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爱因斯坦是现代历史上最著名的科学家，他的知名度和影响力远远超出了科学界，几乎是妇孺皆知。很多普通民众未必真了解光电效应、光速恒定、E=mc²、广义相对论是什么意思，但是都把他视为那种百年不遇、横空出世，以一己之力改变了科学发展的划时代人物，在他那天才的大脑中有太多与众不同的奇思妙想，远胜于同时代的那些“庸碌之辈”。但实际上这是完全的误解，与爱因斯坦的同时代的科学家们做出了大量新贡献，其中许多人直接启发了爱因斯坦，推动了这些进步。爱因斯坦是时代的集大成者，但绝不是一个孤独的天才。
一种流行的说法是，爱因斯坦是一个被排斥的辍学者，他自学了所有他需要知道的东西，同时自行产生了那些绝妙的想法，在许多重要方面彻底改变了物理学领域，正是凭着他的力量，将物理学从牛顿以来的停滞状态中拉了出来，带入了20世纪。但是真实的故事绝不是这样的，爱因斯坦的经历处处向我们展示了他是如何与同学、同事、同行进行交流、学习、碰撞，最终取得成就的。
爱因斯坦出生于德国，在1890年代末移居瑞士，专门学习物理和数学。17岁时，他就读于苏黎世的数学和物理教学文凭课程班，并于1900年毕业。“教学文凭课程班”听起来好像毫无气势，但现在它叫苏黎世联邦理工学院，累计已有 22 位诺贝尔奖获得者，包括爱因斯坦。
爱因斯坦也确实在瑞士专利局工作，并没有放弃学业。此外，是他的朋友兼同学马塞尔·格罗斯曼通过他父亲的关系为爱因斯坦找到了这份工作。格罗斯曼本可以自己得到这份工作，但他拒绝了，因为他已经找到了教职来支付研究生教育的费用。因此，那种说他在专利局工作时利用业余时间改变物理学的说法很可笑。
1896年，爱因斯坦被苏黎世理工学院录取，并于1900年毕业：在全班5名学生中名列第4。尽管他最出名、最负盛名的教授们并不看重他，但他最终超越了所有人。
图源：苏黎世理工学院
就在他毕业之后仅仅五年的1905年，爱因斯坦发表了一系列论文，这些论文后来彻底改变了物理学的许多领域，被称为他的“奇迹年”。这一年的论文集中于四个主题中：
解释了光电效应（他因此获得 1922 年诺贝尔奖），
提出质量-能量等价性，
提出了狭义相对论，
详细描述了分子的布朗运动。
但这并非凭空产生，而是物理学发展已经到了一个厚积薄发的井喷时期。数十年来已经存在的一系列已知证据，要求物理学家超越牛顿的思想来更全面地解释现实。
牛顿宇宙是在爱因斯坦之前二百多年提出的，其本质是一种确定论。理论上，面对任何粒子系统，只要能描述它们的位置、动量和质量，就可以看到整个系统如何随时间演变。凭借无限的计算能力，可以计算每个粒子在每个时刻的属性，精度任意。麦克斯韦方程将电磁学带入了与牛顿引力和牛顿力学相同的领域，在爱因斯坦出生时形成了物理学的基础支柱。
麦克斯韦（1831-1879），苏格兰物理学家，创立了电磁场理论，统一了电与磁，并预言光是一种电磁波。爱因斯坦本人盛赞了麦克斯韦，称其对物理学做出了“自牛顿时代以来最深刻、最有成效的变革”。
谜题出现了，并且在19世纪最后几十年广为人知（实际上远不止“两朵乌云”）：
人们已经发现了放射性，并且知道任何原子衰变的时间都是随机的。
某些放射性衰变违反了质量守恒定律；在衰变过程中，质量实际上有所损失，并发射出β粒子（电子）。
众所周知，当物体以接近光速运动时，它们并不遵循牛顿运动定律：时间膨胀和长度收缩已经被发现和描述。
除此之外，试图测量地球通过以太运动的迈克尔逊-莫雷实验也得出了无效结果，完全否定了以太的存在。
或许最重要的是，当使用牛顿力学详细计算水星轨道的进动时——考虑行星和卫星的引力以及地球春分点的周期性变化——它与观测值之间存在微小但重要的差异：每世纪 43 角秒。
这幅图显示了行星绕太阳轨道的进动。太阳系中，一小部分进动是由广义相对论引起的；水星每世纪进动 43 角秒，是所有行星中最大的。虽然总进动率为每世纪 5600 角秒，但其中 5025 角秒是由春分点进动引起的，532 角秒是由太阳系中其他行星的影响引起的。如果没有广义相对论，最后的每世纪 43 角秒是无法解释的。
来源：WillowW/Wikimedia Commons
不可否认的是，爱因斯坦在1905年发表的几篇论文为他进入前沿物理学界打下了良好的基础。然而，爱因斯坦自毕业以来就一直致力于物理学研究。他在专利局的工作主要是研究电气和机电设备，包括电信号传输和同步设备。他与一群物理学和数学朋友一起自学物理，包括恩斯特·马赫和亨利·庞加莱的有影响力的著作。由于他在校期间的学习，他获得了苏黎世大学博士学位，论文题目为《 分子尺寸的新测定》，论文指导教授是阿尔弗雷德·克莱纳。
“奇迹年”的一系列成果并非凭空而来。恰恰相反，爱因斯坦受益于朋友、同事、老师和导师， 他的第一任妻子、也是他的同学米列娃·马利奇（Mileva Marić）的合作努力 （她的贡献很少被人提及），以及这段时间许多其他人的意见。
米列娃·马利奇（1875年12月19日—1948年8月4日）
他的崭新理论并非凭空而来，而是建立在普朗克、洛伦兹、菲茨杰拉德、汤姆逊、赫维赛德、哈森诺尔和庞加莱早期思想的基础上。事实上， 庞加莱早在1900年就独立推导出了 E=mc²；爱因斯坦很可能在学习小组中读过这篇论文。
庞加莱（1854-1912），法国数学家和物理学家，被誉为“最后一位全才”
爱因斯坦在名声大噪之后，是否就“傲立群雄”，开始独自探索真理之路，直到十年后的1915年提出广义相对论呢？根据你可能听说过的关于他的传奇故事，爱因斯坦在 1907 年左右突然想到了所谓的“最快乐的想法”，从而提出了广义相对论和革命性的引力概念，认为引力根植于弯曲的时空。
当然，这个“最幸福的想法”只属于爱因斯坦。但是这是否直接使他提出了广义相对论？实际上，如果没有爱因斯坦许多同时代人的努力，即使是等效原理也只不过是一个伟大的想法。爱因斯坦本科时期的老师赫尔曼·闵可夫斯基迷恋狭义相对论，他很惊讶自己曾经教过的爱因斯坦竟然也提出了狭义相对论。闵可夫斯基写道：“对我来说，这是一个巨大的惊喜，因为在学生时代，爱因斯坦一直是个懒人。他根本不关心数学。”后来，闵可夫斯基以爱因斯坦的狭义相对论为基础，发展了时空的概念。通过将空间和时间置于相同的数学基础上，闵可夫斯基为广义相对论的数学发展奠定了基础。
德国数学家 赫尔曼·闵可夫斯基（1864年6月22日—1909年1月12日）
从概念上讲，爱因斯坦的“最快乐的想法”之前是亨利·庞加莱的一些令人着迷的工作，爱因斯坦很可能意识到了这一点。庞加莱意识到，水星的轨道不仅需要对地球的进动分点和太阳系中其他天体的引力影响进行修正，而且作为速度最快的行星，水星相对于光速的速度不容忽视。（水星绕太阳运行的速度约为光速的 0.016%）。随着狭义相对论的出现，庞加莱意识到水星将经历时间膨胀，并且在其绕太阳运动的方向上将出现长度收缩。当他将狭义相对论应用于水星轨道时，他发现只需添加这一效应，就可以解释观察到的额外进动的约20%。
那么，肯定是爱因斯坦独自一人，第一个构建了将引力与时空这一新概念结合起来的物理理论，对吧？并不是。
这种物理理论的想法根本不是爱因斯坦的主意，而是他的老朋友兼同学马塞尔·格罗斯曼的主意。爱因斯坦提出了等效原理的想法，而格罗斯曼则提出了用非欧几里得几何作为底层时空结构来描述宇宙的想法。
毕竟，这是格罗斯曼的专长：黎曼几何，其中两条平行线不一定总是保持平行，但可以汇聚、相交或发散并越来越远，这取决于底层几何。微分几何和张量微积分正是描述爱因斯坦试图描绘的宇宙所需的语言，而格罗斯曼是将它们整合在一起的人。这篇名为 《广义相对论和引力理论概要》的论文是两篇将广义相对论确立为引力理论的基础论文中的第一篇，爱因斯坦提供了该理论的“物理部分”，格罗斯曼提供了该理论的“数学部分”。
与牛顿关于任何两个物体之间视线方向上瞬时力的图景不同，爱因斯坦将引力视为一种扭曲的时空结构，其中单个粒子按照广义相对论的预测在弯曲的空间中移动。在爱因斯坦的图景中，引力根本不是瞬时的，而是必须以有限的速度传播：引力速度，与光速相同。
图源：LIGO 科学合作组织、T. Pyle、加州理工学院/麻省理工学院
需要指出的是，尽管爱因斯坦“军功章的一半”要授予格罗斯曼，但格罗斯曼本人的贡献即使从纯数学的角度来看，也是站在巨人的肩膀上。绝对微积分作为一个数学领域，由 埃尔温·克里斯托弗 (Elwin Christoffel) 于 1869 年创立 ，直到 1900 年才由 格雷戈里奥·里奇 (Gregorio Ricci) 和图利奥·列维-奇维塔 (Tullio Levi-Civita)完成。（这些姓氏 - 克里斯托弗、里奇和列维-奇维塔 - 对所有研究广义相对论的人来说仍然很熟悉。）当时有许多数学家正在研究这个领域，其中一位，传奇人物大卫·希尔伯特 (David Hilbert)，几乎比爱因斯坦本人更早得出了描述宇宙引力的方程式。
德国数学家大卫·希尔伯特（1862年1月23日—1943年2月14日），被誉为“现代数学之父”之一。
在每个涉及机械运动的物理理论中，都有一个可以定义的量 — — 作用量 — — 必须将该量最小化，才能确定物体的路径。在牛顿力学中，哈密顿最小作用量原理导致了运动方程；在广义相对论的背景下，必须发现一种新的作用量原理。该作用量原理由爱因斯坦和希尔伯特大约在同一时间独立提出，今天被称为爱因斯坦-希尔伯特作用量。当这个作用量原理正确地应用于系统物理学时，就产生了现代爱因斯坦场方程。
爱因斯坦场方程壁画，其中描绘了光线绕日食弯曲的现象：这是广义相对论首次被理论提出四年后（即 1919 年）首次被证实的关键观测结果。左侧显示爱因斯坦张量分解为里奇张量和里奇标量，之后添加了宇宙常数项。如果不包含该常数，宇宙膨胀（或坍缩）将是不可避免的结果。
图源：维索茨基/维基共享资源
如上所述，正是因为爱因斯坦拥有足够的教育背景，他才能够以一种自洽、不矛盾的方式处理各种各样的问题。正是因为他的朋友和合作者，接触到了帮助他进步而不是停滞不前的各种思想。正是他愿意甚至渴望接受他人的意见和专业知识，给他带来了灵感，使他能够将这些想法融入自己的工作中。如果没有他的合作精神，即使是他最优秀的想法也可能不会发芽成为天才的作品。一颗富有洞察力的点子只是开始；将它培育完善为一个成熟的理论才是困难的部分。
动画展示了质量穿过时空时如何响应，有助于展示时空在质量上不仅仅是一块织物。相反，整个三维空间本身都会因宇宙中物质和能量的存在和特性而弯曲。空间不会在任何地方瞬间“改变形状”，而是受到重力传播速度的限制：光速。广义相对论是相对论不变的，量子场论也是如此，这意味着即使不同的观察者对他们测量的内容意见不一，但只要正确转换，他们的所有测量结果都是一致的。
图源：LucasVB
我曾经将爱因斯坦的理论与许多不太出名的科学家为解决类似问题所做的努力进行了比较，结论是，即便没有爱因斯坦，这些理论也终将出现。就像 20 世纪许多最著名的进步也被不太公平的归功于一个人一样：乔治·勒梅特和霍华德·罗伯逊各自独立于埃德温·哈勃构建了膨胀的宇宙；朝永振一郎独立于朱利安·施温格和理查德·费曼研究了量子电动力学；罗伯特·布劳特和阿列克谢·斯塔罗宾斯基各自发表了论文，对我们现在所知的宇宙膨胀有了关键的认识，这远早于艾伦·古斯的革命性论文。
也就是说，如果没有爱因斯坦，我们也会有广义相对论，因为尽管他的工作具有革命性，但它并不是一个独特的思路。即使在当时，也有许多人在同样的方向上进行思考。需要指出的是，虽然有许多被物理学折磨的学生喜欢引用爱因斯坦“想象力比知识更重要”的名言来为自己开脱，但实际上他的巨大成就来源于没有偏重，两者都是他进步的基础，如果没有持续不断的学习和交流，他就只是一个“有想法的人”。即使对于爱因斯坦来说，真正的专业知识和勤奋工作也是必不可少的，是将他的想法发展为成熟理论的必需工具。
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