狹義相對論
愛因斯坦於1905年首次提出狹義相對論原理，論文發表在《物理學年鑒》上，同年，他對狹義相對論作了重要補充，並為輻射問題建立了最初形式的質能關係式。1907年，愛因斯坦完成了一篇的相對論的綜述文章，其中包含一般形式的質能關係式E＝m2。他的卓越論文建立了全新的質量，時間和空間概念，並向明顯簡單的同時性觀念提出了挑戰。最初，愛因斯坦提出了「相對性原理」，並引進了「另一個假設」：「在任何給定的慣性系統中，無論發光物體是處於靜止狀態還是在作勻速運動，光在真空中的傳播速度都是一個確定值C」。相對論的偉大意義在於，它拋棄了「絕對」時空觀以及空間充滿了以太的思想；而在當時，以太被視為是光和其它形態電磁波的傳播媒介。
現在看來，1905年6月愛因斯坦關於相對論的開創性論文在《物理學年鑒》上發表，是理論革命階段的典型例子。我們在第2章中已經看到，M．玻思1905－1906年間在哥廷根研究「運動物體的電動力學和光學」時，竟然從未聽說過愛因斯坦和他的工作。1906-1907年間，英國劍橋大學的情況亦是如此。根據愛因斯坦妹妹的回憶（佩斯1982，150-151），愛因斯坦當時「想像在有名的，擁有眾多讀者的雜誌上發表論文，便會立即引起注意」。當然，他期望「強烈的反對和最嚴厲的批評」，但缺少反響和「冷處理」反而使他「非常失望」。不久，他收到M．普朗克的一封信，就論文中幾處疑點提出問題，這使愛因斯坦感到「異乎尋常的高興」，因為普朗克是「當時最偉大的物理學家之一」。相對論後來迅速變成了物理學家感興趣的議論和研究課題。這種戲劇性轉變主要是由於普朗克較早且較深入地介入了相對論研究所引起的。愛因斯坦論文發表的第二年，普朗克就開始在柏林講授相對論理論，但他當時講演的基礎不是愛因斯坦的工作而是洛倫茲的電子論。1907年，普朗克的助手馮·勞厄（後來的諾貝爾獎金獲得者）發表了一篇關於相對論的專論。
1906年9月，普朗克在德國物理學會上發表了關於相對論的演講（同年刊登在雜誌上）；1907年，在普朗克的指導下，K．V．莫森格爾完成了第一篇專論相對論的博士論文（佩斯1982，150-151）。佩斯指出，早期介入這一領域的人實在是太少了。烏爾茨堡的Y．勞布和布萊斯勞（烏羅斯勞）的L．拉登伯格是為數不多的幾個例外。勞厄曾經來到伯爾尼拜訪愛因斯坦，他發現難以置信的是，這個『年輕人」竟然是「相對論之父」。幾年後，馮·勞厄撰寫了一篇非常出色的介紹相對論的學術論文。馮·勞厄在1917年3月24日寫給愛因斯坦的信中，表達了對自己的物理學革命性工作的興奮之情：「終於實現了！我的關於波動光學的革命觀點發表了」。他接著寫道：在「這一緊要關頭」，它們「無疑會激起每一個保守的物理學家最強烈的憎恨」；但「我仍然要堅持這些備受譴責的觀點」。
除了隊玻恩自己介紹了他是怎樣每一次聽說相對論的之外，我們還從L．英費爾德那裡瞭解到當時的一些情形。英費爾德（1950，44）曾談到他的朋友S．洛裡亞教授告訴他的一件事，洛裡亞的老師「克拉克大學的維特科夫斯基教授（他是一位非常偉大的教師）」讀了愛因斯坦1905年關於相對論的論文後，衝著洛裡亞興奮地喊道：「讀讀愛因斯坦的論文吧，又一個哥白尼誕生了！」又過了一段時間（玻恩說是1907年）洛裡亞在一次物理學會議上遇到了玻恩，他向被恩談起愛因斯坦，並問他是否讀過那篇相對論論文。結果，「不光是玻恩，在場的每一位都從未聽說過愛因斯坦」。英費爾德的故事說，他們立即「跑到圖書館，從書架上取出《物理學年鑒》第17卷，開始讀起愛因斯坦的論文」。英費爾德說，M．玻恩立即認識到相對論的偉大，同時感到有必要對它進行數學形式化。英費爾德認為，玻思後來對相對論的研究工作，「是早期對這一科學領域做出的重要貢獻」。
最初，表示願意接受愛因斯坦狹義相對論的物理學家很少，因此不足以在世界範圍內引發一場科學革命。但德國理論物理學家中卻有一部分擁護者。1907年7月，普朗克在致愛因斯坦的信中說：「相對論原理的倡導者僅僅形成了一個不大的圈子」，由此他堅信，他們之間「取得意見一致尤顯重要」（佩斯1982，151）。「相對論原理」既體現了普朗克個人偏愛的洛倫茲理論，也體現了愛因斯坦的相對論，然而，愛因斯坦的聲望在持續增長，儘管仍然緩慢，1907年秋，J．斯塔克（《放射性和電學年鑒》的編輯）寫信給愛因斯坦，要求他寫一篇相對論的評述文章。1906年普朗克曾使用過相對性理論的術語（米勒1981，88），但1907年愛因斯坦採用了今天人們更熟悉的名稱——相對論。第一篇引用愛因斯坦相對論論文的文章是W．考夫曼1905年撰寫的。他認為愛因斯坦的「研究……與洛倫茲的研究在形式上是相同的」，只不過後者有益於推廣。考夫曼最後說，他自己的實驗數據駁倒了愛因斯坦和洛倫茲的電子理論，我們將稍後再來研究這個問題。
lop年，B．愛倫菲斯特寫了一篇以愛因斯坦理論為主題的論文。第二年（1908），H．閔科夫斯基發表文章，把愛因斯坦理論從根本上轉化為數學形式，「大大簡化了狹義相對論」。經過這樣幾個步驟，理論革命才變成了真正的科學革命。佩斯（1983，152）指出，從1908年開始，愛因斯坦的名聲及影響迅速提高。
愛因斯坦的學術生涯開始坦蕩起來了。1909年春，他從伯爾尼瑞士專利局一個地位低微的審查員，一躍而成為蘇黎士大學理論物理學助理教授，這很明顯是由於他在固體量子論方面所做的工作。愛因斯坦的推薦人之一寫道：愛因斯坦「當屬最偉大的理論物理學家之列」（佩斯1982，185）。「由於相對論原理方面的工作，他正受到極其廣泛的重視」。lop年7月8日，愛因斯坦獲得了日內瓦大學的榮譽學位，同時獲得這項榮譽的還有化學家W．奧斯特瓦爾德和M．居里夫人，他在這個職位上只呆了兩年，1911年3月他來到了布拉格，晉陞為德國卡爾·費迪南大學正教授。在那裡工作了16個月後，F．弗蘭克接替了這個職位。愛因斯坦又返回蘇黎士，擔任綜合技術學院的物理學教授。
當然，影響接受狹義相對論的困難主要是觀念上的，但也的確存在實驗上的障礙。在1905年開創性的論文的結尾，愛因斯坦推導出一個電子橫質量公式。這個公式與洛倫茲理論中的公式極其相似，其中的差異很快就被消除了。於是，這兩種理論能給出相同的結果。但是，考夫曼在分別發表於1902和1903年的論文中指出，他的實驗結果與洛倫茲理論（同樣適用於愛因斯坦理論）的預言有很大差異，愛因斯坦對這些結果無動於衷（見米勒1981，81－92；333—334）。1906年，考夫曼在《物理學年鑒》（一年前愛因斯坦發表相對論論文的同一雜誌）發表了一篇文章，詳細歸納了愛因斯坦的時空觀（米勒1981，343），並探討了洛倫茲-愛因斯坦電子理論。他總結道，他自己的測量結果於洛倫茲-愛因斯坦理論的「基本假設是不相容的」（見霍爾頓1973，189－190；234-235）。洛倫茲因此寫了一封信給彭加勒（米勒1981，334-3371982，20-21），說他自己的「心智已經枯竭」。他對彭加勒說，「不幸的是」，他的假說「與考夫曼的新實驗矛盾」，他認為「不得不放棄它」。但愛因斯坦卻堅信：實驗數據與理論間「系統誤差」的存在說明有「未被注意的誤差源」；新的更精確的實驗一定會證實相對性理論。愛因斯坦的話得到了證實，1908年，A．H．布歇爾發表了新的實驗結果，完全符合洛倫茲和愛因斯坦的預言。1910年，E．胡普卡的實驗對此再次予以確證。而決定性的結果是1914-1916年間獲得的。從那以後，各種表明相對論正確性的論據不斷出現，且極為豐富。
隨著實驗證據的出現，相對論本身進行了根本性的重構。這項工作是哥廷根大學數學教授H．閔科夫斯基完成的。有趣的是，幾年前，閱科夫斯基在蘇黎世大學教過愛因斯坦數學。1908年，閔科夫斯基發表論文，引進四維「時空」概念，取代了孤立的三維空間與外加一維時間的不相容概念，他還把相對論轉化為現代張量形式（這要求物理學家們進一步學習由裡奇和列維-西維塔建立的新的數學理論），在相對論中引進專業術語，並明確指出：由相對論觀點看，傳統的牛頓引力理論已經不夠用了（佩斯1982，152）。很明顯，愛因斯坦開始並沒有理解閔科夫斯基工作的意義，甚至認為把他的理論寫成張量形式是「多餘的技巧」（同上）。但到了1912年，愛因斯坦終於轉變過來了；1916年，他以感激的心情承認閔科夫斯基使他大大地簡化了從狹義相對論向廣義相對論的過渡。愛因斯坦（1961，56-57）後來著重強調了閔科夫斯基的貢獻，他說，如果沒有他，「廣義相對論……也許還在襁褓中」。英譯本經常採用的語句是「no furthr than its longcloths」。儘管「windel」在德文中最普遍的意思是「尿布」，但這裡的含義顯然是：如果沒有閔科夫斯基，廣義相對論一定還在孕育之中。
閔科夫斯基的時空觀首次公開發表於1907年11月5日的一次演講中，演講的標題是「相對論原理」。但這篇演講直至閔科夫斯基去世後六年的1915年才出版。不過借助在1908年和1909年發表的另外兩篇論文，閔科夫斯基的時空觀已經流傳開了（加裡森1979，89）。閔科夫斯基充分認識到了他的貢獻的重要性。在1907年演講時，他開宗明義地說：「先生們，我想向諸位講述的時空觀念……從根本上是全新的，……由此，孤立的空間和時間觀念本身將注定要消失在陰影之中」。事實上，閔科夫斯基在這篇演講的初稿上，把他的新時空觀的「特徵」說成是「革命的」，而且是「極端革命的」（同上，98）。可是，在講演稿最後付印時，「革命的」這類詞語被刪除了。
M．玻恩向我們講述他最初閱讀愛因斯坦論文時的經過，這讓我們瞭解到愛因斯坦的概念是多麼深奧難懂，甚至對於那些沒有數學問題的人也是如此。1907年，當洛裡亞向他介紹愛因斯坦論文時，玻恩正是H．閔科夫斯基大學研究班的成員，因此，「對相對性思想和洛倫茲變換很熟悉」。他回憶說，即便如此，在閱讀愛因斯坦論文時，「愛因斯坦的推理超出我的意料之外」。玻恩發現，「愛因斯坦的理論是全新的和革命性的」，是天才的創造。愛因斯坦的觀點「向I．牛頓建立的自然哲學以及傳統時空觀大膽提出了挑戰」。現在看來，玻恩確實認識到了愛因斯坦思想革命和理論革命的威力，但也清醒地看到了真正的科學革命尚未到來。新的觀念和新的思維方式仍在研究之中，要科學家們接受、應用並作為他們共同的思想基礎還須假以時日。玻恩後來明確指出，事實上，愛因斯坦理論是如此激進，如此新奇和革命，以至必須「做出相當努力才能很好地消化和吸收」。而且他還提醒我們，「並不是每個人都能夠或願意這麼做」，看來他本人當初是做到了。愛因斯坦革命要求人們普遍接受關於物質世界的全新的思考方式。
1909年美國科學家G．劉易斯和R．托爾曼發表的文章，清楚地說明了接受愛因斯坦假說的實際困難。他們承認愛因斯坦的相對性原理「綜合了大量實驗事實，沒有出現矛盾的反例」，其中他們列舉布歇爾的實驗作為支持這一理論的重要依據。然而，他們在感到相對論基本「原理」這一方面無可挑剔時，也感到另一方面暴露出的問題。例如，「絕對運動無法觀察到」這一普遍原理表示理解時，他們覺得相對於任何獨立觀察者光速不變的原理令人難以接受（米勒1981，251－252）。他們認為，後一原理將導致長度和時間相對性的「奇異結論」，這可能是「基於某種感官心理學上的科學幻想」。
時間一年年地過去，越來越多的物理學家終於轉變了過來。然而，他們當中有許多人只接受愛因斯坦公式，承認「收縮性」是光速不變性引起的空間問題的基礎。但是，他們仍然堅持絕對時間和同時性的信仰（包括洛倫茲在內，見米勒1981，259）。1911年4月，法國物理學家B．朗之萬在波隆那哲學家大會上發表演說，為相對論增添了更為轟動性的色彩。朗之萬是一位卓越的科學家，愛因斯坦曾經說過，如果他沒有發現狹義相對論，朗之萬將會發現它。在討論時間相對性或鐘慢問題時，朗之萬沒有採用愛因斯坦那種利用運動時鐘和靜止時鐘解釋時間效應的費解的作法，而是用所謂的「孿生子悖論」取代了愛因斯坦的「時鐘悖論」，並立即成為眾所皆知的由相對論引出的怪物。相對論的時間問題是這樣產生的：如果一對孿生兄弟一個留在地球上，另一個去星際空間旅行，那麼當旅行的兄弟返回地球時，竟會發現與留在地球上的兄弟的年齡已經不同了。朗之萬列舉的另一個例子是，旅行者沿直線飛向一顆恆星，繞其一周後原路返回。如果旅行的速度足夠大（當然比光速小），最後旅行者將發現，在他兩年的旅行中，地球已經度過了漫長的兩個世紀。哲學家H．相格森後來承認，正是朗之萬19if年4月的演講，「第一次喚起了我對愛因斯坦觀念的注意」。
時鐘（或孿生子）悖論很快成為（在某種程度上今天仍然是）相對論使人困惑甚至招來敵意的原因。V．勞厄曾談到那些反對相對論的「思想內容」、基本公式或數學結果的人。1911年他寫信給愛因斯坦，反對相對論的共同理由「主要是時間相對性和由此產生的悖論」。勞厄在1912年寫的第一部相對論教科書中指出：這些悖論和其它有關時間相對性的問題具有「偉大的哲學意義」，正是由於這一原因，「只能用哲學方法」對待這些問題。我們還注意到，愛因斯坦在1911年討論這一見解時，使用了理想實驗的方法。他假設把裝有「小生物的盒子」送向「遙遠的飛行旅程」，結果在它返回地球時，「盒子的內部情況幾乎沒有變化」，而留在地球上的生物已「繁衍生息許多代了」。
儘管許多人不願輕易接受愛因斯坦對物理學基本思想進行徹底重構，但他們卻已在應用愛因斯坦的數學結果了。勞厄（和另一些人）曾指出，這些數學結果在形式上和洛倫茲理論的結果是一致的，但它們的『物理本質』御有差異。勞厄甚至宣稱（1911），兩種理論的「實質差別是不可言喻的」。但人們很快就認識到愛因斯坦的理論更加優越，特別是在廣義相對論建立之後，狹義相對論的重要性尤其顯露出來。
大約到了1911年，愛因斯坦的狹義相對論已經有了數量足夠多的擁護者，一場科學革命發生了。同一年，A．索末菲宣佈，相對論理論已經「完整地建立起來了，它不再是物理學的前沿了」（米勒1981，257）。1912年初，剛剛獲得1911年度諾貝爾物理學獎的W．維恩建議，授予愛因斯坦和洛倫茲這項最高獎賞。他在推薦書上寫道：從「邏輯的觀點看」，相對論原理「應當被看作理論物理學最重要的成就之一」（佩斯1982，153）。他說，目前已有「實驗明確證實了這一理論」。他總結說，「洛倫茲是發現相對論原理數學內容」的第一人，而愛因斯坦則「成功地將相對論簡化為一個簡單的原理」。
當然，並不是所有物理學家都接受這一革命性的新觀念。范德瓦爾斯在1912年說，至今還不能解釋為什麼質量和長度隨著速度的變化而變化（米勒1981，258）。除了時間相對性引起悻論外，在否定絕對長度、時間和質量方面還引起了更根本性的反對意見，而「同時性的相對性」也是很難令人接受的。然而更加困難的是拋棄以太概念。如果沒有介質支承，光和其它電磁波如何在空間存在呢？反對意見和聲勢如此強烈，也可看作是新理論革命性質的一個標誌。
在眾多的反相對論的觀點中，普林斯頓大學的W．F．馬吉教授（1912，293）很有代表性。19if年，他在美國物理學會作會長就職演說時說，相對論原理不能滿足這樣的標準：任何「真正有用的終極答案……應當為每一個人所能理解，包括訓練有素的學者及一般公眾」。對他來說，相對論無法使人理解，因為它不能「用普通的，任何人都能明白的力，空間和時間概念來描述」。可是他顯然並不清楚，牛頓的力和慣性的概念在1687年時是多麼新奇！他顯然也不懂得，除了少數幾個學過理論物理學的人之外，真正懂得力和概念這些「普通概念」的人是多麼稀少！
馬吉還宣稱，「應當問問相對論發展中新思想的創造者，他們是否認識到這一理論的用途是多麼有限，是否認識到它用可理解的術語描述宇宙是多麼的無能為力」。他準備「警告他們最好先收起他們的輝煌理論，除非能夠通過簡化，利用普通物理學概念圓滿解釋相對論原理」。
L．T．莫爾1912年在《自然》雜誌（1912，94：370－371）上發表評述文章，總結歸納了馬吉演說中的觀點，並就科學革命作出了以下論述：
愛因斯坦教授的相對論和普朗克教授的量子論已被喋喋不休地宣佈為自牛頓時代以來科學方法上最偉大的一場革命。他們用數學符號作為科學的基礎，拒絕承認數學符號背後潛在的堅實的實驗基礎，因而用主觀宇宙取代客觀宇宙。從這一角度來看，他們的做法無疑是革命的。問題是，他們這樣做是前進還是倒退，是走向光明還是陷入黑暗？一般認為，伽利略和牛頓開創的革命依靠科學家們的實驗方法取代了學院派的形而上學方法，這顯然是正確的。而現在，所謂的新方法似乎恰恰相反，因此，如果這裡包含什麼思想革命的話，那事實上不過是返回到中世紀的繁瑣哲學的方法中去。
大約在20年後，L．T．莫爾（現任辛辛那提大學研究生院院長）在他撰寫的牛頓傳記（1933，333）中，仍然表達了他對「愛因斯坦教授廣義的相對論」的厭惡，他指責這是「通向唯心主義哲學的最大膽的企圖；這樣的哲學只是靈活思維的邏輯遊戲，完全無視客觀世界的事實；它或許是有趣的，但卻深深陷入了經院哲學」。他總結道，如果堅持相對論物理學（及其哲學），「將導致科學頹廢變質成為中世紀經院哲學和宗教神學」。讀者對於莫爾污蔑數學和符號邏輯學的偉大發展也許不會感到奇怪，他寫道（同上，332），「值得注意的事實是，兩部偉大的著作，兩部或許是科學頭腦所能做出的最天才的創造，現在正受到攻擊：《新工具》受到現代符號邏輯學家的攻擊；《原理》受到相對論物理學的攻擊」。他最後的結論是：「當現代派被長期遺忘之後，亞里士多德和牛頓將會重新受到尊重；他們的學說將重新獲得應用」（同上），從這些事例中我們可以發現，一場科學革命的深度與保守主義的猖狂進攻的猛烈程度以及它給科學思想所帶來的根本變化的程度是成正比的。
廣義相對論
愛因斯坦曾經說過，即使他沒來到這個世界上，狹義相對論也會出現，因為「時機已經成熟」（英費爾德1950，46），但廣義相對論則不然。他懷疑，如果他未建立廣義相對論，「它是否會為人所知」。廣義相對論被稱作「第二次愛因斯坦革命」（同上）。這是一次極大的飛躍，正當許多物理學家開始接受狹義相對論時，它再一次把他們拋在後面。普朗克曾以極大的熱情歡迎狹義相對論並成為最早的支持者之一，他曾對愛因斯坦說：「現在一切都要解決了，你為什麼還要招惹其它另一些事呢？」愛因斯坦之所以這麼做是因為他是一位天才，遠遠走在了同時代人的前面。他懂得狹義相對論是不完滿的，未能解決加速度和引力問題。他後來談到導致他思想豁然開朗的主要思想（他曾將其稱為「一生中最令自己興奮的思想」，見佩斯1982，178引用的愛因斯坦的回憶。）是1907年11月在伯爾尼專利局工作時產生的。這個思想是：「一個人在自由下落時，將感覺不到自己的重量。」他說，這一「最簡單的思想」促使他天。始研究引力理論，但直到1915年，他才發表了比較完整的廣義相對論理論，第二年他又發表了被一位傳記作家稱為「欽定版本」的廣義相對論，這個理論的建立主要基於英費爾德所說的「三個主題」：引力，等效原理，幾何學與物理學的關係。理論的核心則是新的引力場定律和引力場方程，有人說，麥克斯韋在電磁場上做過什麼工作，愛因斯坦在引力場也做過什麼工作。廣義相對論引人注目的特徵之一是將牛頓力學中的引力簡化為四維時空中的彎曲。J．H一吉恩斯在《不列顛百科全書》1922年第12版的相對論條目中寫道：「宇宙圖景」的新情景不再是「三維空間中一片以太海洋的受迫振動」，而是「四維空間世界線上的一個紐結」。
廣義相對論提出了三個可檢驗的預言。第一個是水星的近日點的攝動，該現象指出，軌道上運動的行星在繞太陽運行時，每完成一個週期並非精確返回到空間的原來位置，而是稍稍有些前移。這一事實早在19世紀中葉就已發現，但經典的牛頓天體力學無法對攝動現象做出滿意的解釋。第二個預言是，光線在引力場中將發生偏轉。按照這個說法，星光在經過太陽附近時，將受到太陽引力的影響而偏折。結果是恆星的機位會有一個變化。觀測這一現象只有發生日全蝕時才能進行，否則太陽的強烈光線使地面上根本觀測不到太陽附近的恆星光線（瑞士天文學家M．施瓦茲柴爾德對這個現象做了詳細的定量描述）。第二個預言通常被稱為譜線「紅移」，即恆星輻射總是背離我們而去。這就是廣義相對論提出的三項檢驗方法。但我們知道當時正是1915年，第一次世界大戰的硝煙籠罩在各科學發達國家的上空。愛因斯坦正在柏林，不可能進行任何日蝕觀測。
但愛因斯坦沒有停止工作，1917年，他在《普魯士科學院院刊》上發表論文，題為《廣義相對論宇宙觀》。儘管其中的結論已被拋棄，但這篇論文開闢了理論物理學的一個新領域。愛因斯坦指出，「義相對論能為我們的宇宙結構……問題帶來希望之光」。科學的宇宙學研究由此創立，它把宇宙從形而上學的一個分支轉變為物理學和天文物理學的一部分（英費爾德1950，72；「論愛因斯坦和宇宙學」，見佩斯1982，&15）。
英國無文學家A．愛丁頓在戰時研究了愛因斯坦的著作（見第25章），並很快成為愛因斯坦思想的忠實信徒和熱情宣傳者。他後來寫了大量著作，包括權威性的《引力相對論理論報告》（1918），學術著作《相對論的數學理論》（1923），兩部通俗著作《空間，時間和引力》（1920）以及《物質世界的本質》（1928），此外還有大量的演講，文章和小冊子。P．A．M．狄拉克回憶說，他在布里斯托爾大學讀書時，就是通過愛丁頓的著作才最初接觸到相對論的。更為重要的是，第一次世界大戰剛一結束，愛丁頓立即在1919年組織了一支英國日蝕觀測隊，去檢測星光經過日全蝕太陽時將發生偏轉的預言。與預言相符觀測結果立即震撼了全世界的科學家和公眾。
今天很難想像1919年世界科學界的無限興奮之情。兩支觀測隊分別出發，一個派往巴西的索布拉爾，另一個由愛丁頓率領來到西班牙所屬圭那亞海岸附近的普林西比島。1919年秋，觀測數據進行了整理和分析後，在11月6日召開的英國皇家天文學學會和皇家學會的聯席會議上天文學家們宣佈：「星光確實按照愛因斯坦引力理論的預言發生了偏折。」皇家天文學會的側察部雜誌和《皇家學會會刊》都對歷史性的會議作了充分報道。著名科學家J．J．湯姆森是會議主席，他宣稱：這是「自牛頓以來引力理論的一項最重要的成果」，是「人類思想的最偉大的成就」。第二天，1919年11月7日，歷來嚴謹的英國《泰晤士報》赫然出現了醒目的標題：「科學中的革命」，兩個副標題是「宇宙新理論」，「牛頓觀念被推翻」。11月8日，《泰晤士報》又發表了另一篇論述革命的文章，標題為「科學革命」，「愛因斯坦挑戰牛頓」，「傑出物理學家的觀點」。文章告訴讀者，「這件事成了下議院熱烈討論的話題」；卓越的物理學家，皇家學會會員，劍橋大學J．拉莫爾教授「受到圍攻，要求對牛頓是否被擊敗，劍橋大學是否垮臺做出答覆」。荷蘭的報紙也迅速刊登了這一消息。H．A．洛倫茲在11月9日的《鹿特丹報》上發表文章，《紐約時報》立即翻譯轉載。11月23日，M．玻恩也在《法蘭克福大眾報》上發表文章。12月14日，愛因斯坦的照片刊登在《柏林畫報》週刊的封面上，照片下的文字說明宣稱：愛因斯坦開創了「人類自然觀的一場革命」；他的洞察力堪與哥白尼、開普勒和牛頓相比（佩斯1982，308）。在12月4日《自然》雜誌的一篇文章中，E．昆寧翰指出：愛因斯坦的「思想是革命性的」。
A．佩斯（1982，309）曾核查了自1919年11月9日開始《紐約時報》索引中有關愛因斯坦和相對論的文章標題或傳奇故事。「愛因斯坦理論的勝利」與「十二智者書」連接在一起（其中談到愛因斯坦警告出版商的話「全世界不會有再多的人懂得它」）。該報不僅刊登傳奇故事，而且還發表了社論，相關文章持續見報，直至當年12月佩斯發現，從那以後直到愛因斯坦去世，《紐約時報》沒有一年不刊登有關愛因斯坦的文章，愛因斯坦成了一位傳奇人物。當愛因斯坦1921年去倫敦時，霍爾丹勳爵在皇家科學院的一次演講中，把愛因斯坦引見給了大家。愛因斯坦住在霍爾丹的別墅裡，當愛因斯坦來到他家時，霍爾丹的女兒見到這位著名的客人後，竟「激動得昏了過去」（佩斯1982，312）。霍爾丹在皇家科學院介紹愛因斯坦時，談到在這次演講之前，愛因斯坦「已經到西敏寺大教堂瞻仰了牛頓的墓地」。
自那時起直至現在，科學家和非科學家，歷史學家和哲學家撰寫的著作都把（廣義和狹義）相對論與「革命」緊緊地聯繫在一起了。1912年，霍爾丹在他的著作《相對論時代》（第4章）中談到這個問題時寫道：「愛因斯坦開創了我們關於物理學觀念的革命」。對於哲學家K．波普爾（惠特羅1967，25）來說，愛因斯坦使「物理學革命化」。物理學家M．玻恩（1962，2）和S．伯吉亞（1979，82）的表述分別是：愛因斯坦的「革命時空觀」和「愛因斯坦革命」。玻恩（1965，2）還說：「IM年的狹義相對論」是標誌物理學「古典時期的終結和新紀元的開始」的一件大事。S．溫伯格（1979，22）認為，愛因斯坦最偉大的成就是，「他第一次把時間和空間納入了物理學的體系，從而脫離了形而上學的束縛」。按照數學家A．玻萊爾（1960，3）的說法，愛因斯坦「不僅帶給我們新的物理學理論，而且教給了我們認識世界的新方法」。因此，「凡是學習過他的理論的人，不可能再按他們過去的思維方式進行思考了」。西班牙哲學家J．0．伽塞特在他的著作中沒有明確使用革命一詞，但他卻宣稱：愛因斯坦的「相對論是當今最重要的智慧成果」。因此，愛因斯坦相對論在開創物理學革命的同時，也引起了一場哲學革命。
事實表明，廣義相對論比狹義相對論更能滿足本書第3章提出的科學革命的檢驗標準。但是，廣義相對論的發展史比起狹義相對論來更顯得艱難曲折。很長一個時期，只有天文學家（而且只是那些研究宇宙學的天文學家）對廣義相對論感興趣，物理學家則不然，S．溫伯格（1981，20）指出：「在最基本的層次上研究物質的物理學的全部現代理論，在很大程度上依靠兩大支柱」，一是「狹義相對論」，一是「量子力學」。塞格爾（1976，93）在回顧2O年代和30年代物理學家們的活動時，也特別指出：「與狹義相對論相對應的廣義相對論，目前尚不是物理學家們感興趣的前沿課題」。這也就是說，廣義相對論與狹義相對論不同，它對於當時主要的研究課題如物質理論和輻射理論並不是必須的。例如，在我30年代末攻讀物理學研究生時，幾乎所有的課程如原子物理學，量子力學甚至一些基礎課和專業基礎課都涉及到狹義相對論，但只有少數數學家（在G．D．伯克霍夫的激發下）研究廣義相對論。另外，廣義相對論暗示，建立得最為成功的理論物理學的一個分支——牛頓萬有引力理論——犯了一個根本性的錯誤或說它並不完整，而且廣義相對論還引進了「四維時空的彎曲」這一奇特的概念來解釋引力。我們應當懂得，偉大的1919年日蝕實驗只是定性地說明了光線傳播將受引力場的影響，更精確的日蝕實驗則是以後的事了。但是，在愛因斯坦最初提出的三項檢驗方法之外，再找到新的方法可能又要過去數十年。溫伯格曾指出，只有在「愛因斯坦建立他的理論40年之後」（溫伯格1981，21），才能構想出並完成新的更精確的實驗，證實廣義相對論。
第二次世界大戰結束後的幾十年間，世界發生了很大的變化，在實驗室進行精確的驗證實驗已經成為現實。於是，人們對引力的本質，引力與自然界的其它幾種基本力（電磁力，強相互作用，弱相互作用）的關係問題產生了新的興趣。龐大的物理學和天文學「工業」日益興起，集中研究廣義相對論及其在宇宙學和宇宙論研究中的應用。其他的物理學分支也是如此。結果正如S．溫伯格所預言的，人們一項重要的共識是，為了「弄懂超短距離的萬有引力」，還需要「另一次偉大的飛躍」（1981，24），另一次革命，「建立更加普遍適用的原理」，而目前我們對此還沒有任何概念。一句話，廣義相對論今天已成為科學家樂此不疲的研究課題，熱情之高或許是前所未有的。
量子論的創立：普朗克和愛因斯坦
量子論在許多重要的方面與相對論有所不同。幾乎每一個人都聽說過相對論和他的創立者A．愛因斯坦，但只有科學家和少數非科學家（他們不是學過科學，就是對科學感興趣。）知道量子論。然而，幾乎每一個涉及到物理學某一方面的人（不僅是物理學家，也包括化學家，天文學家，生物化學家，分子生物學家，冶金學家等）都會在他們各自的工作中經常性地應用量子論及其成果。在這方面，廣義相對論遠遠不能望其項背。量子論不僅廣泛滲透到許多學科中，而且也和相對論一樣，使我們的科學思想和科學哲學發生了根本變革。相對論和量子論的革命性很早就被人們認識到，但兩者都長時間處在理論革命階段。
量子論的發展經歷了三個主要階段：古典量子論（普朗克，愛因斯坦，玻爾，索未菲，康普頓），量子力學（德布羅意，薛定諤，海森伯，約爾丹，玻恩）以及最新的相對論量子力學或量子場論，前兩個階段均被視為革命。事實上，物理學家們感到很難找到足夠有力的言詞表述量子革命的深度和廣度。W．維斯考普夫（1973，441）認為，「M．普朗克發現量子這一壯舉，…創立了一門最富成果的學科，也是自然科學最具革命性的發展」。他補充說，在普朗克做出發現後的三十年間，「我們關於物質特性和行為的知識發生了廣泛而深遠的變革」，歷史上很少有哪個時期能與之相比。P．戴維斯（1980，9）寫道：「本世紀初，關於物質的量子論的出現導致科學和哲學發生了一場革命」。他指出，「耐人尋味的是，歷史上幾次最偉大的科學革命在很大程度上都不被一般人所注意」，他認為這是由於「革命所蘊含的摧枯拉朽之力幾乎超出了人們的想像——一甚至超過了科學革命本身。」（p．11）
量子論通常被視為創立於1900年，這一年，普朗克發表了他的「作用量子」的概念。普朗克不像愛因斯坦五年後所做的那樣，他沒有涉及光或輻射相互作用的過程。他探討的僅僅是容器壁上振動粒子的能量交換和黑體輻射問題。他通過研究發現，能量的交換是以跳躍的方式進行的，大小與能量值hv有關，這裡的h是普朗克首次引入的自然界的普遍恆量。正如T．S．庫恩所指出的，普朗克在1900年僅僅作了這樣的假定：能夠以頻率v振動的振蕩體（有形體，而非以太振動）的總能量可能是由一組與它們的頻率成正比的單元能量子的集合。與後來的光量子概念相比，這個假定是非常克制的。而光量子概念則指出，光是有一個個具有確定性質的分立實體組成的，每一個實體（即光量子）具有的能量為hv。
我們很容易理解普朗克為什麼沒有，哪怕是設想進一步做出更為實質性的假設：光是由分立的粒子或能量小球「組成的」。首先，這樣的假設對他的黑體輻射公式來說並不必要；其次，也是更重要的，它與19世紀建立的最為完善的物理學分支之———光學有著不可調和的矛盾和衝突。由麥克斯韋，赫茲以及其他人建立起來的光學理論表明，光（和各種電磁輻射）是一種波動現象，在空間傳播過程中始終振蕩著，顯然這與所謂的分立粒子的概念是絕對不相容的。事實上，當愛因斯坦五年後公佈他的光量子假說時，它本身就包含著概念上的困難。因為按照這個假說，光量子的能量取決於光的頻率，光的頻率又是通過測定波長換算的，而測定波長必須使用「干涉」技術，而這恰恰是幾十年前波動光學理論賴以建立的實驗基礎。
普朗克後來談到他大膽建立能量子概念時說，這是「孤注一擲的行動」（佩斯1982，370）。按照佩斯的說法，他的推理「是瘋狂的」，但這種「瘋狂卻是神聖的」，「只有最偉大的劃時代的人物才能把這種神聖的瘋狂引人科學」。這種精神使他做出「第一次偉大的觀念上的突破」，把我們這個時代的物理學與全部經典物理學區分開來；這種精神把一個非常保守的思想家「改造成一個有些猶豫不決的革命者」。儘管普朗克通常被描繪成一個違背自己意願，被迫邁出通向量子論關鍵性一步的物理學家，但他在許多場合下卻流露出對愛因斯坦和他自己工作所體現出的革命性的由衷稱讚。他對愛因斯坦相對論極盡讚美之辭（見霍爾頓1981，14），他在一次談話中說：「這種新的思維方式……遠遠高於理論科學研究，甚至知識論研究所取得的任何成就」。對普朗克來說，「相對論引發的一場物理學觀念的革命，在深度與廣度上只有哥白尼體係引發的天文學革命可與之相比」。普朗克在諾貝爾獎授獎儀式上所作的講演中說，「要麼作用量子是一個虛構的量，輻射定律的全部推導也是虛構的，不過是空洞而毫無意義的算術遊戲；要麼輻射定律的推導是以正確的物理概念為基礎」。他解釋說，如果是後者，那麼作用量子將「在物理學中起根本性的作用」。原因是，它「是一種嶄新的，前所未聞的事物，它要求從根本上修改我們自從牛頓和萊布尼茲在一切因果關係的連續性基礎上，創立了微積分以來的全部物理學概念」。在這篇演講中，謹慎的普朗克在談自己的工作時，沒有明確使用「革命」術語。愛因斯坦充分認識到普朗克在開創全新的物理學過程中的地位和貢獻。1918年，愛因斯坦推薦普朗克作為諾貝爾獎候選人，以表彰他「奠定了量子論的基礎，豐富了全部物理學，這在近年來表現得尤為明顯」（佩斯1982，371）。
M．玻恩在皇家學院為普朗克寫的悼詞中，描述了1900至1905年整個知識界的疾風暴雨之勢。玻恩「毫不懷疑」普朗克有關「作用量子的發現」，是「堪與伽利略和牛頓，法拉第和麥克斯韋開創的科學革命相媲美」的一件大事。他在早些時候曾寫道，「量子理論可以追溯到1900）年，那一年，普朗克宣佈了他的能量子或量子這一革命性概念」（196，l）。他宣稱，這件大事「對科學的發展是決定性的」，因此，「它通常被視為經典物理學和現代或量子物理學的分水嶺」。但玻恩（1948，169;171）提醒我們說，不要輕率地接受所謂「普遍承認」的觀點，即「普朗克做出偉大發現的1900年，標誌著物理學新紀元的真正到來」，因為「在新世紀的最初幾年，幾乎什麼事情也沒有發生過」。玻恩又說，「當時正是我作學生的時候，我記得在課堂上很少提及普朗克的觀點。即使偶爾提到了，也是作為一個理所當然應當被拋棄的『曇花一現的假說』。」玻恩特別強調愛因斯坦的兩篇論文（分別寫於1905和1907）的重要性。可是，儘管玻恩宣稱1900年後「普朗克已轉入別的研究領域」，但他「絕沒有忘掉他的量子」。1906年普朗克所寫的一篇關於熱輻射的論文表現了這一點，這篇論文「巧妙地展示了導致量子假說的一個步驟，給人以極深刻的印象」（玻恩1948，171）。
愛因斯坦在開創相對論革命的年代裡，還對量子論做出了根本性的貢獻，這充分說明了愛因斯坦的偉大之處。在1904年一篇關於統計物理學的論文中，愛因斯坦首次提到量子論。1906年，他再次以統計力學為主題進行了研究，建立了今天所謂的「固態量子論」。更為重要的是，正是他在1905年3月撰寫的論文標誌從普朗克潛在的革命思想到真正的科學革命的轉變，儘管還只是處在理論革命階段。1905年論文包含兩個根本性的假設：一個是，當光或「純」輻射在空間傳播過程中，它被構想成由分立的和單個的粒子或小球（量子）組成；另一個是，物質在輻射或吸收光（或任何形式的電磁輻射）的過程中，也是以同樣的量子形式進行的。這些假說不僅同普朗克1900年的假說相去甚遠，構成一場徹底的轉變，而且也與當時普遍接受的物理學理論有著根本性的衝突。佩斯（同上）認為，這項工作已成為「愛因斯坦對物理學最具革命性的貢獻」；它「推翻了關於光和物質相互作用的全部現存觀念」。我們已經看到，愛因斯坦本人特別把他的這項發現描述成「革命的」。
愛因斯坦1905年3月的論文題為「關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點」。「heuristic」一詞在物理學中很少使用，它主要是在哲學和教育學中使用，意思是某種假定（或說法）對發現和解釋有一定的幫助，但不必把它當真。按理說，愛因斯坦應該在1907年那篇相對論的論文和《狹義和廣義相對論淺說》（1917，英譯本1920）中再次使用這個詞彙，但他沒有這樣做。他之所以在論述光學的論文中引進這個詞，原因是他提出了一個可能並不存在的粒子性概念解釋光的大部分已知現象。光的波動學說是19世紀物理學取得的最偉大的成就之一，並且被光的干涉實驗所證實。克萊因援引別人的話說，愛因斯坦（克萊因1975，118）顯然是在提議「物理學家們放棄光的電磁波理論」，而這是「麥克斯韋的電磁場理論和全部19世紀物理學取得的最偉大的勝利」，除此之外，愛因斯坦的假說沒有任何實際意義。因此，愛因斯坦提出的只是臨時性的假說。
描述一種波動所用的基本參量是速度、波長和頻率。在愛因斯坦粒子假說的能量子hv概念中，頻率v 常常通過波動方程導出，而其中波長參數則運用「干涉」技術測定。但在光量子概念中，對於波動理論極其重要的參量波長對於粒子或光量子卻沒有明顯的物理意義。連續的或波動的特性與分立的或粒子的特性之間的對立是如此明顯，以至於愛因斯坦不得不在他的論文中寫上這樣的話：「假設我們的見解是符合實際的」。普朗克始終認為，光和其它形式電磁輻射是由波動構成的,因而是無限可分的：分立的能量元或量子只是連續波與物質化互作用產生的一種效應，例如在光的吸收扣輻射過程中所表現出的，但卻不是光波的基本特徵。其他物理學家也長期持這種看法。按照愛因斯坦1905年的假設，光本身正是由分立元或量子構成的，也就是說，光（和任何形式的電磁輻射）必定具有一種「細胞」狀的結構。在愛因斯坦的概念中，量子是光本身的基個特徵，而不是以在光和物質相互作用過程中才表現出來。儘管科學家和科學史家今大一般都稱「愛因斯坦的光量子理論」。但光子的概念是很晚才建立的，而且它另外還有動量的性質。而且，愛因斯坦直到臨終以前（如在去世前一周的一次採訪中）仍然堅持說，它「不是一個理論」，因為它不能為光學現象提供個圓滿的解釋。
儘管愛因斯坦的論文是假說性的，啟發性的，不完整的和理論上的，但其中確實有一節是極為重要的、確定的，可以通過直接實驗加以驗證。這部分是愛因斯坦對光電效應的討論光電效應現象是赫茲於1887年發現的．它的許多特性是P．勒納德於1902年觀察到的。在光電效應現象中，入射光照在金屬表面上會引發電子輻射。實驗表明、入射光必須超過某個頻率以後，才能打出電子；實驗還表明，不同金屬的「臨界」頻率是不同的。愛因斯坦指出，假設光是由分立的量子構成，那麼「最簡單的設想是」，一個「光量子把它的全部能量給予了單個電子」。如果光（或輻射〕是單色的，頻多為v ，則每個光量子的能量為hv。這個能量要做兩件事：克服金屬對電子的束縛力而作「功」（P）；給輻射電子一定的功能（E）；電子離開金屬表面時擁有的能量用公式表示就是：
E＋P＝hv
或
E＝hv－P．
愛因斯坦公式解釋了光電效應的一些規律。一個規律是，輻射電子的動能E與光的亮度或強度無關，而只取決於它的頻率。（愛因斯坦的解釋是，光強是光子數目的量度，表明輻射電子的數目，而非能量）。公式還揭示了輻射電子的能量E與入射光頻率v 之間的定量關係。另一個規律是，每一種金屬在光電輻射過程中，都有一個確定的最小頻率。愛因斯坦公式對此的解釋是：光電效應只有當頻率足夠大，使得hv 大於P時才會發生。
愛因斯坦的公式還預言：E直接根據v 的變化而變化；如果根據實驗給出動能與頻率的關係圖，那麼直線的斜率就是普朗克常數h。不久後，J、J．湯姆森的學生A．L．休斯以及其他一些人各自進行了驗證性實驗，結果證明了愛因斯坦公式的正確性。但真正的判決性的實驗是R.A．密立根做出的；這些實驗不僅確證了愛因斯坦公式，而且得到了一個新的，很精確的普朗克常數h（見惠頓1983）。
密立根關於這些實驗的論文（1916）是相當奇特的。儘管他承認「在每一個場合」，愛因斯坦的「光電效應公式」均能夠「精確地預言實驗的觀測結果」，但他又稱，愛因斯坦賴以推導出這個公式的「半微粒理論，目前似乎完全站不住腳」。他在當年又一次重複了他的立場，指出愛因斯坦的「電磁光細胞假說」是「大膽的」，實際上「也是粗糙的」。在《論電子》（1917）一書中，密立根寫道，愛因斯坦公式是「一個和支持他的假說一樣大膽的預言」，但愛因斯坦這個激進的預言完全沒有「邏輯基礎」。密立根說，結果發現「愛因斯坦的這個公式」竟然能夠『精確地預言」密立根和其他人「通過實驗獲得的事實」，這是多麼令人驚奇！在他的書裡，嚴然是一個革命的敵人的密立根，並沒有實事求是地告訴他的讀者，他本人進行這些實驗的目的是推翻愛因斯坦公式，也包括公式賴以建立的光量子假說。1949年，密立根承認在他的一生中曾花了十年時間「檢驗愛因斯坦1905年的公式」。他寫道，「結果和我所有的預期相反，在1915年我不得不宣佈它無異議地被實驗證實，儘管它似乎不合常理。」
密立根（1948，344）清楚地表達了他反對愛因斯坦光量子概念的理由：它們「似乎完全違背了我們關於光的干涉現象的全部知識」，以及波動理論的實驗基礎。1911年；愛因斯坦本人感到，他必須公開「聲明光量子概念的權宜性特徵」，因為它「似乎無法與已經得到完全證實的波動理論協調一致」。佩斯發現，愛因斯坦的謹慎「幾乎被誤解為他的猶豫不決」，這一事實可以解釋許多令人不解的現象。例如，愛因斯坦的擁護者馮·勞厄1907年在寫給愛因斯坦的信中說，他聽說愛因斯坦「放棄了他的光量子假說」後很高興。馮·勞厄並非唯一產生誤解的人。1912年索末菲說，愛因斯坦不再堅持「他（1905）提出的大膽的觀點了」。而密立根在1913年宣稱，「我相信」愛因斯坦「大約在兩年前，…已放棄了」他的光量子概念。1916年，密立根又一次宣稱，儘管實驗證實了愛因斯坦公式，但它所依據的「物理學理論」被證明是「完全站不住腳的，因此我相信，愛因斯坦本人也不再堅持它了」。但深入研究過愛因斯坦論文和信件的佩斯指出，「沒有任何證據表明他在某個時候放棄過他的1905年所做的任何宣言」。R．斯圖威爾（1975，75－77）於1975年以令人信服的證據宣佈，愛因斯坦從未對他的光量子假說有過任何動搖，事實上，他本人對此「越來越深信不疑」。
直至1918年，盧瑟福（見佩斯1982，386）還說，「能量與頻率之間的這種明顯聯繫，物理學至今還不能做出解釋。」佩斯在研究這段插曲時指出，「甚至在光電效應預言被證實和接受之後，除了愛因斯坦本人外，幾乎沒有任何人在光量子方面做過任何工作」。作為證據，佩斯引證了1922年愛因斯坦獲諾貝爾獎金時的賀詞。愛因斯坦不是因為他的相對論，也不是他的光量子理論，而是「因對理論物理學所做的貢獻，特別是因發現了光電效應定律而獲獎。」因此，我們只能得出這樣的結論，愛因斯坦的革命性貢獻當時只是停留在理論革命階段，並未得到實際上的支持。
密立根企圖否定愛因斯坦新觀念這件事，不能簡單地以此認為當時的物理學界普遍存在著反對愛因斯坦開創性觀點的潮流。對愛因斯坦理論觀點的一般態度是不予理睬，而不是積極論戰。作為一個真正偉大的科學家，密立根確實是一個例外。1913年，一份推薦愛因斯坦當選普魯士科學院院土的正式文件，反映了當時物理學界的一般態度。在這份文件上簽名的是四位偉大的科學家和愛因斯坦的支持者，他們是M．普朗克，W．能斯特，H．魯本斯，和E．華伯。這份發表於1962年文件（見佩斯1982，382）高度評價了愛因斯坦的傑出貢獻，它甚至宣稱：「在大大豐富現代物理學的每一個重大研究領域中，愛因斯坦幾乎對每一個重大問題都做出了傑出貢獻。」然後，他們感到應該原諒愛因斯坦「有時……也會在他的思索中失去目標」，例如「他的光量子假說」，在談到原諒這一過失時，他們補充說：「即使在最精密的科學中，沒有一點冒險精神，也是不可能引進全新的思想的。」即使荷馬也有弄錯的時候。
量子論和光譜：玻爾原子模型
前面談到的並非量子論發展的唯一線索。1912年，在曼徹斯特盧瑟福實驗室工作的一位年輕的丹麥人提出了一個全新的、革命性的原子模型。N．玻爾最初接觸的是盧瑟福的原子模型，它如同一個高度縮小的太陽系，中央原子核周圍是「軌道行星」一樣的電子。玻爾模型的革命性在於，新的「原子模型」能夠解釋一定頻率的光的輻射和吸收。他採用了普朗克的輻射理論，即能量「明顯可分的輻射」是存在的。然後他指出，「普朗克關於原子系統行為的理論之普遍適用性，是愛因斯坦最早指出的，「並得到了其他物理學家的發展。眾所周知的事實是，玻爾假設：處在穩定軌道上的電子既不發生輻射也不吸收能量，但當它從一個穩定軌道「躍遷」到另一能量較低的軌道時，原子就會輻射出一個光量子；反之，當電子吸收一個光量於時，它將「躍遷到能量較高的軌道上。玻爾指出，以此為基礎，他能夠推導出幾個已知的光譜學定律。這就是著名的、革命性的「古典」量子論的起源。
很難判斷被爾當初是如何看待自己理論的革命性的。從1913年到1924年，他肯定在嘗試盡可能使他的理論包容更多的經典概念，以使其以「符合偉大傳統」的形態出現。然而，玻爾在談到他最初的理論時，只是稱其為原子「模型」，這使人想起了愛因斯坦在1905年他的光量子論文中使用的特定的用語「啟發性」。到了20年代初，幾乎沒有任何人懷疑玻爾理論的革命性，絕大多數哲學家都意識到了這一點。玻爾理論後來的發展包括，從單電子原子（氫）擴展為雙電子原子（氦）；引進橢圓軌道的概念。許多物理學家對這一偉大理論的發展做出了貢獻，除玻爾外，另一位重要的人物是A．索未菲。同所有革命性的科學思想一樣，玻爾的量子論也沒有立即得到科學界的普遍接受，儘管他與實驗發現的規律在數值上符合得更好。或許這種推遲的原因並非由於玻爾原子模型和光譜量子論本質的革命性，而是由於第一次世界大戰的影響。大戰後，幾乎每一個著名的科學家都對量於論發展的重要結果產生了濃厚的興趣。
玻爾理論本質上是與愛因斯坦的理論聯繫在一起的，因為二者都假定電子與光子相互作用的方式是一對一的。在表述光電效應時，愛因斯坦考慮了光子具有足夠的能量引起吸能電子輻射並脫離物質表面的情況，而這種情況在玻爾理論中是一種極端條件間離子化）；當光子能量較小時，電子不會脫離原子，僅僅「躍遷」到更高的軌道。玻爾理論中令人難以置信的困難是所謂分立態與定態概念，也就是軌道的概念。而且，正如愛因斯坦一樣，玻爾也提出了一個直接同麥克斯韋物理學基本原理相矛盾的假設。麥克斯韋認為，在電場（原子核周圍的正電場）中運動的帶電體（電子）必然發生輻射。按照所有已被接受的物理學原理，一個軌道電子必然會因為輻射的緣故不斷地減少它的能量，那麼它的運動軌道也就會不斷地降低直至最終落入原子核內。但玻爾假定，一個電子能夠在穩定的軌道上繞原子核旋轉，而不會釋放能量而發生輻射，這就是影響這一理論被接受的主要障礙。M．V．勞厄就是反對者之一，他懷疑玻爾理論的主要理由是其直接違反麥克斯韋物理學。
那些在3O年代開始學習物理學的人如我本人，一定會回憶起當時的情景。那時，量子論課程（以及許多教科書）的特點之一就是先進行一番歷史回顧，然後才開始正題。在歷史回顧中，學生們可以一步步地瞭解到古典輻射理論（包括能量均分原理）的失敗以及（普朗克和愛因斯坦開創的）量子論發展的各個階段。然後，討論光譜學原理和玻爾理論對這些原理的闡釋，接著是索末菲將玻爾理論中的圓軌道發展成橢圓軌道。這一階段往往特別強調密立根，弗蘭克和赫茲的實驗的歷史意義。最後，學生們會逐步學到電子的自旋，量子數的概念以及偉大的泡利不相容原理。現在看來，之所以對量子論被接受的原因進行歷史考察，是因為授課的教授們和教科書的作者們感到有必要讓學生們瞭解前輩科學家們的經歷，他們是如何轉變的，是如何被迫接受一個全新的觀念與尚不完善的物理學基礎的。這就是量子論革命性質的一個標誌。
深入研究玻爾1913年至1923年發表的著述可以發現，儘管他運用了普朗克常數並涉及愛因斯坦的光電效應理論，但他並沒有明確宣佈贊同光量子理論。這就是說，他的工作主要是研究電子軌道（也就是能級）發生變化時光的吸收和輻射問題，而不涉及光的本性和光的傳播。在其原始論文（1913）中，玻爾承認了他引進了一個「與經典電動力學原理不相容的量，即普朗克常數」（見霍爾頓和庫恩1969；米勒1984）。現在看來，玻爾理論似乎是經典力學用於確定穩定態的量子化概念以及不連續假設的奇異結合。玻爾（1963，8）顯然明白，他的「原子模型」尚不完善，是不完整的初級形式，因為它的「基本思想與經典電動力學理論那些久經考驗的，備受讚美的原理相衝突」。正如M．克萊因所發現的，1910年至1913年間，像M．普朗克和H．A．洛倫茲這樣的科學家對愛因斯坦的光量子理論提出的最尖銳的批評也只限於「光量子說完全不能解釋光的干涉和衍射現象」（1970）。玻爾本人在1913年的一次演說中說，原子釋放的是純輻射而不是光量子。從1913年到大約1920年，玻爾一直嘗試著把經典的光的波動理論與原子輻射理論協調起來，最終建立了他所謂的「對應原理」。但A．索未菲1922年在他的頗有影響的論文《原子結構和光譜線》中，對應原理唯一使他驚奇的是，「保留了那麼多的波動理論，甚至在絕對是量子特性的光譜過程中也是如此」（p．254）。索未菲最後說，「現代物理學目前正面臨著不可調和的矛盾。」（p．56）玻爾本人甚至提議拋棄他所說的「所謂的光量子假說」。對這個激動人心的年代進行探討不僅看到在企圖建立一個與原子模型有關的，令人滿意的光譜學量子論過程中產生了多麼大的混亂，而且還表明將革命的新觀念同經典物理學結合起來是多麼困難。索末菲（1922，254）指出，現代物理學必須勇敢地承認新與舊之間的矛盾，應當「坦率地承認它們的非相容性」，W．泡利對這個觀點極為贊同。
玻爾理論符合科學革命的全部檢驗標準。例如，1929年盧瑟福在一封發表於《自然科學》雜誌的信中宣稱，「玻爾教授大膽地運用量子論解釋光譜的產生」，構成了一場革命，他說玻爾的理論是「普朗克假說的直接發展，對物理學具有深刻的革命意義」，1969年，J．考克羅夫特爵士指出，玻爾把「經典力學和量子論結合起來描述電子軌道的運動」是一次偉大的發展，它「促使原子理論革命化」。同笛卡爾革命一樣，玻爾革命並沒有持續多久。正如當年笛卡爾的工作後來得到了揚棄和發展，玻爾理論的某些基本內容合併到另一場革命，量子力學革命中去。在量子革命過程中，玻爾革命可以被視為第一階段。
通向量子力學：偉大的量子革命
1926年，愛因斯坦的光量子概念獲得了「光子」的稱謂。光子一詞是美國物理化學家G．N．劉易斯建立的，但他用來描述與光電子略有不同的概念。儘管劉易斯原來的概念早已被拋棄了，但光子卻迅速成為物理學中的一個標準詞彙（見斯圖威爾1975，325）。可是，20年代中期的光子概念與愛因斯坦原來的光量子不同，它還包括某種特殊的性質，其中最重要的就是動量，這一點愛因斯坦最初並未考慮，但他確實在1916年引進了動量（P=hv/c）特性；這個概念甚至早在1909年就已出現在J．斯塔克的一篇論文中（見佩斯1982，409）。光子可能具有動量的思想是P．德拜和A．H．康普頓於1923年提出的。事實上，康普頓還做出了現代物理學的一項最轟動的發現，即今天以他的名字命名的康普頓效應。康普頓依據無可辯駁的實驗事實證明：「輻射量子帶有方向性的動量和能量」（斯圖威爾leqs，232）。L．斯圖威爾回顧了這項工作的歷史，他指出康普頓的動機與十年前的密立根不同，不是檢驗愛因斯坦的預言。斯圖威爾還發現，A．索未菲在lop年10月9日寫給康普頓的賀信中，首次使用了「康普頓效應」這一術語。索未菲還透露，康普頓的結果是頭一年夏天他與愛因斯坦「討論的主要問題」。
儘管康普頓的結果最初也引起了一些爭論，但人們（如海森伯）很快就認識到，康普頓效應不僅是輻射量子論的轉折點，而且是全部物理學的轉折點。康普頓很早就意識到自己工作的革命性。1923年，康普頓在美國科學促進協會所作的演講（這篇演講於1924年發表於《富蘭克林研究所雜誌》上）中坦稱，他的發現「使我們關於電磁波傳播過程的概念，發生了革命性的變化。」然而，當他在《國家科學院院刊》（9：350－362）上發表的另一篇文章中卻說：「目前的衍射量子概念絕沒有衝擊」經典波動理論。愛因斯坦終於看到了自己的觀念得到了證實，他宣佈，現在有兩種不同的光本性理論：波動性和粒子性，「二者都是不可缺少的，而且人們必須承認，它們沒有任何邏輯聯繫，儘管二十年來，理論物理學家作了巨大的努力（試圖找到某種聯繫）。」
大約在同一時期，L．德布羅意在康普頓成就的鼓舞和啟發下，提出了物質波的概念。在1923年發表的論文中，他引用了「康普頓的最新結果」，以及光電效應和玻爾理論作為他確信波粒二象性的理由，他宣佈，愛因斯坦的光量子概念是「絕對普適的」。愛因斯坦，玻爾以及康普頓的工作啟發他接受了「光量子的客觀實在性」。
德布羅意沒有從物理意義上闡述光的波粒二象性，但他堅信這種二象性是自然界的普遍特性，即使普通物質（如電子）也是同時具有粒子性和波動性，這一革命性的概念是德布羅意在他的博士論文中（1924年11月25日提交）首次建立的，而後，愛因斯坦對它作了進一步的發展。值得指出的是，正是愛因斯坦的工作引起了薛定諤對物質波的重視（見惠頓1983）。美國科學家戴維遜和革末以及英國的G.P.湯姆森（J．J．湯姆森之子）所作的實驗證實了德布羅意的假說。而更為重要的是，它是新量子力學的前奏，而量子力學是與薛定諤和海森伯的名字聯繫在一起的（見克萊因1964；雅莫爾1966；拉曼和福曼1969；斯圖威爾1975，以及米勒1984）。這一新的科學革命（特別是在M．玻恩引進了幾率波的概念之後）的偉大意義在於，量子力學在20世紀後半葉成為物理學和自然科學的核心內容。
科學史上有這樣一個眾所周知的事實，從20年代開始，愛因斯坦拒絕接受量子力學，認為它不過是對自然界的「權宜」性說明，從而使得愛因斯坦與整個物理學界產生了分歧。愛因斯坦反對的主要觀點是，新物理學引進幾率思想作為它的基礎缺乏經典的因果性和確定性，以及由此導致的描述自然界的不完備性（這似乎是完全對他本人而言）。儘管如此，愛因斯坦認識到量子力學是物理學發展的一大進步，雖然它是一個權宜性的假說。他向諾貝爾評獎委員會推薦量子力學的共同創建者薛定諤和海森伯為候選人（見佩斯1982，515）。耐人尋味的是，愛因斯坦本人曾對量子力學的統計學基礎做出了重要貢獻。
量子力學革命，或第二次量子革命的歷史，以及它從潛在的革命性到理論革命到科學革命階段的迅速轉變，很自然成了本書一章的研究主題。量子力學對物理學發展的革命意義在過去的半個世紀中表現得已經很明顯。這些發展對科學和思維方式的重要性，近幾十年幾乎任何一本科學哲學著作都對它作了深入闡述（見玻恩1949；戴維斯1980；費困曼1965；雅莫爾1974和蘇帕爾1977）。
古典量子論的最後堡壘
在本章結束之前，我們介紹一個嚴肅的插曲，它能夠說明愛因斯坦光量子概念的真正革命性質。1924年，也就是康普頓宣佈康普頓效應的發現一年之後，玻爾（同H．A．克拉摩和J．C．斯拉特一道）發表了一篇論文，旨在反對光子概念。玻爾在他的原子理論中採用了量子概念，而這一原子理論很快得到了普遍接受並使物理學的這一學科發生了革命性的變化。當時，量子論中還存在著許多無法解釋的困難問題，直到幾年後建立了量子力學，這些問題才得到解決。但玻爾理論同普朗克最初的量子論一樣，本身並沒有涉及到「自由輻射場」，也就是光或其它電子輻射在空間的量子化問題。愛因斯坦1905年的論文發表後的二十年間，玻爾和許多物理學家一樣，他們雖然接受了量子論，但只承認光在輻射和吸收時的量子化，而不是光本身的量子化。他們必須記住，大量實驗（包括干涉實驗和衍射實驗）以似乎無懈可擊的證據證明了光的連續波動傳播。
玻爾-克拉摩-斯拉特假說是玻爾最後一次堅持他反對用量子論對光作一般性描述的立場。他堅信，他自己的「對應原理」能在輻射和吸收量子論和已經廣為認可的電磁波傳播理論之間的鴻溝上架起一座橋樑。在1919年及其以後的幾年中，他甚至表達過這樣的願望：如果對維護「我們的經典輻射理論」有必要的話，他將不惜邁出最為極端的一步——放棄能量守恆原理（見斯圖威爾1975，222）。
1922年12月11日，他在諾貝爾獎頒獎儀式上作演講時，再次提到了這個問題。當時他解釋說：「近年來，愛因斯坦理論的預言已經得到了……精確的實驗證實。」但他又立刻補充說：「儘管具有啟發性意義」，但愛因斯坦的「光量子假說」與所謂的干涉現象「完全不能相容」，因此，不可能在輻射本質意義上解釋光。「這成了1924年的玻爾-克拉摩-斯拉特論文的主題，論文的主要目的是：探索輻射特性的原因，「但並不涉及任何與光在自由空間傳播定律相背離的光的電磁波理論」，而只研究「虛輻射場與發光原子相互作用這一特例」。這篇論文中，作者聲明：在單次原子相互作用過程中，他們將「拋棄…能量與動量守恆原理的一個直接運用」，他們認為，守恆原理僅在宏觀統計水平上是有效的，對單個原子並不適用。在此前兩年，索未菲曾說過：拋棄能量守恆原理可能是醫治光的波粒二象性疾病「最好的藥方」（佩斯1982，419）。幾年後，海森伯（1929）在評述這段歷史時指出，「玻爾-克拉摩-斯拉特理論代表了古典量子論危機的頂點」（佩斯1982，419）；按照佩斯的說法，它是「古典量子論的最後一座堡壘」。
斯拉特後來在致B．L．F．D．瓦爾登的信中說，「能量和動量統計守恆的思想」是由「玻爾和克拉磨上升為理論的，這和我更好的見解完全相反」（斯圖威爾1975，292）。斯拉特指出，玻爾和克拉摩有充分的理由說明「在當時的條件下，沒有任何現象需要假定空間中光微粒（或量子）的存在。」斯拉特「對拋棄量子論獲得的益處同放棄能量守恆和因果律造成的損失作了比較，終於被所獲得力學機制的簡單性所征服」。
否定這一理論的意見「非常之多」（斯圖威爾&7）。然而，真正的答案並沒有在理論討論中出現，而是來自於直接的實驗。關於實驗結果，我們不妨引用赫胥黎曾經說過的話：「一個漂亮的假說被一個醜陋的事實扼殺了。」實驗毋庸置疑地證明，能量和動量守恆定律即使在單一原子層次上也是有效的。這一判決性實驗採用的正是康普頓效應技術。第一批實驗結果是柏林的W．玻特和H．蓋革獲得的，而後，A．H．康普頓和A．W．西蒙得到了更為精確的結果。1925年4月21日，玻爾一聽到這個消息，立即寫到：「目前最迫切的事情是，給我們革命性的努力以盡可能體面的葬禮」（見斯圖威爾1975，301；佩斯1982，421）。同年7月，他在《物理學雜誌》上發表文章，兩次提到了革命。他寫到，「我們必須為這樣的事實作好準備：經典電動力學理論所需要的推廣，要求對那些迄今為止一直描述自然的概念進行革命性的變革」。這段插曲和玻爾對他的議論，也許正顯示了量子論的巨大威力，它是那樣偉大以致於使人們不自覺地使用革命的語言。
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