編者按：安德魯·梅（Andrew May）擁有英國曼徹斯特大學天體實體學博士學位，在成為科學作家和《Fortrean Times》、《How It Works》、《All About Space》和《Popular Science》等雜志的長期撰稿人之前，他一直活躍在學術界、政府和私營部門30年。
阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955）是有史以來最着名的科學家之一，他的名字幾乎已成為"天才"一詞的代名詞。雖然他在世界上的廣泛聲譽很大程度上歸功于他古怪的外表和偶爾關于哲學，世界政治和其他非科學話題的陳述，但他真正的名聲是由于他對現代實體學的貢獻，這些貢獻改變了我們對宇宙的整個看法，并幫助塑造了我們今天生活的世界。
01
時空
愛因斯坦的狹義相對論改變了我們對空間和時間的思考方式，并建立了光速的普遍速度極限。
圖檔：美國宇航局
愛因斯坦在26歲時最早的成就之一是他的狹義相對論，他稱之為"在特殊情況下無視引力的相對運動"。這聽起來可能沒什麼，但它是曆史上最偉大的科學革命之一，徹底改變了實體學家對空間和時間的看法。事實上，愛因斯坦将這些組合成一個單一的時空連續體。我們認為空間和時間完全分開的一個原因是因為我們以不同的機關測量它們，例如英裡和秒。但愛因斯坦展示了它們實際上是如何互換的，通過光速連接配接 - 大約每秒186，000英裡（每秒300，000公裡）。
也許狹義相對論最著名的結果是，沒有什麼比光速更快了。但這也意味着，當我們接近光速時，事情開始變得非常奇怪。如果你能看到一艘宇宙飛船以80%的光速飛行，它看起來會比靜止時短40%。根據佐治亞州立大學的HyperPhysics網站，如果你能看到它的内部，一切似乎都在慢動作中移動，時鐘需要100秒才能完成一分鐘。這意味着航天器的機組人員實際上會随着年齡的增長而變慢。
02
E = mc2
E - mc2可能是世界上最着名的方程
圖片來源：VICTOR HABBICK VISIONS/SCIENCE PHOTO LIBRARY VIA GETTY IMAGES
狹義相對論的一個意想不到的分支是愛因斯坦著名的方程E，mc2，這可能是唯一達到文化偶像地位的數學公式。該方程表示品質（m）和能量（E）的等效性，這兩個實體參數以前被認為是完全獨立的。在傳統實體學中，品質測量物體中所含的物品質，能量是物體的屬性，因為它的運動和作用在物體上的力。此外，能量可以在沒有物質的情況下存在，例如在光或無線電波中。然而，愛因斯坦的方程說，品質和能量本質上是一回事，隻要你把品質乘以c2- 光速的平方，這是一個非常大的數字 - 以確定它最終得到與能量相同的結果機關。
這意味着物體在移動得更快時會增加品質，僅僅是因為它們獲得了能量。這也意味着即使是惰性的靜止物體也有很多能量被鎖定在其中。除了是一個令人興奮的想法之外，這個概念在高能粒子實體學領域也有實際應用。根據歐洲核子研究委員會（CERN）的說法，如果足夠高的粒子碰撞，碰撞的能量可以産生其他粒子形式的新物質。
03
雷射
雷射腔中強烈發射的階段。
圖檔來源：大英百科全書/蓋蒂圖檔社
雷射是現代技術的重要組成部分，用于從條形碼閱讀器和雷射訓示器到全息圖和光纖通信的所有領域。雖然人們通常認為雷射與愛因斯坦無關，但最終是他的工作使它成為可能。根據美國實體學會的說法，雷射這個術語是在1959年創造的，用來表示"強輻射的光放大"，這是愛因斯坦在40多年前提出的一個概念。1917年，愛因斯坦寫了一篇關于量子輻射理論的論文，描述了光子如何通過物質刺激更多光子的發射。
愛因斯坦意識到，新的光子和原始光子以相同的方向、頻率和相位行進。随着越來越多的幾乎相同的光子被産生，這導緻了級聯效應。作為一名理論家，愛因斯坦沒有進一步深入研究這個想法，而其他科學家在意識到興奮發射的巨大實際潛力方面進展緩慢。但後來全世界都發現了雷射的巨大價值，直到今天，人們仍然在尋找雷射的新應用，從反無人機武器到超高速計算機。
04
黑洞和蟲洞
1935年，愛因斯坦和内森·羅森描述了從一個時間和空間點到另一個時間和空間的捷徑的可能性，稱為愛因斯坦 - 羅森橋。
圖檔：快門
愛因斯坦的狹義相對論表明，即使沒有引力場，時空也可以做非常奇怪的事情。但這隻是冰山一角，正如愛因斯坦在他的廣義相對論中最終成功地将引力添加到混合物中時所發現的那樣。他發現，行星和恒星等大品質物體實際上扭曲了時空的結構，進而産生了我們感覺到的引力效應。
愛因斯坦通過一組具有廣泛應用的複雜方程來解釋廣義相對論。也許愛因斯坦方程最著名的解來自1916年的卡爾·史瓦西解，即黑洞。更令人好奇的是愛因斯坦本人在1935年與内森·勞森（Nathan Lawson）合作開發的解決方案，描述了從空間上的一個點到時間的捷徑的可能性。最初被稱為愛因斯坦 - 羅森橋，現在所有科幻小說迷都更熟悉"蟲洞"這個詞。
05
膨脹的宇宙
宇宙膨脹的圖表。
圖片來源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images
早在1915年，愛因斯坦對廣義相對論方程做的第一件事就是将它們應用于整個宇宙。但在他看來，答案是錯誤的。這意味着空間結構本身處于膨脹狀态，拉動星系，是以它們之間的距離增加。常識告訴愛因斯坦這不可能是真的，是以他在他的方程中添加了一個叫做宇宙常數的東西，以産生一個表現良好的靜态宇宙。
但在1929年，埃德溫·哈勃對其他星系的觀測表明，宇宙确實在膨脹，顯然正如愛因斯坦的原始方程所預測的那樣。它看起來像是宇宙常數的終結，愛因斯坦後來稱之為他最大的錯誤。然而，這并不是故事的結局。基于對宇宙膨脹的更精确測量，我們現在知道它正在加速，而不是在沒有宇宙常數的情況下減速。是以看來，愛因斯坦的"錯誤"并不是一個簡單的"錯誤"。
06
原子彈
第一顆原子彈于1945年在新墨西哥州的阿拉莫戈多進行了試驗。
圖檔：全球曆史檔案館/蓋蒂圖檔社
愛因斯坦有時被認為是核武器的"發明者"，因為他的方程E，mc2，但根據馬克斯普朗克引力實體研究所的愛因斯坦線上網站，兩者之間的聯系可以忽略不計。關鍵因素是核裂變實體學，愛因斯坦沒有直接參與其中。然而，他在第一顆原子彈的實際發展中發揮了關鍵作用。1939年，一些同僚提醒他，如果納粹德國獲得這種武器，核裂變的可能性以及将引發的恐怖。最後，根據原子遺産基金會的說法，他被說服給美國總統富蘭克林·D·羅斯福（Franklin D. Roosevelt）一個總統競選活動。這些擔憂在羅斯福的一封信中得到了傳達。愛因斯坦這封信的最終結果是曼哈頓計劃的啟動，該計劃建造了第二次世界大戰結束時用于日本的原子彈。
雖然許多著名的實體學家都參與了曼哈頓計劃，但愛因斯坦并不在其中。根據美國自然曆史博物館（AMNH）的說法，由于他的左傾政治觀點，他被剝奪了必要的安全許可。這對愛因斯坦來說并不是一個很大的損失- 他唯一關心的是否認納粹對這項技術的壟斷。1947年，愛因斯坦告訴《新聞周刊》雜志，"如果我知道德國人不會成功研制原子彈，我永遠不會動一根手指，"《時代》雜志的一份聲明。
07
引力波
引力波、中子星
圖檔：R. Hurt/Caltech-JPL
愛因斯坦于1955年去世，但他的偉大科學遺産即使在21世紀仍然成為頭條新聞。這發生在2016年2月，當時科學家宣布發現了引力波 - 這是廣義相對論的另一個結果。引力波是穿過時空結構的微小漣漪，人們經常直言不諱地說，愛因斯坦"預測"了它們的存在。但現實并不那麼清楚。
愛因斯坦從未完全确定他的理論是預測還是排除了引力波。天文學家花了幾十年的時間尋找這樣或那樣的方法來決定這一點。最終，他們成功了，使用了巨大的設施，如華盛頓州漢福德的雷射幹涉引力波天文台（LIGO）和路易斯安那州利文斯頓。引力波的發現不僅是愛因斯坦廣義相對論的又一次勝利（盡管他自己并不确定），而且還為天文學家提供了觀測宇宙的新工具，包括黑洞合并等罕見事件。