第一章 照耀历史的业绩（2/2）
《爱因斯坦》作者：爱因斯坦 2017-02-13 12:09
尔尼专利局的一位非常要好的同事和朋友。贝索在哲学、社会学、医学、技术、数学和物理学方面有渊博的知识，而且他具有接受新思想和给它增加某些非常重要的欠缺的线条的惊人能力。爱因斯坦称他是在全欧洲都找不到的“新思想更好的共振器”。有了什么问题，爱因斯坦很喜欢与贝索进行交锋和讨论。在一个非常晴朗而美好的日子，爱因斯坦带着他一直苦苦思索的问题去找贝索，他对贝索说：“最近我在研究一个困难的问题，今天找到这里来，是想和你一起攻破这个问题。”于是他和贝索讨论了这个问题的各个方面。第二天早晨起床时，突然一个思想的闪光飞过他的脑海，“对于一个观察者来说是同时发生的两个事件，可是对别的观察者来说，就不一定是同时的”。他抓住这一灵感经过仔细分析，终于找到了问题的关键。接着他又赶快到贝索那里，没有打招呼就直说：“谢谢你。这个问题我已经完全解决了。”爱因斯坦最后解决问题的突破口是对时间概念的分析。他想到，时间是不可能绝对地定义的，在时间和信号速度之间一定存在着不可分割的联系。用这个新的概念，他才感觉到第一次有可能完全解决所有困难。他认为，为了摆脱困难，只需要准确地表述时间概念就行了。“需要认识的仅仅是人们可以把洛伦兹引进的，他称之为‘当地时间’这个辅助量直接定义为‘时间’。如果我们坚持上述时间的定义，并把伽利略的变换方程用符合新的概念的变换方程来代替，那么洛伦兹理论的基本方程就符合相对性原理了。这样，洛伦兹和斐兹杰惹的假说就像理论的必然结果”。在5个星期之内，他就完成了这篇光辉的论文《论动体的电动力学》。他建立了新的时间概念，从狭义相对性原理和光速不变原理出发，推出洛伦兹变换，顺利地创立了狭义相对论。在这之后，他又写了一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，发表于同年的《物理学杂志》上。这项研究是对前一研究的一个重要补充，它导致了一个非常有趣的结论，这个结论为以后的原子能的利用奠定了理论基础。那末，狭义相对论告诉了我们什么呢？
空间和时间的统一性
自古以来，空间和时间都被看成是两个完全无关的独立实体，伟大的牛顿在其《自然哲学之数学原理》中写道：
绝对空间就其本性来说与外界任何事物毫无关系，它永远是同一的、不动的。
绝对的、起初的数学时间本身按其本性来说是均匀流逝的，与外界任何事物无关。
牛顿关于空间的定义暗示着对于空间中的运动存在一个绝对参照系，而他的时间定义则意味着存在一个绝对的计时系统。但是实验证明了光速的不变性，这就打破了绝对的空间和绝对的时间。
我们设想有一列很长的火车，以恒速在轨道上行驶（参见图2）。我们可以把铁路路基看作是一个特定的参考物体，在这列火车上旅行的人们也可以很方便地把火车当作刚性参照物体，他们参照火车来观察一切事件。因而，在铁路线上发生的每一个事件，也在火车上某一特定的地点发生。那么，我们考虑一下，对铁路路基来说是同时的两个事件（例如A、B两处雷击），对于火车来说是否也是同时的呢？
当我们说A、B两处雷击相对于路基而言是同时的，这意思是：在发生闪电的A处和B处所发出的光，在路基A→B这段距离的中点M相遇。但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点。令M′为行驶中的火车上的A→B这段距离的中点。从路基上判断，当雷电闪光发生的时候，点M′自然与点M重合，但是M′以火车的速度向图中的右方移动。如果坐在火车上M′处的一个观察者并不具有这个速度，那么他就总是停留在M点，雷电闪光A和B所发出的光就同时到达他这里，也就是说正好在他所在的地方相遇。可是实际上这个观察者正在相对于铁路路基朝着来自B的光线以此，这个观察者将先看见自B发出的光线，而后才看见自A发出的光线。所以，把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论，即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。这样就得到一个结果：在一个系统中相隔一定距离同时发生的两个事件，当我们从另一个相对于它作相对运动的系统来观察时它们是不同时发生的。同时具有相对性，每一个参考物体都有它本身的特殊的时间，除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体而言，否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义。
我们再进一步设想，如果列车上有一位乘客先吃水果后吃饭。那么这两个事件对于列车来说都是发生在同一地点（同一个座位上），但时间不同。然而从站在路基旁的一个观察者看来，这个乘客吃水果和吃饭则是发生在不同地点的事件了。这个极普通的事实说明：一个系统中在同一地点但在不同时刻发生的事件，从另一个相对于它作相对运动的系统去观察时则是发生在不同地点的。
因此，我们从上述简单例子可以看出，空间和时间至少部分地可以相互转变，对一个系统来说，单单在空间（或时间）上分开的两个事件，当我们从另一个相对于其运动的系统观察时，它们之间会有一定的时间（或空间）间隔。
爱因斯坦证实，两个事件之间的时间间隔在不同的惯性参照系中（所谓惯性参照系是指使所有的牛顿运动定律特别是惯性定律有效的参照系）测量结果会不同，甚至两个在一般情况下完全一致的时钟在两个不同参照系中的运动速率也会不同，即“嘀嗒”之间的时间不一样。爱因斯坦的结论是时间膨胀，即快速运动的系统中一切物理过程都要变慢。相对性时钟变慢的数值由下式确定：
其中，t为相对静止的系统中的时间间隔，t为相对于该系统以速度运动的系统中的时间间隔，C为光速。
爱因斯坦还指出：不仅时间会膨胀，而且长度会缩短。相对性长度缩短的数值由下式确定：
其中，L为相对静止的系统中所测量的物体的长度，L为相对于该系统以速度运动的系统中所测量的该物体的长度。即快速运动的系统中，一切物体都要在运动方向上缩短。
相对论力学
从运动系统观察到的时间膨胀和长度缩短来源于相对论性的坐标变 换。
让我们考虑两个坐标系（x，y）和（x′，y′），它们彼此相对运动的速度是，并从它们的原点O和O′彼此重合的时候开始在两者中计算时间。现在设想在带撇的坐标系中一个固定不动的物体P，其位置到原点O′的距离是X′。在不带撇的坐标系中，这个物体在时刻t的x坐标是多少呢？即它到原点O的距离是多少呢？若按经典力学，答案是很简单的，经过时间间隔t后，两个坐标系原点分开了vt的距离，所以
在爱因斯坦以前，这两个今天称作“伽利略坐标变换”的公式被认为是一个常识。但是，空间距离部分地转换为时间间隔的可能性，要求我们用两个比较复杂一些的公式来代替这些看上去很普通很自然的式子。可以证明，为了满足光速不变性的要求和狭义相对性原理，旧的伽利略变换必须改为一组新的变换，即洛伦兹变换：
它们是由德国物理学家洛伦兹在迈克尔逊—莫雷实验的结果发表后不久导出的，但当时被洛伦兹和其他物理学家多少看成是一种纯娱乐性的数学游戏。正是爱因斯坦首先认识到，洛伦兹变换实际上反映了物理实在，它要求我们对旧的时间和空间观念进行彻底的变革。
相对论力学的另一个重要推论是，运动粒子的质量不再像牛顿力学中那样总保持为常数，而是随着速度的增大而增加的。影响运动物体质量的因子与影响长度缩短和时间膨胀的因子是一样的，一个以速度v运动的物体的质量由下式表示：
式中m0是所谓“静止质量”，即对于驱使原来处于静止的物体运动的力的惯性反抗力。随着物体速度的增大而接近光速时，速度的增加就 变得越来越困难，当v＝c时，反抗进一步加速的阻力就变无限大。这一 公式说明，任何物体都不可能比光运动得更快，因为事实上，由于惯性 反抗力的增大，使物体加速到以光速运动所需要的能量将变为无限大。
质能相当关系 ＝E mc2
爱因斯坦在他的 《物体的惯性同它所含的能量有关吗》一文中，运用狭义相对论的原理导出了一个关系式：
E＝mc2这称为质能关系式，它反映了质量和能量的相当性，从而揭示了物质和运动之间不可分割的联系。
我们可以用一个比较简单的方法导出这一关系式。
E＝mc2
物理学中很早就知道，被镜面反射的光对镜子会施加一定的压力。其强度不大，放在一支蜡烛前面的镜子不至于被其光推倒，但太阳光却能推动趋近太阳的彗星的气体，使之形成一条明亮的尾巴。俄国物理学家列别捷夫在1899年通过实验证明了光压的存在，并证明了光压在数值上等于反射光能量的两倍除以光速，即：
在镜面上反射的光对镜子施以压力，这类似于用一根水管子将水流 射到放在前面的一块板子上，而对板子所施加的压力。按照经典力学定 律，质点流对板壁所施加的压力等于它们的动量的变化率。如果用m代 表单位时间水流所传送的水的质量，V是水流的速度，则动量的变化为2 mv，因为它是从+my变到- mv。
如果对一束在镜面上反射的光应用同样的论据，那末就必须认为光 有一机械动量，它等于单位时间内落在镜面上的“光的质量”m乘以光速 c。因此光压可以写成：
这一爱因斯坦“质能等价定律”说明，经典物理学中“不可称重的”辐射能量与普通可以称重的质量是等同的。由于C2是一个很大的数，所以即使是一块很小的质量，其所含的能量也是可观的。这为核能的释放和利用提供了理论基础。
质量与能量的相当关系不仅适用于辐射能量，而且适用于所有其他形式的能量。例如电场和磁场都成一种可称重的物理实在，热也有可称
重的质量，一公斤水在100℃时比同样数量的冷水重10克。
爱因斯坦关于质量和能量等价性的发现，简化了物理守恒定律的内容。长期以来，彼此分立的质量守恒和能量守恒定律，现在可以合并为一条定律：对于一个封闭物质系统来说，质量和能量的总和在所有过程中不变。
四维世界
数学家闵可夫斯基曾是爱因斯坦在联邦工业大学上学时的老师。当年爱因斯坦经常逃课，闵可夫斯基骂他“懒胚”。当爱因斯坦《论动体的电动力学》发表以后，闵可夫斯基很快理解了，并看到了这篇论文的深刻意义。他实在没有想到，曾被他骂作“懒胚”的学生，现在竟写出了如此深刻的论文。闵可夫斯基是搞数学的，他从数学的角度认真地思考爱因斯坦的理论，结果得到一种非常美妙的描述狭义相对论的数学方法。
闵可夫斯基的论文在1907年发表。第二年夏天，在科隆举行的“德国自然科学家和医生协会”第80届年会上，他做了一个报告，宣传相对论的思想，题目是“空间和时间”，其中有一段著名的话：
“先生们！我要向诸位介绍的空间和时间的观念，是从实验物理学的土壤中生长起来的，这就是它们力量的所在。这些观念是带有革命性的。从现在起，空间自身和时间自身消失在阴影之中了，现实中存在的只有空间和时间的统一体。”
闵可夫斯基的报告引起了与会者的巨大反响。可惜3个多月后，疾病就夺去了他年仅44岁的生命。去世前，他万分遗憾地说：“在发展相对论的年代里死掉，真是太可惜了。”
闵可夫斯基所提出的思想是将时间作为三个空间坐标之外的第四个坐标，这样，一个系统相对于另一个系统的运动，可以看成是这个四维坐标架的转动。由此就可以很清晰地刻画狭义相对论的原理和相对论效应。
爱因斯坦的狭义相对论把长度缩短看作是观察者从一个运动的系统去观察物体时所看到的一种表观的空间收缩。空间的收缩和时间的膨胀对于两个处于相对运动状态的系统来说是对称的。空间距离一缩短，时间间隔就加长，这有点像一根具有给定长度L的棒的垂直投影和水平投影的情况一样。如果棒是水平放着的，则其垂直投影为零，而水平投影是L。如果棒是垂直放着的，其垂直投影是L，而水平投影是零。如果这根棒放在一定的角度θ，则垂直投影和水平投影不为零。由毕达哥拉斯定理我们有：
这使闵可夫斯基想到用四维坐标来描述狭义相对论。
为了把时间当作合法的第四个坐标，首先就要考虑用与三个空间坐标相同的单位来度量它，闵可夫斯基把时间乘以光速即C达到了这一要求。需要考虑的第二个问题是，空间坐标三者之间都是可以自由交换的，如果我们把一只箱子转过90°，它的长度就变为高度。对于时间坐标和空间坐标，这样完全的交换就不能存在。否则，一架时钟就会变成一把米尺或者一把米尺就变成时钟了。因此，若要把时间看作第四个坐标的话，不仅要把它们乘以光速，而且还要乘上另一个因子，使得四维坐标系的和谐性既不遭到破坏，而时间坐标又会在物理上与三个空间坐标不
闵可夫斯基画了一个图，现称为“闵可夫斯基图”（如图3所示）。这里因为不可能在平面上画出四维坐标的示意图，所以略去第三个空间坐标2，而代之以新的时间坐标ict。这张图上的每一点各代表一个事件，即发生在确定地点、确定时间的某一事件。同时发生的事件用一些垂直于时间轴的平面上的点来代表。发生在同一地点但不同时间的事件，都处于平行于时间轴的直线上。张开90°的锥面称为“光锥”，它相当于能够用光信号来联系的事件。例如，A点（事件）代表一个发射光波的闪光，则B点就相当于处在空间某处的物体被该光波照亮的事件。
如前所述，当我们从一个运动系统观察空间和时间间隔时，可以在几何上解释为一个四维坐标架的转动，将时间轴转动了一定的角度（如图3中的虚线及其字母）。但是，因为物
体运动的速度绝不能超过光速，所以ict轴所转动的角度θ绝不能大于90°。这样，我们可以把事件分为两种不同的类型。
像E和F所表示的这样的事件，它们的连线EF与时间轴所成的角度小于90°。这两个事件之间的时空间隔称为类时间隔，因为我们总可以找到一个运动坐标系，它相对于原来坐标系运动的速度恰好使得这两个事件处在新的时间轴上，使它们在新坐标系中空间间隔缩短为零。例如，我们乘车参加一个城市上午举行的游行，下午驱车到另一个城市看长跑比赛，就地球这个坐标系而言，游行和长跑比赛是在不同地点不同时间发生的两个事件。但如果我们把坐标系换成汽车上的坐标系，则上述两个事件实际上可看作发生在同一地点，空间间隔为零了。
像C和D这样的事件，连线CD与时间轴之间的角度大于90°。这种情况下，我们不能从第一个事件到达第二个事件，除非我们运动得比光速还快。例如光从水星运动到冥王星大约需要5小时多，我们不可能在水星上出席一点钟的舞会而在同一天的四点钟到冥王星上看电影。但是，我们总可以选择一个适当的旅行速度，把这两个事件的时间差缩短为零，使它们在我们所选择的时空坐标系中是同时发生的。这种成对事件的时空间隔称为类空间隔，因为通过适当方式的运动，我们可以把时间差缩短为零。
从闵可夫斯基图来看，时空连续统（光锥）分成三部分：“现在”、“过去”、“将来”。所有处在光锥上部的事件（t＞0），都是未来的事件，因为不论我们怎么运动，在看到它们之前都要经过一定的时间。我们可以影响未来的事件，但不受它们的影响。同样，所有位于光锥下部的事件（t＞0），都是过去的事件，因为我们无论运动得多快也不能看到它们。这些过去的事件能够影响我们，但我们不能影响它们。在光锥上部和下部之间，是称之为“现在”的部分。其中所包括的事件，或者在我们看来是同时的，或者可以使其是同时的，只要我们从一个运动速度比光速小的参照系去观察它们。
现在再来看四维坐标系。假定我们在时刻t=0从空间坐标的原点X=0，y=0，和z=0送出一个光信号。在时刻t时，这个光信号达到某个位置，其空间坐标是x、y和z，根据毕达哥拉斯定理，它到坐标原点
闵可夫斯基的工作对于促进人们充分认识狭义相对论的意义和推动狭义相对论的传播，起到了重要的作用，它后来还成为通向广义相对论的一个必不可少的步骤。
迎接挑战
爱因斯坦创立的狭义相对论对经典物理理论和人们的传统观念产生了巨大的冲击，不要说一般人，就是物理学家们也大多表示怀疑不理解，甚至反对。就连对相对论的创立作出过贡献的洛伦兹和彭加勒等人也对爱因斯坦的思想不理解。洛伦兹一直到生命的终结也不肯放弃以太的概念，彭加勒则说爱因斯坦“所走的道路之中大多数是死胡同”。
就在爱因斯坦提出狭义相对论不久，德国著名实验物理学家考夫曼写了一篇论文，说他对高速电子所做的实验，得到的结果和相对论有矛盾。这对爱因斯坦无疑是个挑战。物理学界都在等待爱因斯坦对考夫曼的论文作出答复。可是爱因斯坦对自己的理论像孩子一样自信，他相信相对论是伟大的自然规律的写照，如果相对论的公式和考夫曼的实验发生了冲突，那末错误肯定不在相对论一边。他没有理会考夫曼的挑战。而最后事实说明，考夫曼的实验装置有毛病。
也有人提出了一个“双生子佯谬”的问题。这个问题是这样的；假设两个完全一样的双生子生下来以后，在一定的年龄时，将双生子中的一个比如说A以高速送往宇宙空间，这样相对论效应便会显而易见。由于年龄的增大是一有赖于时间的过程，那末留在地球上的双生子B很快就会发现时间流逝对于A来说会变慢，也就是说，双生子A会比双生子B年轻。然而从双生子A来说，他知道一切运动都是相对的，因此，他认为处于运动的是双生子B，这样按照相对论，双生子B会更年轻一些。要明确确定到底哪一个双生子更年轻，一个方法就是让双生子A乘着高速宇宙飞船飞回地球，来进行比较。人们问到爱因斯坦，究竟哪一个双生子更年轻？爱因斯坦稍加思索之后，回答说，双生子A当然会年轻一些。问题在于两位双生子的经历是不同的，这从闵可夫斯基图可以明显地看出来，因此当他们重聚时，年龄会有区别。当然，彻底解决这一问题，还要依靠爱因斯坦后来创立的广义相对论。
要使一种变革传统观念的新思想或新理论为人们普遍所接受，往往需要一个相当长的过程，这在科学史上是不乏其例的。爱因斯坦的论文发表以后，大约经过了4年光景才开始较多地引起人们的关注。然而，
《论动体的电动力学》这篇论文的理论并不深奥，数学运算也更为简单，以致德国著名数学家希尔伯特说：“在我们数学的哥廷根大街上任何一个男童的四维几何知识都比爱因斯坦多。尽管如此，在这方面成绩卓著的却是爱因斯坦，而不是数学家。”问题就在于，爱因斯坦具有超人的对自然奥秘的深刻洞察力，敢于冲破传统的创造精神和深信宇宙完美和谐的坚定信念。
虽然爱因斯坦的狭义相对论思想提出后并未被大多数物理学家所理解和接受，但却有几位思想深刻的著名物理学家一下就看到了《论动体的电动力学》的重大意义，他们很快意识到了爱因斯坦思想的革命性，对爱因斯坦的相对论给予了极大的支持。其中包括普朗克、郎之万、劳厄、玻恩、闵可夫斯基等人。在他们的大力宣传下，加上不断得到实验事实的支持，爱因斯坦的相对论逐渐被人们所普遍接受，以致很长一段时间，“相对论”成了一个时髦的名词。
普朗克教授的支持
在支持和拥护爱因斯坦相对论的人中，值得一提的是反对爱因斯坦的光量子理论而却对相对论抱有极大热情的普朗克教授。
普朗克是德国《物理学杂志》的编辑委员。一天，当他在柏林大学的家中养病的时候，印刷厂送来了《物理学杂志》的清样，上面登载着爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，他随手翻了翻，立即被爱因斯坦的思想吸引住了。他忘记了医生的忠告，急忙移到书桌边，全神贯注地读了起来。过了好一刻，这位素以严格稳重著称的教授猛然跳起来，叫道：“简直是哥白尼！作者是什么人？他在哪儿？”普朗克的心里怎么也平静不下来，他马上按杂志提供的地址给从未见面的爱因斯坦写了一封信。普朗克写道：“你这篇论文发表以后，将会发生这样的战斗，只有为哥白尼的世界观进行过的战斗才能与它相比……”
爱因斯坦没有收到这封信，他和妻子带着小孩到塞尔维亚省亲去了。一直到爱因斯坦重新回到伯尔尼才见到普朗克的信。他心里非常高兴，马上给普朗克教授写了一封回信，感谢教授对自己的关心，也谈到自己在专利局的工作，当然谈得最多的还是物理学。这封回信使普朗克很感慨，爱因斯坦给物理学带来了革命，可是，这位物理学的革命家，却在专利局里干些琐事，连在大学里教书的机会都没有！
普朗克非常想见到爱因斯坦，1907年7月6月，他写信给爱因斯坦：
“明年我可能到瑞士度假。虽然还很遥远，可是想到能和你见面，心里很高兴。”
这一年，苏黎世联邦工业大学的克莱纳教授写信给爱因斯坦，建议他向伯尔尼大学申请“编外教师”的职位。按照当时的规定，先要当一段时间没有薪水的“编外讲师”，才有资格被任命为教授。爱因斯坦听从了这一建议，向大学当局提出了申请，并且把《论动体的电动力学》单行本送到了物理系。可是没有成功。第二年，克莱纳再次写信给爱因斯坦，教这个“大孩子”怎样行事。更多的人为爱因斯坦鸣不平。普朗克也为此写了推荐信。暑期，“德国自然科学家和医生协会”理事拉登堡来到伯尔尼和爱因斯坦讨论问题，并访问了伯尔尼大学，他对校方说：
“瑞士教授联合会中竟然没有爱因斯坦，这使我惊奇。”终于，1908年10月23日，一封印有伯尔尼州徽的公文送到了专利局，通知爱因斯坦，他有权在州立伯尔尼大学选讲自己的课程。
1908年至1909年冬季，爱因斯坦仍在专利局工作，并兼任编外讲师。1909年7月，他第一次获得学术荣誉，日内瓦大学授予他名誉博士称号，并邀请他参加350周年校庆活动。同年9月，他又到萨尔斯堡参加“德国自然科学家和医生协会”第81届年会。这是他第一次应邀做学术报告，也是第一次和物理学界的同行们相会。大家已把他列入巨人们之列，他在巨人中寻找普朗克。他把双手向普朗克伸去，创立量子论和创立相对论的两双手终于紧紧握在一起了。
10月，从萨尔斯堡回来后，爱因斯坦辞别了贝索，辞别了专利局的哈勒局长和同事们。苏黎世联邦工业大学，他的母校，终于向他敞开了大门，聘请他为副教授。
1911年初，从奥匈帝国波希米亚省的省会布拉格发来了聘书，聘爱因斯坦为布拉格德国大学的正教授。那儿待遇高，工作条件好，开普勒在那里工作过，而他所赞赏的哲学家和物理学家马赫是这所大学的第一位校长，他接受了。按照规定，在宣布委任之前，需要有被荐人的推荐信。普朗克又给了爱因斯坦一个很大的支持，他在推荐信中写道：“如果爱因斯坦的理论被证明是正确的，这个我想没有问题，那末他将被认为是20世纪的哥白尼。”
1911年秋天，爱因斯坦带着全家从苏黎世来到了布拉格，担任了布拉格大学的编内正教授。
不久，在物理学发展史上有重大意义的索尔维会议在布鲁塞尔召开了。这个会议是比利时化学家和工业家、百万富翁索尔维接受德国著名物理化学家能斯特的建议组织召开的。会议邀请了20多位世界各国最杰出的物理学家，给他们订了头等来回客票，在大都会饭店包了几十间头等客房和两个会议大厅，并外加每人1000法郎的礼金。爱因斯坦也接到了请柬，以奥匈帝国皇家大学教授的身份来到了布鲁塞尔。
世界上从来没有这么多的“智慧”聚集在一起，这儿真是群星灿烂！大家纷纷做学术报告，并自由交换对当时“物理学危机”的意见。普朗克的头顶几乎全秃光了，他握住爱因斯坦的手，显得有些兴奋，亲切地向爱因斯坦介绍：“德国来了能斯特、维恩，法国来了居里夫人、郎之万和彭加勒，英国来了卢瑟福和金斯，荷兰来了洛伦兹和昂内斯……”
在索尔维会议上，物理学家们对相对论也进行了热烈的讨论。虽然在这次会议上，相对论并未被充分的理解，但是世界认识了爱因斯坦。
索尔维会议之后，在物理学的同行中，访问爱因斯坦或邀请他去访问的人越来越多。欧洲的许多大学都向爱因斯坦发出讲学邀请，甚至大洋彼岸美国的哥伦比亚大学也发来邀请。苏黎世联邦工业大学终于不敢怠慢自己的学生了，他们请爱因斯坦回母校主持一个新开设的数学物理学讲座。
面对这么多的邀请，爱因斯坦选择了母校。因为他的妻子米列娃不喜欢布拉格，她想念苏黎世，而爱因斯坦对母校也有一种依恋之情。1912年秋天，爱因斯坦回到了母校，聘书的期限是10年。他见到了学生时代最要好的朋友格罗斯曼，格罗斯曼此时也在母校担任教授。
在第一届索尔维会议上，爱因斯坦给普朗克留下的印象太深了。普朗克深深感到，这位年仅32岁的爱因斯坦教授，正站在天才的顶峰上，不愧是当代的物理学的泰斗。回到柏林以后，普朗克开始从事一项困难的工作，他要把爱因斯坦请到柏林来。普朗克和能斯特，这两位德国物理学界的台柱人物，联名向上司报告：只有把爱因斯坦请来，柏林才能成为世界上绝无仅有的物理学研究中心。
1913年夏天，这两位年过半百、德高望重的权威学老，风尘仆仆地来到了苏黎世，拜访年轻的爱因斯坦，向他发出诱人的邀请。爱因斯坦将被委任为威廉皇帝物理研究所的所长并把他选进普鲁士科学院任院士，还聘他担任柏林大学的教授。而且许诺，爱因斯坦有讲课的权力，但是没有讲课的义务。讲多讲少，讲什么内容；讲多少时间，都由他自便。大学里的一切事务，他都不必过问。
爱因斯坦有些犹豫，他不愿离弃苏黎世和平宽容的环境，也不愿去同柏林的军事、傲慢和伪善的环境打交道。然而，柏林有一批世界杰出的物理学家和数学家，有那样优越的使他能全身心投入研究的条件。结果普朗克和能斯特还是说服了他，但还不是最后同意。又经过几天认真地思考，爱因斯坦终于接受了邀请。1913年7月10日，在普鲁士皇家科学院学部全会上，爱因斯坦以44票对2票，荣膺为正式院士。这以后，他除了几次外出出访和讲学外，一直在柏林工作了近20年。
4.探索引力与宇宙之谜
独创的引力理论
在狭义相对论发表以后，爱因斯坦科学研究的主流就在于探索更广泛的理论，这就是广义相对论。
爱因斯坦第一次考虑广义相对论是在1907年。这个思想是突然产生的。爱因斯坦建立狭义相对论以后，他对狭义相对论并不满意，因为这个理论只局限于彼此作相对运动的参考系，而不能用于参考系的一般运动。他力图突破这种限制，设法解决在一般情况中的相对论问题。1907年约翰·斯塔克要爱因斯坦为《放射性年鉴》写一篇关于狭义相对论的专题论文。在写这篇文章时，他忽然想到，几乎所有自然规律都可以在狭义相对论的框架内加以讨论，而唯独引力定律不行。最令他不满意的是，虽然狭义相对论对惯性和能量之间的关系已经作了明确的阐述，但是对惯性和重量或引力场能量之间的关系并没有阐述清楚。他意识到这个问题不可能在狭义相对论的框架内得到解决。如何下手呢？
有一天，忽然有了突破。爱因斯坦在伯尔尼专利局，正坐在一把椅子上，突然一个想法打动了他：如果一个人自由下落，他就不会感觉到自己的重量。他吃了一惊。这个简单的思想实验对他有极深刻的影响，它把爱因斯坦引向了引力理论。他坐在椅子上继续思考：一个下落的人被加速，那么他的感觉和判断就都发生在加速的参考系中。他决定把相对论扩展到有加速度的参考系。他感到，这样做就有可能同时解决引力问题。一个正在下落的人感觉不到自己的重量，因为可看作在他的加速度参考系中有一个新的引力场，它抵消了地球的引力场。在加速度的参考系中，看来需要一个新的引力场。
爱因斯坦作了进一步的思考，将思考的结果写入发表在德国《放射学和电子学年鉴》1907年第4卷的《关于相对性原理和由此得出的结论》一文中。在该文的第五部分“相对性原理和引力”中，他一开始就提出一个问题：“是否可以设想，相对性原理对于相互作加速运动的参照系也仍然成立？”也就是说，应该成立一条“广义相对性原理”：即所有参考物体K、K′等不论它们的运动状态如何，对于描述自然现象（表述普遍的自然规律）都是等效的。惯性参照系不应该是自然界中的一种具有特殊地位的参照系。
同时，在该部分，他明确地提出了“等效原理”：引力场同参照系的相当的加速度在物理学上完全等价。所谓等效原理，即认为从时空小范围来看，一个没有引力场的匀加速运动的坐标系同有引力场的惯性系是等价的。也就是说，可以在任何一个局部范围内找到一个坐标系，使引力在其中被消除。其合理性可以通过一个理想电梯实验来说明。比如，一个人处于密闭的电梯内，在地球引力场内让电梯处于静止或匀速运动的状态，此时电梯是一个有引力场的惯性系，电梯内的人受到引力作用，使他的脚同地板间产生的压力等于他的重量。另外再设想若不存在地球引力场，而使密闭的电梯以与重力加速度数值相等的加速度向上运动，此时电梯是一个没有引力场的非惯性系，电梯里的人在惯性力的作用下使他的脚同地板间也产生一个压力，其数值显然也等于他的重量。处于上述两种情况的人将无法区别电梯到底是处于加速运动状态还是处于引力场中。假使处于地球引力场中的电梯绳索断了，那么电梯将作自由落体运动，这时处于密闭电梯中的人将看不到任何引力存在的现象，即处于失重状态。这说明，可以通过选择某种坐标系，在局部范围内使引力完全消除。这个理想实验也说明，任何可以归属于加速参照系的效应都可被看作是一种引力效应。
爱因斯坦在这篇文章中对广义相对论的思考还是初步的，一些细节仍有些含糊。等效原理只是帮助他讨论了引力对电磁场的个别效应。大约3年时间，爱因斯坦又醉心于新电子论的研究，想解决电子和电磁场的联接问题，但情况并不顺利，他于是又转向引力论。
1911年6月，爱因斯坦在《关于引力对光传播的影响》一文中进一步阐明了光在引力场中弯曲的必然性。这可以通过下面的理想实验来说明（参见图4）。
设有三个结构完全相同的密闭实验室：惯性实验室、加速实验室和引力实验室。假定在各实验室的同一部位有光线射入，先看惯性实验室，根据狭义相对论，光在惯性系中是以不变的光速作直线运动，因此在这个实验室中的人看到的光线是平直的。再看加速实验室，由于实验室在向上加速，那么原来在惯性系中看来是平直的光线，在加速实验室中看来就要是弯曲的了。根据等效原理，加速实验室等价于引力实验室，因此，如果光线进入处于引力场中的实验室，其中的人也就应该很自然地看到光线的弯曲。爱因斯坦预言，光线经过太阳附近时要受到0.83″的偏转，对木星来说，是这个值的1/100，他迫切希望天文学家能作出检验。爱因斯坦在该文中还明确提出了惯性质量与引力质量等同，即惯性质量与引力质量具有同一性这个概念。这是等效原理的一个很自然的结论。他想把这一概念安插到一个更为一般的结构中去，但没有完全取得成功。因为这时他还没有放弃牛顿的引力理论，只是在它上面添加了一些个别的新原理，拼凑起一个正确与错误的混合物，以致虽然很接近问题的答案，但毕竟还不是。尽管爱因斯坦的这篇论文还不成熟，但它却像黑色的夜空中划过的一道光亮，成为他最终通向广义相对论的桥梁。这篇文章是他在布拉格期间最重要的成就。
后来，爱因斯坦意识到，合理的引力理论只能希望从广义相对性原理来得到，即使一切坐标系，不管是惯性坐标系还是加速坐标系，都是平权的，客观真实的物理规律在任意坐标变换下形式不变（称为广义协变）。这样，他才接近了广义相对论的门槛。而要打开大门，他还缺乏必要的数学工具。在大学时，他一定程度上忽视了数学。要处理有关加速度参考系的问题，欧几里得几何学是不适用的，那末用什么样的几何呢？
1912年他回到苏黎世，问题才解决，他的朋友、数学家格罗斯曼帮助了他。爱因斯坦在伯尔尼专利局工作时，难于看到数学论文，格罗斯曼就曾经帮助过他，向他提供过不少数学文献资料。这次，格罗斯曼与爱因斯坦多次长谈，并把爱因斯坦引进了数学方法的园地。他们在里奇和勒维·契维塔的绝对微积分以及黎曼几何中找到了合适的数学工具。就这样，爱因斯坦经过艰苦的摸索和无数的辛劳，终于在1913年和格罗斯曼完成了《广义相对论和引力理论纲要》的论文。其中物理部分由爱因斯坦执笔，数学部分由格罗斯曼执笔。广义相对论的大门终于打开了。在这篇论文中，爱因斯坦引入了更广泛的坐标系，使用了非线性坐标变换，推导出引力场中的质点运动方程。不过，他所得到的引力场方程和引力场存在时的电磁场运动方程还是不完整的。
1913年秋，爱因斯坦从苏黎世前往维也纳出席自然科学家会议。他在这个会议上作了一个关于广义相对论的比较通俗的报告。尽管理论还未最终完成，但爱因斯坦等不及了。
1915年，是爱因斯坦在探索广义相对论的道路上富有成果的一年。他先发表了一篇《用广义相对论解释水星近日点运动》的论文，不用任何特殊假设就成功解释了水星在近日点的运动：每100年大约转43″。他还纠正了1911年计算光线经过太阳附近时弯曲的错误数值0.83″，新结果比原先大1倍即1.7″。这年11月，爱因斯坦终于完成了他的广义相对论的集大成论文《广义相对论的基础》，该文发表于1916年的德国《物理学杂志》上。在这篇论文中，他终于得到了正确的引力方程式。从此，他暂时结束了从1907年以来对广义相对论所进行的艰苦卓绝的探索。
根据广义相对论，现实的有物质存在的空间不是平直的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。空间弯曲的程度取决于物质的质量及其分布状况，空间曲率体现了引力场的强度，引力只不过是空间弯曲的效应，它是一种假想的力。从广义相对论的观点看来，地球绕太阳运动是由于太阳的巨大质量使太阳周围的空间发生弯曲，使地球走着一条弯曲的轨道，并不是因为存在什么神秘的超距作用的引力。光线的弯曲即说明了空间的弯曲，因为光线就是空间的短程线。
生活在三维空间里，怎样理解空间的弯曲呢？爱因斯坦指出，可以借助二维空间的类比来理解。一个生活在二维表面上的生物如何判断它所处的面是平坦的还是弯曲的呢？一个有效的方法就是在面上画三角形，如果它们画出的三角形三内角之和是180°，那末它们所处的面就是平面，如果大于180°，它们所处的面就是球面，如果小于180°，则它们活动于其上的面就是马鞍形曲面。三维空间的判断是类似的，看其是否是欧几里得空间，一个可能的方法就是测定光线的运动。
广义相对论的验证
广义相对论的验证在当时有三个。一个是水星近日点的运动。1859年，法国天文学家勒维烈发现水星近日点绕太阳运动的速度和牛顿力学估计的每百年差43″。勒维烈曾把这一误差解释为存在一颗“火神星”，由于“火神星”的影响造成的。许多天文学家试图发现这颗所谓的“火神星”，但都以失败而告终。43″的差异成了一个不解之谜。而广义相对论创立后，这个谜得到了合理的解释。根据广义相对论的计算，水星近日点本来就应当有43″的运动，根本不存在什么火神星。
广义相对论的第二个验证是引力频移。由广义相对论固有时间与引力位势的关系可知，当光在引力场中传播时，它的频率会发生变化，从巨大质量的星球射到地球上的光线的光谱线将向红端移动（即引力红移），而从地球射到质量巨大的星球表面的光的光谱线则向紫端移动，故统称为引力频移。1924年，美国天文学家亚当斯通过对天狼星伴星的光谱线进行观测，证实了这一预言。
另一个是对广义相对论预见引力场将使光线发生弯曲的验证，这一验证带有戏剧性。爱因斯坦在1911年的论文中，对光线在引力场中的弯曲作了明确的预言。1914年，德国天文学家组织了一支考察队前往俄国克里木半岛，想在日全食时进行观察，试图验证这一预言。不幸第一次世界大战爆发，考察队员全被俄国人当作战俘扣留，使验证未能实现。这一不幸对广义相对论倒成了一件幸运的事，因为当时爱因斯坦的预言有误，实际值会比他的计算值大1倍。1915年，爱因斯坦根据空间几何形变修正了1911年的计算，提出了1.7″的预言数值。英国天文学家爱丁顿在1916年通过中立国荷兰天文学家的介绍。得到了《广义相对论基础》的单行本，立即表现了极大的兴趣，并决定利用1919年5月29日将要发生的日全食来进行验证。在爱丁顿的推动下，1919年大战一结束，英国皇家天文学会就派了两支观测队分别由爱丁顿和克罗姆林率领，前往西非几内亚湾的普林西比岛和南美洲的索布腊尔进行观测。1919年11月6日，英国皇家天文学会宣布了观察结果，两地所得的观测值分别是1.61±0.30″和1.98±0.12″，在误差范围内都与爱因斯坦的预言符合。主持会议的皇家学会会长汤姆孙教授说：“这是自牛顿以来，万有引力论的一项最重要的成就”，“这不是发现一个孤岛，这是发现了新的科学思想的新大陆。”消息立刻传遍全球，一夜之间爱因斯坦成了世界名人。
爱因斯坦一直把广义相对论看作自己一生最重要的科学成就，他对自己的学生、波兰物理学家英费尔德说过：“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟了。但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”广义相对论是爱因斯坦独特思想的伟大创造。
有限无界的静态宇宙模型
爱因斯坦建立广义相对论后不久，就试图用广义相对论来考查宇宙空间问题。宇宙的奥秘太神奇了，这深深吸引着他。
宇宙是人类一个古老的话题。自从牛顿建立了完整的经典力学体系之后，在整个18世纪和19世纪前半期，占统治地位的是牛顿式的无限宇宙模型。它认为宇宙是无限的、永恒的，包含有无穷多的天体，大体上均匀地散布在无限的宇宙空间中。
对于这样一种宇宙模型，1820年，德国天文学家奥伯斯提出一个发难，称为奥伯斯佯谬。他认为，按照牛顿式的无限宇宙模型，很容易推出地球上的夜空将无限明亮，因为地球表面可以接收到宇宙中无穷多恒星的无限大的辐射能，然而夜空是黑暗的，这是最最古老的天文观测事实，只要有视觉的人都能看到这个极其普通的天文现象。奥伯斯提出这一光度矛盾问题之后，不少人力图消除它，但一直未获得满意的答案。
1894年，德国天文学家西利格尔又提出了一个引力佯谬的问题。这个佯谬同光度佯谬有共同的本质，是经典的无限宇宙模型的直接结果。西利格尔指出，如果牛顿引力定律在这样一个无限的宇宙中起作用的话，那末在半径为r的巨大球形空间中恒星的数目将正比于r3，因此，对于这样一个球的表面上的任意一点，引力的强度将正比于r。结果是，球面上的引力场将随着r的增大而无限地增强。由于我们可以选任一点作为这球形空间的中心，因此，其结果必然是，在宇宙空间的每一点上，引力势都是无限大，任何物质都受到无限大的力的作用，每一个宇宙空间中的物体都要获得无限大的加速度和速度。事实上，在天文观测中，并没有发现这种情况。尽管有些天文学家提出了一些假设来试图消除西利格尔佯谬，但也未获得令人满意的答案。
爱因斯坦分析了无限宇宙模型的困难，根据广义相对论时空弯曲的概念，提出了自己的宇宙模型。他的论文出现在1917年的《普鲁士科学院会议报告》上，题目是《根据广义相对论对宇宙学所做的考查》。他在这篇论文中，为避免在空间无限处给广义相对论方程设立边界条件的困难，假设宇宙在空间上是有限无界的，提出了一个有限无界的静态宇宙模型。
关于“静态”，爱因斯坦假设了一个“宇宙学原理”。这条原理是说：宇宙间的物质均匀分布，无论从宇宙的那个位置和那个方向看，所看到的宇宙图像都是相同的。对于“有限无界”，爱因斯坦认为，根据广义相对论，物质在空间的分布，会使空间发生弯曲，这种弯曲会使宇宙空间形成一个封闭的非欧几里得球形空间，所以它是有限而无界的。关于这一点，我们可以设想一个球面，球的大小是有限的，然而在球面上爬行的小虫是永远找不到一条边界的。正如爱因斯坦以前取得的许多成就一样，他成功地以新的方式把一些特殊的概念联系起来，因此避免了牛顿式无限宇宙模型所遇到的困难。
在爱因斯坦提出他的宇宙模型之后12年，美国天文学家哈勃在观测中发现，所有的星系，彼此之间的距离都在不断地增大，宇宙不是静态的，它在膨胀着。这无疑是对爱因斯坦有限无界静态宇宙模型的冲击，在事实面前，爱因斯坦坦然地承认了自己的错误。在这之后，宇宙学理论有了飞速的发展。尽管爱因斯坦提出的宇宙模型有他的局限性，然而它却开拓出了一门新的科学——现代宇宙学。
荣获诺贝尔物理学奖金
1922年11月10日，一封电报送到了爱因斯坦在柏林的住宅，电文如下：“您被授予诺贝尔物理学奖金，详请见信。奥里维留斯（签名）。”也在这一天，瑞典皇家科学院秘书奥里维留斯教授写信给爱因斯坦：“我已经在电报中通知您，在昨天举行的会议上，皇家科学院决定授予您上年度的诺贝尔物理学奖，这是考虑到您在理论物理方面所做的工作，特别是您对光电效应定律的发现，但没有计及您的相对论和引力理论所具有的价值，尽管它们曾得到证实。”就在爱因斯坦获得1921年度奖金的同一天，1922年度的奖金授予丹麦物理学家玻尔，这是由于他“在原子结构和原子辐射方面的贡献”。
早就准备给爱因斯坦颁诺贝尔奖金了，但是，诺贝尔奖金委员会犹豫不决。从1910年至1920年间，除了1911年和1915年之外，爱因斯坦都因创立相对论的贡献而被提名为诺贝尔物理学奖的获得者，但相对论遭到不少的反对意见，因而未通过。诺贝尔奖金委员会当时有一个传统，就是奖金要授予具体的发明，而且是没有争议的有实用价值的发明，瑞典科学院和诺贝尔奖金委员会害怕因授奖相对论而引起纠纷。
后来，普朗克提议1921年度奖和1922年度奖分别授予爱因斯坦和玻尔，奥森又对爱因斯坦1905年论光量子的文章和1909年对黑体辐射的能量涨落所做的工作做了极好的分析，诺贝尔奖金委员会重新提议爱因斯坦为获奖者，随之瑞典科学院投票通过。获奖的理由，措词是：“由于爱因斯坦发现光电效应定律以及他在理论物理学领域的其他工作，特授予奖金。”
布里尔奥因在1921年的提名信中写道：“如果爱因斯坦的名字不出现在诺贝尔荣誉获得者的名单中，设想一下，50年后的公众舆论将会是怎样吧。”
爱因斯坦因光电效应方面的研究而获得诺贝尔物理学奖，这是当之无愧的。但是，没有因相对论而获奖，这是物理学史上一个永久的遗憾。按他的学生兰佐斯的说法，爱因斯坦一生理应获得5个诺贝尔奖，这指的是对布朗运动的研究，提出了光量子理论，创立狭义相对论，发现质能相当性和建立广义相对论。
爱因斯坦没有收到奥里维留斯通知他已荣获诺贝尔奖金的信，1922年秋，爱因斯坦已带着他的第二个妻子艾尔沙乘日本轮船去东方了。日本方面寄来了一封封请帖，邀请他到日本去讲学。他们穿过地中海和印度洋，在科伦坡、新加坡、香港和上海作了短暂的停留，11月底到达日本神户。所到之处，受到极热烈的欢迎，各阶层人民都把爱因斯坦的到来看作是非常愉快的事情。他是在路经上海，瑞典驻上海领事馆领事递给他获奖电报时，才知道获奖的。他只是哈哈一笑，并未显得过分激动。这就是爱因斯坦，名和利都不在乎，要紧的是他的科学，他的思想。
日本访问结束，回国途中，他访问了巴勒斯坦和西班牙，然后立即返回柏林。
玻尔于1922年12月10日在斯德哥尔摩领取了1922年度奖金，那时爱因斯坦还在访问途中。1923年6月，爱因斯坦去瑞典参加诺贝尔奖金授奖仪式。在哥德堡，他在斯堪的纳维亚学者们的集会上发表了讲演，瑞典国王也出席了这次会议。
1925年以后，爱因斯坦有很长一段时间没有出远门旅行。后来曾到比利时、古巴和英国访问，也曾两度去过美国，美国给他留下了美好的印象。1933年1月，德国纳粹上台，接着，迫害犹太人，他的著作被焚，在德国的财产被没收。1933年9月初，纳粹以2万马克悬赏杀死他。于是，他于9月9日出走英国。10月7日，爱因斯坦带着妻子和助手等从英国登上一艘去美国的轮船，永远离开了欧洲。后来一直定居于美国的普林斯顿，担任高等学术研究院的教授。
坚持走一条自己认准的路
当爱因斯坦在柏林寻找通向广义相对论之路的那段日子里，理论物理学中一场新的运动在哥本哈根开始了，它很快成了物理学界注意的中心。丹麦物理学家玻尔把量子概念应用于解释原子结构。1923年，法国物理学家德布罗意提出物质波理论，把物质粒子波粒二象性的崭新概念引进了物理学。1925年，奥地利物理学家泡利提出两个电子不能共处于同一量子状态上的不相容原理。德国物理学家海森堡的矩阵力学和奥地利物理学家薛定锷的波动力学也建立起来了。量子物理学进入了一个蓬勃发展的非常时期。
爱因斯坦在20年代也曾为量子理论的发展做过杰出的贡献，但他的主要精力没有放在这里，他在走着一条另外的自己认准的路。
量子力学创立不久，爱因斯坦就与几位主要的量子力学家产生了重要的意见分歧。爱因斯坦虽然对以玻尔和玻恩为代表的量子力学家的成就十分钦佩，但他又不满足于微观世界的这些规律仅仅具有或然性，不满足于他们对于量子力学的解释。他认为，量子统计力学并非什么新东西，只不过是人们长期以来还不能完整地描述事物而采用的权宜之计。他坚信，物理学应该对于客观的实在状况作出和观察者无关的描述。在物理学史上，他曾有过与玻尔为代表的哥本哈根学派之间的激烈争论，这个争论维持了相当长的时间，甚至延续到他生命的结束。而量子力学的发展已是当时物理学界大势所趋的主流。爱因斯坦的科学思想和当时大多数物理学家的思想方法之间的距离越来越大了。他在后半生孤独一人埋头于统一场论的研究，似乎脱离了物理学发展的洪流。玻恩曾说：
“这对爱因斯坦本人，对我们来说都是悲剧。因为他在孤独地探索他的道路，而我们却失去了领袖和旗手。”但爱因斯坦痴心不改，始终认为他对统一场论的探索是有意义的。
爱因斯坦对统一场论的探索是从1923年以后开始的。爱因斯坦一贯相信：世界是统一的，世界是合乎理性的，世界服从于存在的统一规律。在狭义相对论和广义相对论建立以后，已知的引力场和电磁场却没有统一起来，这种情况使爱因斯坦很不满意。他认为广义相对论还有缺陷，它没有把电磁场包括在内，于是他力图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论，用以解释物质的基元结构。他把这看作是相对论发展的第三个阶段。
最早从事这方面工作的是魏耳和卡鲁查等人。他们由于广义相对论用黎曼几何描述引力场取得了巨大成功，便产生了用新的几何方法统一描述引力场和电磁场的想法。魏耳企图用修改黎曼几何的方法建立一个被称为“规范不变几何学”来统一描述引力场和电磁场，而进一步的研究表明，这种几何不能描述电磁场。卡鲁查则把黎曼几何由四维增加到五维，试图将引力场和电磁场统一起来，结果失败了。爱因斯坦最初是设法推广卡鲁查的工作，但没有取得成功。他还试图把场和物体联合成为一个具有场构造的统一体，然后用一种几何方法去描述这种场和实物的统一体，也没有取得实际成果。虽然他在1929年、1945年和1954年曾取得一些进展，但都只停留在数学的表述形式上，没有得到有物理意义的结果。在逝世前夕他与他的学生柏格曼一起提出的不对称场论，是他最后一个统一场论模型。在这个模型中，他用度规张量来统一描写引力和电磁两种相互作用。度规张量由对称和不对称两部分组成，分别描述引力场和电磁场。但是这个方程无法求解。爱因斯坦最终未能实现自己的宏愿。
爱因斯坦1955年3月（即他逝世前一个月）为纪念母校苏黎世联邦工业大学成立100周年而写的回忆录《自述片断》中说：“自从引力理论这项工作结束以来，到现在40年过去了，这些岁月我几乎全部用来为了从引力场理论推广到一个可以构成整个物理学基础的场论而绞尽脑汁。有许多人向着同一个目标而工作着，许多充满希望的推广我的主张后来一个个放弃了。但是最近10年终于找到一个在我看来是自然而又富有希望的理论。不过，我还是不能确信，我自己是否应当认为这个理论在物理学上是极有价值的，这是由于这个理论是以目前还不能克服的数学困难为基础的，而这种困难凡是应用任何非线性场论都会出现。此外，看来完全值得怀疑的是，一种场论是否能够解释物质的原子结构和辐射以及量子现象。大多数物理学家都是不假思索地用一个有把握的‘否’字来回答，因为他们相信，量子问题在原则上要用另一类方法来解决。问题究竟怎样，我们想起莱辛的鼓舞人心的话：‘为寻求真理的努力所付出的代价，总是比不担风险地占有它要高昂得多’。”
爱因斯坦曾就统一场论，在给老朋友索洛文的信中说过：“我完成不了这项工作了；它将被遗忘，但是将来会被重新发现。”
事实上，物理学家们并没有忘却。1954年，美籍物理学家杨振宁和米尔斯提出了普遍规范场论，为统一场论的研究开辟了一条正确的途径，即沿着规范场论的途径。1967年，温伯格和萨拉姆在格拉肖工作的基础上各自独立地提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论。格拉肖和乔奇等人又通过选择一种新的规范场，建立了弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用的大统一理论。大统一理论给出的一些重要结果，解释了宇宙学和基本粒子物理学中的许多问题，并作了科学的预言，有些预言已得到实验证据。
物理学正朝着大统一的方向前进。也许有一天，人们会重新认识20世纪的科学伟人——爱因斯坦。
空间和时间的统一性
自古以来，空间和时间都被看成是两个完全无关的独立实体，伟大的牛顿在其《自然哲学之数学原理》中写道：
绝对空间就其本性来说与外界任何事物毫无关系，它永远是同一的、不动的。
绝对的、起初的数学时间本身按其本性来说是均匀流逝的，与外界任何事物无关。
牛顿关于空间的定义暗示着对于空间中的运动存在一个绝对参照系，而他的时间定义则意味着存在一个绝对的计时系统。但是实验证明了光速的不变性，这就打破了绝对的空间和绝对的时间。
我们设想有一列很长的火车，以恒速在轨道上行驶（参见图2）。我们可以把铁路路基看作是一个特定的参考物体，在这列火车上旅行的人们也可以很方便地把火车当作刚性参照物体，他们参照火车来观察一切事件。因而，在铁路线上发生的每一个事件，也在火车上某一特定的地点发生。那么，我们考虑一下，对铁路路基来说是同时的两个事件（例如A、B两处雷击），对于火车来说是否也是同时的呢？
当我们说A、B两处雷击相对于路基而言是同时的，这意思是：在发生闪电的A处和B处所发出的光，在路基A→B这段距离的中点M相遇。但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点。令M′为行驶中的火车上的A→B这段距离的中点。从路基上判断，当雷电闪光发生的时候，点M′自然与点M重合，但是M′以火车的速度向图中的右方移动。如果坐在火车上M′处的一个观察者并不具有这个速度，那么他就总是停留在M点，雷电闪光A和B所发出的光就同时到达他这里，也就是说正好在他所在的地方相遇。可是实际上这个观察者正在相对于铁路路基朝着来自B的光线以此，这个观察者将先看见自B发出的光线，而后才看见自A发出的光线。所以，把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论，即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。这样就得到一个结果：在一个系统中相隔一定距离同时发生的两个事件，当我们从另一个相对于它作相对运动的系统来观察时它们是不同时发生的。同时具有相对性，每一个参考物体都有它本身的特殊的时间，除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体而言，否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义。
我们再进一步设想，如果列车上有一位乘客先吃水果后吃饭。那么这两个事件对于列车来说都是发生在同一地点（同一个座位上），但时间不同。然而从站在路基旁的一个观察者看来，这个乘客吃水果和吃饭则是发生在不同地点的事件了。这个极普通的事实说明：一个系统中在同一地点但在不同时刻发生的事件，从另一个相对于它作相对运动的系统去观察时则是发生在不同地点的。
因此，我们从上述简单例子可以看出，空间和时间至少部分地可以相互转变，对一个系统来说，单单在空间（或时间）上分开的两个事件，当我们从另一个相对于其运动的系统观察时，它们之间会有一定的时间（或空间）间隔。
爱因斯坦证实，两个事件之间的时间间隔在不同的惯性参照系中（所谓惯性参照系是指使所有的牛顿运动定律特别是惯性定律有效的参照系）测量结果会不同，甚至两个在一般情况下完全一致的时钟在两个不同参照系中的运动速率也会不同，即“嘀嗒”之间的时间不一样。爱因斯坦的结论是时间膨胀，即快速运动的系统中一切物理过程都要变慢。相对性时钟变慢的数值由下式确定：
其中，t为相对静止的系统中的时间间隔，t为相对于该系统以速度运动的系统中的时间间隔，C为光速。
爱因斯坦还指出：不仅时间会膨胀，而且长度会缩短。相对性长度缩短的数值由下式确定：
其中，L为相对静止的系统中所测量的物体的长度，L为相对于该系统以速度运动的系统中所测量的该物体的长度。即快速运动的系统中，一切物体都要在运动方向上缩短。
相对论力学
从运动系统观察到的时间膨胀和长度缩短来源于相对论性的坐标变 换。
让我们考虑两个坐标系（x，y）和（x′，y′），它们彼此相对运动的速度是，并从它们的原点O和O′彼此重合的时候开始在两者中计算时间。现在设想在带撇的坐标系中一个固定不动的物体P，其位置到原点O′的距离是X′。在不带撇的坐标系中，这个物体在时刻t的x坐标是多少呢？即它到原点O的距离是多少呢？若按经典力学，答案是很简单的，经过时间间隔t后，两个坐标系原点分开了vt的距离，所以
在爱因斯坦以前，这两个今天称作“伽利略坐标变换”的公式被认为是一个常识。但是，空间距离部分地转换为时间间隔的可能性，要求我们用两个比较复杂一些的公式来代替这些看上去很普通很自然的式子。可以证明，为了满足光速不变性的要求和狭义相对性原理，旧的伽利略变换必须改为一组新的变换，即洛伦兹变换：
它们是由德国物理学家洛伦兹在迈克尔逊—莫雷实验的结果发表后不久导出的，但当时被洛伦兹和其他物理学家多少看成是一种纯娱乐性的数学游戏。正是爱因斯坦首先认识到，洛伦兹变换实际上反映了物理实在，它要求我们对旧的时间和空间观念进行彻底的变革。
相对论力学的另一个重要推论是，运动粒子的质量不再像牛顿力学中那样总保持为常数，而是随着速度的增大而增加的。影响运动物体质量的因子与影响长度缩短和时间膨胀的因子是一样的，一个以速度v运动的物体的质量由下式表示：
式中m0是所谓“静止质量”，即对于驱使原来处于静止的物体运动的力的惯性反抗力。随着物体速度的增大而接近光速时，速度的增加就 变得越来越困难，当v＝c时，反抗进一步加速的阻力就变无限大。这一 公式说明，任何物体都不可能比光运动得更快，因为事实上，由于惯性 反抗力的增大，使物体加速到以光速运动所需要的能量将变为无限大。
质能相当关系 ＝E mc2
爱因斯坦在他的 《物体的惯性同它所含的能量有关吗》一文中，运用狭义相对论的原理导出了一个关系式：
E＝mc2这称为质能关系式，它反映了质量和能量的相当性，从而揭示了物质和运动之间不可分割的联系。
我们可以用一个比较简单的方法导出这一关系式。
E＝mc2
物理学中很早就知道，被镜面反射的光对镜子会施加一定的压力。其强度不大，放在一支蜡烛前面的镜子不至于被其光推倒，但太阳光却能推动趋近太阳的彗星的气体，使之形成一条明亮的尾巴。俄国物理学家列别捷夫在1899年通过实验证明了光压的存在，并证明了光压在数值上等于反射光能量的两倍除以光速，即：
在镜面上反射的光对镜子施以压力，这类似于用一根水管子将水流 射到放在前面的一块板子上，而对板子所施加的压力。按照经典力学定 律，质点流对板壁所施加的压力等于它们的动量的变化率。如果用m代 表单位时间水流所传送的水的质量，V是水流的速度，则动量的变化为2 mv，因为它是从+my变到- mv。
如果对一束在镜面上反射的光应用同样的论据，那末就必须认为光 有一机械动量，它等于单位时间内落在镜面上的“光的质量”m乘以光速 c。因此光压可以写成：
这一爱因斯坦“质能等价定律”说明，经典物理学中“不可称重的”辐射能量与普通可以称重的质量是等同的。由于C2是一个很大的数，所以即使是一块很小的质量，其所含的能量也是可观的。这为核能的释放和利用提供了理论基础。
质量与能量的相当关系不仅适用于辐射能量，而且适用于所有其他形式的能量。例如电场和磁场都成一种可称重的物理实在，热也有可称
重的质量，一公斤水在100℃时比同样数量的冷水重10克。
爱因斯坦关于质量和能量等价性的发现，简化了物理守恒定律的内容。长期以来，彼此分立的质量守恒和能量守恒定律，现在可以合并为一条定律：对于一个封闭物质系统来说，质量和能量的总和在所有过程中不变。
四维世界
数学家闵可夫斯基曾是爱因斯坦在联邦工业大学上学时的老师。当年爱因斯坦经常逃课，闵可夫斯基骂他“懒胚”。当爱因斯坦《论动体的电动力学》发表以后，闵可夫斯基很快理解了，并看到了这篇论文的深刻意义。他实在没有想到，曾被他骂作“懒胚”的学生，现在竟写出了如此深刻的论文。闵可夫斯基是搞数学的，他从数学的角度认真地思考爱因斯坦的理论，结果得到一种非常美妙的描述狭义相对论的数学方法。
闵可夫斯基的论文在1907年发表。第二年夏天，在科隆举行的“德国自然科学家和医生协会”第80届年会上，他做了一个报告，宣传相对论的思想，题目是“空间和时间”，其中有一段著名的话：
“先生们！我要向诸位介绍的空间和时间的观念，是从实验物理学的土壤中生长起来的，这就是它们力量的所在。这些观念是带有革命性的。从现在起，空间自身和时间自身消失在阴影之中了，现实中存在的只有空间和时间的统一体。”
闵可夫斯基的报告引起了与会者的巨大反响。可惜3个多月后，疾病就夺去了他年仅44岁的生命。去世前，他万分遗憾地说：“在发展相对论的年代里死掉，真是太可惜了。”
闵可夫斯基所提出的思想是将时间作为三个空间坐标之外的第四个坐标，这样，一个系统相对于另一个系统的运动，可以看成是这个四维坐标架的转动。由此就可以很清晰地刻画狭义相对论的原理和相对论效应。
爱因斯坦的狭义相对论把长度缩短看作是观察者从一个运动的系统去观察物体时所看到的一种表观的空间收缩。空间的收缩和时间的膨胀对于两个处于相对运动状态的系统来说是对称的。空间距离一缩短，时间间隔就加长，这有点像一根具有给定长度L的棒的垂直投影和水平投影的情况一样。如果棒是水平放着的，则其垂直投影为零，而水平投影是L。如果棒是垂直放着的，其垂直投影是L，而水平投影是零。如果这根棒放在一定的角度θ，则垂直投影和水平投影不为零。由毕达哥拉斯定理我们有：
这使闵可夫斯基想到用四维坐标来描述狭义相对论。
为了把时间当作合法的第四个坐标，首先就要考虑用与三个空间坐标相同的单位来度量它，闵可夫斯基把时间乘以光速即C达到了这一要求。需要考虑的第二个问题是，空间坐标三者之间都是可以自由交换的，如果我们把一只箱子转过90°，它的长度就变为高度。对于时间坐标和空间坐标，这样完全的交换就不能存在。否则，一架时钟就会变成一把米尺或者一把米尺就变成时钟了。因此，若要把时间看作第四个坐标的话，不仅要把它们乘以光速，而且还要乘上另一个因子，使得四维坐标系的和谐性既不遭到破坏，而时间坐标又会在物理上与三个空间坐标不
闵可夫斯基画了一个图，现称为“闵可夫斯基图”（如图3所示）。这里因为不可能在平面上画出四维坐标的示意图，所以略去第三个空间坐标2，而代之以新的时间坐标ict。这张图上的每一点各代表一个事件，即发生在确定地点、确定时间的某一事件。同时发生的事件用一些垂直于时间轴的平面上的点来代表。发生在同一地点但不同时间的事件，都处于平行于时间轴的直线上。张开90°的锥面称为“光锥”，它相当于能够用光信号来联系的事件。例如，A点（事件）代表一个发射光波的闪光，则B点就相当于处在空间某处的物体被该光波照亮的事件。
如前所述，当我们从一个运动系统观察空间和时间间隔时，可以在几何上解释为一个四维坐标架的转动，将时间轴转动了一定的角度（如图3中的虚线及其字母）。但是，因为物
体运动的速度绝不能超过光速，所以ict轴所转动的角度θ绝不能大于90°。这样，我们可以把事件分为两种不同的类型。
像E和F所表示的这样的事件，它们的连线EF与时间轴所成的角度小于90°。这两个事件之间的时空间隔称为类时间隔，因为我们总可以找到一个运动坐标系，它相对于原来坐标系运动的速度恰好使得这两个事件处在新的时间轴上，使它们在新坐标系中空间间隔缩短为零。例如，我们乘车参加一个城市上午举行的游行，下午驱车到另一个城市看长跑比赛，就地球这个坐标系而言，游行和长跑比赛是在不同地点不同时间发生的两个事件。但如果我们把坐标系换成汽车上的坐标系，则上述两个事件实际上可看作发生在同一地点，空间间隔为零了。
像C和D这样的事件，连线CD与时间轴之间的角度大于90°。这种情况下，我们不能从第一个事件到达第二个事件，除非我们运动得比光速还快。例如光从水星运动到冥王星大约需要5小时多，我们不可能在水星上出席一点钟的舞会而在同一天的四点钟到冥王星上看电影。但是，我们总可以选择一个适当的旅行速度，把这两个事件的时间差缩短为零，使它们在我们所选择的时空坐标系中是同时发生的。这种成对事件的时空间隔称为类空间隔，因为通过适当方式的运动，我们可以把时间差缩短为零。
从闵可夫斯基图来看，时空连续统（光锥）分成三部分：“现在”、“过去”、“将来”。所有处在光锥上部的事件（t＞0），都是未来的事件，因为不论我们怎么运动，在看到它们之前都要经过一定的时间。我们可以影响未来的事件，但不受它们的影响。同样，所有位于光锥下部的事件（t＞0），都是过去的事件，因为我们无论运动得多快也不能看到它们。这些过去的事件能够影响我们，但我们不能影响它们。在光锥上部和下部之间，是称之为“现在”的部分。其中所包括的事件，或者在我们看来是同时的，或者可以使其是同时的，只要我们从一个运动速度比光速小的参照系去观察它们。
现在再来看四维坐标系。假定我们在时刻t=0从空间坐标的原点X=0，y=0，和z=0送出一个光信号。在时刻t时，这个光信号达到某个位置，其空间坐标是x、y和z，根据毕达哥拉斯定理，它到坐标原点
闵可夫斯基的工作对于促进人们充分认识狭义相对论的意义和推动狭义相对论的传播，起到了重要的作用，它后来还成为通向广义相对论的一个必不可少的步骤。
迎接挑战
爱因斯坦创立的狭义相对论对经典物理理论和人们的传统观念产生了巨大的冲击，不要说一般人，就是物理学家们也大多表示怀疑不理解，甚至反对。就连对相对论的创立作出过贡献的洛伦兹和彭加勒等人也对爱因斯坦的思想不理解。洛伦兹一直到生命的终结也不肯放弃以太的概念，彭加勒则说爱因斯坦“所走的道路之中大多数是死胡同”。
就在爱因斯坦提出狭义相对论不久，德国著名实验物理学家考夫曼写了一篇论文，说他对高速电子所做的实验，得到的结果和相对论有矛盾。这对爱因斯坦无疑是个挑战。物理学界都在等待爱因斯坦对考夫曼的论文作出答复。可是爱因斯坦对自己的理论像孩子一样自信，他相信相对论是伟大的自然规律的写照，如果相对论的公式和考夫曼的实验发生了冲突，那末错误肯定不在相对论一边。他没有理会考夫曼的挑战。而最后事实说明，考夫曼的实验装置有毛病。
也有人提出了一个“双生子佯谬”的问题。这个问题是这样的；假设两个完全一样的双生子生下来以后，在一定的年龄时，将双生子中的一个比如说A以高速送往宇宙空间，这样相对论效应便会显而易见。由于年龄的增大是一有赖于时间的过程，那末留在地球上的双生子B很快就会发现时间流逝对于A来说会变慢，也就是说，双生子A会比双生子B年轻。然而从双生子A来说，他知道一切运动都是相对的，因此，他认为处于运动的是双生子B，这样按照相对论，双生子B会更年轻一些。要明确确定到底哪一个双生子更年轻，一个方法就是让双生子A乘着高速宇宙飞船飞回地球，来进行比较。人们问到爱因斯坦，究竟哪一个双生子更年轻？爱因斯坦稍加思索之后，回答说，双生子A当然会年轻一些。问题在于两位双生子的经历是不同的，这从闵可夫斯基图可以明显地看出来，因此当他们重聚时，年龄会有区别。当然，彻底解决这一问题，还要依靠爱因斯坦后来创立的广义相对论。
要使一种变革传统观念的新思想或新理论为人们普遍所接受，往往需要一个相当长的过程，这在科学史上是不乏其例的。爱因斯坦的论文发表以后，大约经过了4年光景才开始较多地引起人们的关注。然而，
《论动体的电动力学》这篇论文的理论并不深奥，数学运算也更为简单，以致德国著名数学家希尔伯特说：“在我们数学的哥廷根大街上任何一个男童的四维几何知识都比爱因斯坦多。尽管如此，在这方面成绩卓著的却是爱因斯坦，而不是数学家。”问题就在于，爱因斯坦具有超人的对自然奥秘的深刻洞察力，敢于冲破传统的创造精神和深信宇宙完美和谐的坚定信念。
虽然爱因斯坦的狭义相对论思想提出后并未被大多数物理学家所理解和接受，但却有几位思想深刻的著名物理学家一下就看到了《论动体的电动力学》的重大意义，他们很快意识到了爱因斯坦思想的革命性，对爱因斯坦的相对论给予了极大的支持。其中包括普朗克、郎之万、劳厄、玻恩、闵可夫斯基等人。在他们的大力宣传下，加上不断得到实验事实的支持，爱因斯坦的相对论逐渐被人们所普遍接受，以致很长一段时间，“相对论”成了一个时髦的名词。
普朗克教授的支持
在支持和拥护爱因斯坦相对论的人中，值得一提的是反对爱因斯坦的光量子理论而却对相对论抱有极大热情的普朗克教授。
普朗克是德国《物理学杂志》的编辑委员。一天，当他在柏林大学的家中养病的时候，印刷厂送来了《物理学杂志》的清样，上面登载着爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，他随手翻了翻，立即被爱因斯坦的思想吸引住了。他忘记了医生的忠告，急忙移到书桌边，全神贯注地读了起来。过了好一刻，这位素以严格稳重著称的教授猛然跳起来，叫道：“简直是哥白尼！作者是什么人？他在哪儿？”普朗克的心里怎么也平静不下来，他马上按杂志提供的地址给从未见面的爱因斯坦写了一封信。普朗克写道：“你这篇论文发表以后，将会发生这样的战斗，只有为哥白尼的世界观进行过的战斗才能与它相比……”
爱因斯坦没有收到这封信，他和妻子带着小孩到塞尔维亚省亲去了。一直到爱因斯坦重新回到伯尔尼才见到普朗克的信。他心里非常高兴，马上给普朗克教授写了一封回信，感谢教授对自己的关心，也谈到自己在专利局的工作，当然谈得最多的还是物理学。这封回信使普朗克很感慨，爱因斯坦给物理学带来了革命，可是，这位物理学的革命家，却在专利局里干些琐事，连在大学里教书的机会都没有！
普朗克非常想见到爱因斯坦，1907年7月6月，他写信给爱因斯坦：
“明年我可能到瑞士度假。虽然还很遥远，可是想到能和你见面，心里很高兴。”
这一年，苏黎世联邦工业大学的克莱纳教授写信给爱因斯坦，建议他向伯尔尼大学申请“编外教师”的职位。按照当时的规定，先要当一段时间没有薪水的“编外讲师”，才有资格被任命为教授。爱因斯坦听从了这一建议，向大学当局提出了申请，并且把《论动体的电动力学》单行本送到了物理系。可是没有成功。第二年，克莱纳再次写信给爱因斯坦，教这个“大孩子”怎样行事。更多的人为爱因斯坦鸣不平。普朗克也为此写了推荐信。暑期，“德国自然科学家和医生协会”理事拉登堡来到伯尔尼和爱因斯坦讨论问题，并访问了伯尔尼大学，他对校方说：
“瑞士教授联合会中竟然没有爱因斯坦，这使我惊奇。”终于，1908年10月23日，一封印有伯尔尼州徽的公文送到了专利局，通知爱因斯坦，他有权在州立伯尔尼大学选讲自己的课程。
1908年至1909年冬季，爱因斯坦仍在专利局工作，并兼任编外讲师。1909年7月，他第一次获得学术荣誉，日内瓦大学授予他名誉博士称号，并邀请他参加350周年校庆活动。同年9月，他又到萨尔斯堡参加“德国自然科学家和医生协会”第81届年会。这是他第一次应邀做学术报告，也是第一次和物理学界的同行们相会。大家已把他列入巨人们之列，他在巨人中寻找普朗克。他把双手向普朗克伸去，创立量子论和创立相对论的两双手终于紧紧握在一起了。
10月，从萨尔斯堡回来后，爱因斯坦辞别了贝索，辞别了专利局的哈勒局长和同事们。苏黎世联邦工业大学，他的母校，终于向他敞开了大门，聘请他为副教授。
1911年初，从奥匈帝国波希米亚省的省会布拉格发来了聘书，聘爱因斯坦为布拉格德国大学的正教授。那儿待遇高，工作条件好，开普勒在那里工作过，而他所赞赏的哲学家和物理学家马赫是这所大学的第一位校长，他接受了。按照规定，在宣布委任之前，需要有被荐人的推荐信。普朗克又给了爱因斯坦一个很大的支持，他在推荐信中写道：“如果爱因斯坦的理论被证明是正确的，这个我想没有问题，那末他将被认为是20世纪的哥白尼。”
1911年秋天，爱因斯坦带着全家从苏黎世来到了布拉格，担任了布拉格大学的编内正教授。
不久，在物理学发展史上有重大意义的索尔维会议在布鲁塞尔召开了。这个会议是比利时化学家和工业家、百万富翁索尔维接受德国著名物理化学家能斯特的建议组织召开的。会议邀请了20多位世界各国最杰出的物理学家，给他们订了头等来回客票，在大都会饭店包了几十间头等客房和两个会议大厅，并外加每人1000法郎的礼金。爱因斯坦也接到了请柬，以奥匈帝国皇家大学教授的身份来到了布鲁塞尔。
世界上从来没有这么多的“智慧”聚集在一起，这儿真是群星灿烂！大家纷纷做学术报告，并自由交换对当时“物理学危机”的意见。普朗克的头顶几乎全秃光了，他握住爱因斯坦的手，显得有些兴奋，亲切地向爱因斯坦介绍：“德国来了能斯特、维恩，法国来了居里夫人、郎之万和彭加勒，英国来了卢瑟福和金斯，荷兰来了洛伦兹和昂内斯……”
在索尔维会议上，物理学家们对相对论也进行了热烈的讨论。虽然在这次会议上，相对论并未被充分的理解，但是世界认识了爱因斯坦。
索尔维会议之后，在物理学的同行中，访问爱因斯坦或邀请他去访问的人越来越多。欧洲的许多大学都向爱因斯坦发出讲学邀请，甚至大洋彼岸美国的哥伦比亚大学也发来邀请。苏黎世联邦工业大学终于不敢怠慢自己的学生了，他们请爱因斯坦回母校主持一个新开设的数学物理学讲座。
面对这么多的邀请，爱因斯坦选择了母校。因为他的妻子米列娃不喜欢布拉格，她想念苏黎世，而爱因斯坦对母校也有一种依恋之情。1912年秋天，爱因斯坦回到了母校，聘书的期限是10年。他见到了学生时代最要好的朋友格罗斯曼，格罗斯曼此时也在母校担任教授。
在第一届索尔维会议上，爱因斯坦给普朗克留下的印象太深了。普朗克深深感到，这位年仅32岁的爱因斯坦教授，正站在天才的顶峰上，不愧是当代的物理学的泰斗。回到柏林以后，普朗克开始从事一项困难的工作，他要把爱因斯坦请到柏林来。普朗克和能斯特，这两位德国物理学界的台柱人物，联名向上司报告：只有把爱因斯坦请来，柏林才能成为世界上绝无仅有的物理学研究中心。
1913年夏天，这两位年过半百、德高望重的权威学老，风尘仆仆地来到了苏黎世，拜访年轻的爱因斯坦，向他发出诱人的邀请。爱因斯坦将被委任为威廉皇帝物理研究所的所长并把他选进普鲁士科学院任院士，还聘他担任柏林大学的教授。而且许诺，爱因斯坦有讲课的权力，但是没有讲课的义务。讲多讲少，讲什么内容；讲多少时间，都由他自便。大学里的一切事务，他都不必过问。
爱因斯坦有些犹豫，他不愿离弃苏黎世和平宽容的环境，也不愿去同柏林的军事、傲慢和伪善的环境打交道。然而，柏林有一批世界杰出的物理学家和数学家，有那样优越的使他能全身心投入研究的条件。结果普朗克和能斯特还是说服了他，但还不是最后同意。又经过几天认真地思考，爱因斯坦终于接受了邀请。1913年7月10日，在普鲁士皇家科学院学部全会上，爱因斯坦以44票对2票，荣膺为正式院士。这以后，他除了几次外出出访和讲学外，一直在柏林工作了近20年。
4.探索引力与宇宙之谜
独创的引力理论
在狭义相对论发表以后，爱因斯坦科学研究的主流就在于探索更广泛的理论，这就是广义相对论。
爱因斯坦第一次考虑广义相对论是在1907年。这个思想是突然产生的。爱因斯坦建立狭义相对论以后，他对狭义相对论并不满意，因为这个理论只局限于彼此作相对运动的参考系，而不能用于参考系的一般运动。他力图突破这种限制，设法解决在一般情况中的相对论问题。1907年约翰·斯塔克要爱因斯坦为《放射性年鉴》写一篇关于狭义相对论的专题论文。在写这篇文章时，他忽然想到，几乎所有自然规律都可以在狭义相对论的框架内加以讨论，而唯独引力定律不行。最令他不满意的是，虽然狭义相对论对惯性和能量之间的关系已经作了明确的阐述，但是对惯性和重量或引力场能量之间的关系并没有阐述清楚。他意识到这个问题不可能在狭义相对论的框架内得到解决。如何下手呢？
有一天，忽然有了突破。爱因斯坦在伯尔尼专利局，正坐在一把椅子上，突然一个想法打动了他：如果一个人自由下落，他就不会感觉到自己的重量。他吃了一惊。这个简单的思想实验对他有极深刻的影响，它把爱因斯坦引向了引力理论。他坐在椅子上继续思考：一个下落的人被加速，那么他的感觉和判断就都发生在加速的参考系中。他决定把相对论扩展到有加速度的参考系。他感到，这样做就有可能同时解决引力问题。一个正在下落的人感觉不到自己的重量，因为可看作在他的加速度参考系中有一个新的引力场，它抵消了地球的引力场。在加速度的参考系中，看来需要一个新的引力场。
爱因斯坦作了进一步的思考，将思考的结果写入发表在德国《放射学和电子学年鉴》1907年第4卷的《关于相对性原理和由此得出的结论》一文中。在该文的第五部分“相对性原理和引力”中，他一开始就提出一个问题：“是否可以设想，相对性原理对于相互作加速运动的参照系也仍然成立？”也就是说，应该成立一条“广义相对性原理”：即所有参考物体K、K′等不论它们的运动状态如何，对于描述自然现象（表述普遍的自然规律）都是等效的。惯性参照系不应该是自然界中的一种具有特殊地位的参照系。
同时，在该部分，他明确地提出了“等效原理”：引力场同参照系的相当的加速度在物理学上完全等价。所谓等效原理，即认为从时空小范围来看，一个没有引力场的匀加速运动的坐标系同有引力场的惯性系是等价的。也就是说，可以在任何一个局部范围内找到一个坐标系，使引力在其中被消除。其合理性可以通过一个理想电梯实验来说明。比如，一个人处于密闭的电梯内，在地球引力场内让电梯处于静止或匀速运动的状态，此时电梯是一个有引力场的惯性系，电梯内的人受到引力作用，使他的脚同地板间产生的压力等于他的重量。另外再设想若不存在地球引力场，而使密闭的电梯以与重力加速度数值相等的加速度向上运动，此时电梯是一个没有引力场的非惯性系，电梯里的人在惯性力的作用下使他的脚同地板间也产生一个压力，其数值显然也等于他的重量。处于上述两种情况的人将无法区别电梯到底是处于加速运动状态还是处于引力场中。假使处于地球引力场中的电梯绳索断了，那么电梯将作自由落体运动，这时处于密闭电梯中的人将看不到任何引力存在的现象，即处于失重状态。这说明，可以通过选择某种坐标系，在局部范围内使引力完全消除。这个理想实验也说明，任何可以归属于加速参照系的效应都可被看作是一种引力效应。
爱因斯坦在这篇文章中对广义相对论的思考还是初步的，一些细节仍有些含糊。等效原理只是帮助他讨论了引力对电磁场的个别效应。大约3年时间，爱因斯坦又醉心于新电子论的研究，想解决电子和电磁场的联接问题，但情况并不顺利，他于是又转向引力论。
1911年6月，爱因斯坦在《关于引力对光传播的影响》一文中进一步阐明了光在引力场中弯曲的必然性。这可以通过下面的理想实验来说明（参见图4）。
设有三个结构完全相同的密闭实验室：惯性实验室、加速实验室和引力实验室。假定在各实验室的同一部位有光线射入，先看惯性实验室，根据狭义相对论，光在惯性系中是以不变的光速作直线运动，因此在这个实验室中的人看到的光线是平直的。再看加速实验室，由于实验室在向上加速，那么原来在惯性系中看来是平直的光线，在加速实验室中看来就要是弯曲的了。根据等效原理，加速实验室等价于引力实验室，因此，如果光线进入处于引力场中的实验室，其中的人也就应该很自然地看到光线的弯曲。爱因斯坦预言，光线经过太阳附近时要受到0.83″的偏转，对木星来说，是这个值的1/100，他迫切希望天文学家能作出检验。爱因斯坦在该文中还明确提出了惯性质量与引力质量等同，即惯性质量与引力质量具有同一性这个概念。这是等效原理的一个很自然的结论。他想把这一概念安插到一个更为一般的结构中去，但没有完全取得成功。因为这时他还没有放弃牛顿的引力理论，只是在它上面添加了一些个别的新原理，拼凑起一个正确与错误的混合物，以致虽然很接近问题的答案，但毕竟还不是。尽管爱因斯坦的这篇论文还不成熟，但它却像黑色的夜空中划过的一道光亮，成为他最终通向广义相对论的桥梁。这篇文章是他在布拉格期间最重要的成就。
后来，爱因斯坦意识到，合理的引力理论只能希望从广义相对性原理来得到，即使一切坐标系，不管是惯性坐标系还是加速坐标系，都是平权的，客观真实的物理规律在任意坐标变换下形式不变（称为广义协变）。这样，他才接近了广义相对论的门槛。而要打开大门，他还缺乏必要的数学工具。在大学时，他一定程度上忽视了数学。要处理有关加速度参考系的问题，欧几里得几何学是不适用的，那末用什么样的几何呢？
1912年他回到苏黎世，问题才解决，他的朋友、数学家格罗斯曼帮助了他。爱因斯坦在伯尔尼专利局工作时，难于看到数学论文，格罗斯曼就曾经帮助过他，向他提供过不少数学文献资料。这次，格罗斯曼与爱因斯坦多次长谈，并把爱因斯坦引进了数学方法的园地。他们在里奇和勒维·契维塔的绝对微积分以及黎曼几何中找到了合适的数学工具。就这样，爱因斯坦经过艰苦的摸索和无数的辛劳，终于在1913年和格罗斯曼完成了《广义相对论和引力理论纲要》的论文。其中物理部分由爱因斯坦执笔，数学部分由格罗斯曼执笔。广义相对论的大门终于打开了。在这篇论文中，爱因斯坦引入了更广泛的坐标系，使用了非线性坐标变换，推导出引力场中的质点运动方程。不过，他所得到的引力场方程和引力场存在时的电磁场运动方程还是不完整的。
1913年秋，爱因斯坦从苏黎世前往维也纳出席自然科学家会议。他在这个会议上作了一个关于广义相对论的比较通俗的报告。尽管理论还未最终完成，但爱因斯坦等不及了。
1915年，是爱因斯坦在探索广义相对论的道路上富有成果的一年。他先发表了一篇《用广义相对论解释水星近日点运动》的论文，不用任何特殊假设就成功解释了水星在近日点的运动：每100年大约转43″。他还纠正了1911年计算光线经过太阳附近时弯曲的错误数值0.83″，新结果比原先大1倍即1.7″。这年11月，爱因斯坦终于完成了他的广义相对论的集大成论文《广义相对论的基础》，该文发表于1916年的德国《物理学杂志》上。在这篇论文中，他终于得到了正确的引力方程式。从此，他暂时结束了从1907年以来对广义相对论所进行的艰苦卓绝的探索。
根据广义相对论，现实的有物质存在的空间不是平直的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。空间弯曲的程度取决于物质的质量及其分布状况，空间曲率体现了引力场的强度，引力只不过是空间弯曲的效应，它是一种假想的力。从广义相对论的观点看来，地球绕太阳运动是由于太阳的巨大质量使太阳周围的空间发生弯曲，使地球走着一条弯曲的轨道，并不是因为存在什么神秘的超距作用的引力。光线的弯曲即说明了空间的弯曲，因为光线就是空间的短程线。
生活在三维空间里，怎样理解空间的弯曲呢？爱因斯坦指出，可以借助二维空间的类比来理解。一个生活在二维表面上的生物如何判断它所处的面是平坦的还是弯曲的呢？一个有效的方法就是在面上画三角形，如果它们画出的三角形三内角之和是180°，那末它们所处的面就是平面，如果大于180°，它们所处的面就是球面，如果小于180°，则它们活动于其上的面就是马鞍形曲面。三维空间的判断是类似的，看其是否是欧几里得空间，一个可能的方法就是测定光线的运动。
广义相对论的验证
广义相对论的验证在当时有三个。一个是水星近日点的运动。1859年，法国天文学家勒维烈发现水星近日点绕太阳运动的速度和牛顿力学估计的每百年差43″。勒维烈曾把这一误差解释为存在一颗“火神星”，由于“火神星”的影响造成的。许多天文学家试图发现这颗所谓的“火神星”，但都以失败而告终。43″的差异成了一个不解之谜。而广义相对论创立后，这个谜得到了合理的解释。根据广义相对论的计算，水星近日点本来就应当有43″的运动，根本不存在什么火神星。
广义相对论的第二个验证是引力频移。由广义相对论固有时间与引力位势的关系可知，当光在引力场中传播时，它的频率会发生变化，从巨大质量的星球射到地球上的光线的光谱线将向红端移动（即引力红移），而从地球射到质量巨大的星球表面的光的光谱线则向紫端移动，故统称为引力频移。1924年，美国天文学家亚当斯通过对天狼星伴星的光谱线进行观测，证实了这一预言。
另一个是对广义相对论预见引力场将使光线发生弯曲的验证，这一验证带有戏剧性。爱因斯坦在1911年的论文中，对光线在引力场中的弯曲作了明确的预言。1914年，德国天文学家组织了一支考察队前往俄国克里木半岛，想在日全食时进行观察，试图验证这一预言。不幸第一次世界大战爆发，考察队员全被俄国人当作战俘扣留，使验证未能实现。这一不幸对广义相对论倒成了一件幸运的事，因为当时爱因斯坦的预言有误，实际值会比他的计算值大1倍。1915年，爱因斯坦根据空间几何形变修正了1911年的计算，提出了1.7″的预言数值。英国天文学家爱丁顿在1916年通过中立国荷兰天文学家的介绍。得到了《广义相对论基础》的单行本，立即表现了极大的兴趣，并决定利用1919年5月29日将要发生的日全食来进行验证。在爱丁顿的推动下，1919年大战一结束，英国皇家天文学会就派了两支观测队分别由爱丁顿和克罗姆林率领，前往西非几内亚湾的普林西比岛和南美洲的索布腊尔进行观测。1919年11月6日，英国皇家天文学会宣布了观察结果，两地所得的观测值分别是1.61±0.30″和1.98±0.12″，在误差范围内都与爱因斯坦的预言符合。主持会议的皇家学会会长汤姆孙教授说：“这是自牛顿以来，万有引力论的一项最重要的成就”，“这不是发现一个孤岛，这是发现了新的科学思想的新大陆。”消息立刻传遍全球，一夜之间爱因斯坦成了世界名人。
爱因斯坦一直把广义相对论看作自己一生最重要的科学成就，他对自己的学生、波兰物理学家英费尔德说过：“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟了。但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”广义相对论是爱因斯坦独特思想的伟大创造。
有限无界的静态宇宙模型
爱因斯坦建立广义相对论后不久，就试图用广义相对论来考查宇宙空间问题。宇宙的奥秘太神奇了，这深深吸引着他。
宇宙是人类一个古老的话题。自从牛顿建立了完整的经典力学体系之后，在整个18世纪和19世纪前半期，占统治地位的是牛顿式的无限宇宙模型。它认为宇宙是无限的、永恒的，包含有无穷多的天体，大体上均匀地散布在无限的宇宙空间中。
对于这样一种宇宙模型，1820年，德国天文学家奥伯斯提出一个发难，称为奥伯斯佯谬。他认为，按照牛顿式的无限宇宙模型，很容易推出地球上的夜空将无限明亮，因为地球表面可以接收到宇宙中无穷多恒星的无限大的辐射能，然而夜空是黑暗的，这是最最古老的天文观测事实，只要有视觉的人都能看到这个极其普通的天文现象。奥伯斯提出这一光度矛盾问题之后，不少人力图消除它，但一直未获得满意的答案。
1894年，德国天文学家西利格尔又提出了一个引力佯谬的问题。这个佯谬同光度佯谬有共同的本质，是经典的无限宇宙模型的直接结果。西利格尔指出，如果牛顿引力定律在这样一个无限的宇宙中起作用的话，那末在半径为r的巨大球形空间中恒星的数目将正比于r3，因此，对于这样一个球的表面上的任意一点，引力的强度将正比于r。结果是，球面上的引力场将随着r的增大而无限地增强。由于我们可以选任一点作为这球形空间的中心，因此，其结果必然是，在宇宙空间的每一点上，引力势都是无限大，任何物质都受到无限大的力的作用，每一个宇宙空间中的物体都要获得无限大的加速度和速度。事实上，在天文观测中，并没有发现这种情况。尽管有些天文学家提出了一些假设来试图消除西利格尔佯谬，但也未获得令人满意的答案。
爱因斯坦分析了无限宇宙模型的困难，根据广义相对论时空弯曲的概念，提出了自己的宇宙模型。他的论文出现在1917年的《普鲁士科学院会议报告》上，题目是《根据广义相对论对宇宙学所做的考查》。他在这篇论文中，为避免在空间无限处给广义相对论方程设立边界条件的困难，假设宇宙在空间上是有限无界的，提出了一个有限无界的静态宇宙模型。
关于“静态”，爱因斯坦假设了一个“宇宙学原理”。这条原理是说：宇宙间的物质均匀分布，无论从宇宙的那个位置和那个方向看，所看到的宇宙图像都是相同的。对于“有限无界”，爱因斯坦认为，根据广义相对论，物质在空间的分布，会使空间发生弯曲，这种弯曲会使宇宙空间形成一个封闭的非欧几里得球形空间，所以它是有限而无界的。关于这一点，我们可以设想一个球面，球的大小是有限的，然而在球面上爬行的小虫是永远找不到一条边界的。正如爱因斯坦以前取得的许多成就一样，他成功地以新的方式把一些特殊的概念联系起来，因此避免了牛顿式无限宇宙模型所遇到的困难。
在爱因斯坦提出他的宇宙模型之后12年，美国天文学家哈勃在观测中发现，所有的星系，彼此之间的距离都在不断地增大，宇宙不是静态的，它在膨胀着。这无疑是对爱因斯坦有限无界静态宇宙模型的冲击，在事实面前，爱因斯坦坦然地承认了自己的错误。在这之后，宇宙学理论有了飞速的发展。尽管爱因斯坦提出的宇宙模型有他的局限性，然而它却开拓出了一门新的科学——现代宇宙学。
荣获诺贝尔物理学奖金
1922年11月10日，一封电报送到了爱因斯坦在柏林的住宅，电文如下：“您被授予诺贝尔物理学奖金，详请见信。奥里维留斯（签名）。”也在这一天，瑞典皇家科学院秘书奥里维留斯教授写信给爱因斯坦：“我已经在电报中通知您，在昨天举行的会议上，皇家科学院决定授予您上年度的诺贝尔物理学奖，这是考虑到您在理论物理方面所做的工作，特别是您对光电效应定律的发现，但没有计及您的相对论和引力理论所具有的价值，尽管它们曾得到证实。”就在爱因斯坦获得1921年度奖金的同一天，1922年度的奖金授予丹麦物理学家玻尔，这是由于他“在原子结构和原子辐射方面的贡献”。
早就准备给爱因斯坦颁诺贝尔奖金了，但是，诺贝尔奖金委员会犹豫不决。从1910年至1920年间，除了1911年和1915年之外，爱因斯坦都因创立相对论的贡献而被提名为诺贝尔物理学奖的获得者，但相对论遭到不少的反对意见，因而未通过。诺贝尔奖金委员会当时有一个传统，就是奖金要授予具体的发明，而且是没有争议的有实用价值的发明，瑞典科学院和诺贝尔奖金委员会害怕因授奖相对论而引起纠纷。
后来，普朗克提议1921年度奖和1922年度奖分别授予爱因斯坦和玻尔，奥森又对爱因斯坦1905年论光量子的文章和1909年对黑体辐射的能量涨落所做的工作做了极好的分析，诺贝尔奖金委员会重新提议爱因斯坦为获奖者，随之瑞典科学院投票通过。获奖的理由，措词是：“由于爱因斯坦发现光电效应定律以及他在理论物理学领域的其他工作，特授予奖金。”
布里尔奥因在1921年的提名信中写道：“如果爱因斯坦的名字不出现在诺贝尔荣誉获得者的名单中，设想一下，50年后的公众舆论将会是怎样吧。”
爱因斯坦因光电效应方面的研究而获得诺贝尔物理学奖，这是当之无愧的。但是，没有因相对论而获奖，这是物理学史上一个永久的遗憾。按他的学生兰佐斯的说法，爱因斯坦一生理应获得5个诺贝尔奖，这指的是对布朗运动的研究，提出了光量子理论，创立狭义相对论，发现质能相当性和建立广义相对论。
爱因斯坦没有收到奥里维留斯通知他已荣获诺贝尔奖金的信，1922年秋，爱因斯坦已带着他的第二个妻子艾尔沙乘日本轮船去东方了。日本方面寄来了一封封请帖，邀请他到日本去讲学。他们穿过地中海和印度洋，在科伦坡、新加坡、香港和上海作了短暂的停留，11月底到达日本神户。所到之处，受到极热烈的欢迎，各阶层人民都把爱因斯坦的到来看作是非常愉快的事情。他是在路经上海，瑞典驻上海领事馆领事递给他获奖电报时，才知道获奖的。他只是哈哈一笑，并未显得过分激动。这就是爱因斯坦，名和利都不在乎，要紧的是他的科学，他的思想。
日本访问结束，回国途中，他访问了巴勒斯坦和西班牙，然后立即返回柏林。
玻尔于1922年12月10日在斯德哥尔摩领取了1922年度奖金，那时爱因斯坦还在访问途中。1923年6月，爱因斯坦去瑞典参加诺贝尔奖金授奖仪式。在哥德堡，他在斯堪的纳维亚学者们的集会上发表了讲演，瑞典国王也出席了这次会议。
1925年以后，爱因斯坦有很长一段时间没有出远门旅行。后来曾到比利时、古巴和英国访问，也曾两度去过美国，美国给他留下了美好的印象。1933年1月，德国纳粹上台，接着，迫害犹太人，他的著作被焚，在德国的财产被没收。1933年9月初，纳粹以2万马克悬赏杀死他。于是，他于9月9日出走英国。10月7日，爱因斯坦带着妻子和助手等从英国登上一艘去美国的轮船，永远离开了欧洲。后来一直定居于美国的普林斯顿，担任高等学术研究院的教授。
坚持走一条自己认准的路
当爱因斯坦在柏林寻找通向广义相对论之路的那段日子里，理论物理学中一场新的运动在哥本哈根开始了，它很快成了物理学界注意的中心。丹麦物理学家玻尔把量子概念应用于解释原子结构。1923年，法国物理学家德布罗意提出物质波理论，把物质粒子波粒二象性的崭新概念引进了物理学。1925年，奥地利物理学家泡利提出两个电子不能共处于同一量子状态上的不相容原理。德国物理学家海森堡的矩阵力学和奥地利物理学家薛定锷的波动力学也建立起来了。量子物理学进入了一个蓬勃发展的非常时期。
爱因斯坦在20年代也曾为量子理论的发展做过杰出的贡献，但他的主要精力没有放在这里，他在走着一条另外的自己认准的路。
量子力学创立不久，爱因斯坦就与几位主要的量子力学家产生了重要的意见分歧。爱因斯坦虽然对以玻尔和玻恩为代表的量子力学家的成就十分钦佩，但他又不满足于微观世界的这些规律仅仅具有或然性，不满足于他们对于量子力学的解释。他认为，量子统计力学并非什么新东西，只不过是人们长期以来还不能完整地描述事物而采用的权宜之计。他坚信，物理学应该对于客观的实在状况作出和观察者无关的描述。在物理学史上，他曾有过与玻尔为代表的哥本哈根学派之间的激烈争论，这个争论维持了相当长的时间，甚至延续到他生命的结束。而量子力学的发展已是当时物理学界大势所趋的主流。爱因斯坦的科学思想和当时大多数物理学家的思想方法之间的距离越来越大了。他在后半生孤独一人埋头于统一场论的研究，似乎脱离了物理学发展的洪流。玻恩曾说：
“这对爱因斯坦本人，对我们来说都是悲剧。因为他在孤独地探索他的道路，而我们却失去了领袖和旗手。”但爱因斯坦痴心不改，始终认为他对统一场论的探索是有意义的。
爱因斯坦对统一场论的探索是从1923年以后开始的。爱因斯坦一贯相信：世界是统一的，世界是合乎理性的，世界服从于存在的统一规律。在狭义相对论和广义相对论建立以后，已知的引力场和电磁场却没有统一起来，这种情况使爱因斯坦很不满意。他认为广义相对论还有缺陷，它没有把电磁场包括在内，于是他力图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论，用以解释物质的基元结构。他把这看作是相对论发展的第三个阶段。
最早从事这方面工作的是魏耳和卡鲁查等人。他们由于广义相对论用黎曼几何描述引力场取得了巨大成功，便产生了用新的几何方法统一描述引力场和电磁场的想法。魏耳企图用修改黎曼几何的方法建立一个被称为“规范不变几何学”来统一描述引力场和电磁场，而进一步的研究表明，这种几何不能描述电磁场。卡鲁查则把黎曼几何由四维增加到五维，试图将引力场和电磁场统一起来，结果失败了。爱因斯坦最初是设法推广卡鲁查的工作，但没有取得成功。他还试图把场和物体联合成为一个具有场构造的统一体，然后用一种几何方法去描述这种场和实物的统一体，也没有取得实际成果。虽然他在1929年、1945年和1954年曾取得一些进展，但都只停留在数学的表述形式上，没有得到有物理意义的结果。在逝世前夕他与他的学生柏格曼一起提出的不对称场论，是他最后一个统一场论模型。在这个模型中，他用度规张量来统一描写引力和电磁两种相互作用。度规张量由对称和不对称两部分组成，分别描述引力场和电磁场。但是这个方程无法求解。爱因斯坦最终未能实现自己的宏愿。
爱因斯坦1955年3月（即他逝世前一个月）为纪念母校苏黎世联邦工业大学成立100周年而写的回忆录《自述片断》中说：“自从引力理论这项工作结束以来，到现在40年过去了，这些岁月我几乎全部用来为了从引力场理论推广到一个可以构成整个物理学基础的场论而绞尽脑汁。有许多人向着同一个目标而工作着，许多充满希望的推广我的主张后来一个个放弃了。但是最近10年终于找到一个在我看来是自然而又富有希望的理论。不过，我还是不能确信，我自己是否应当认为这个理论在物理学上是极有价值的，这是由于这个理论是以目前还不能克服的数学困难为基础的，而这种困难凡是应用任何非线性场论都会出现。此外，看来完全值得怀疑的是，一种场论是否能够解释物质的原子结构和辐射以及量子现象。大多数物理学家都是不假思索地用一个有把握的‘否’字来回答，因为他们相信，量子问题在原则上要用另一类方法来解决。问题究竟怎样，我们想起莱辛的鼓舞人心的话：‘为寻求真理的努力所付出的代价，总是比不担风险地占有它要高昂得多’。”
爱因斯坦曾就统一场论，在给老朋友索洛文的信中说过：“我完成不了这项工作了；它将被遗忘，但是将来会被重新发现。”
事实上，物理学家们并没有忘却。1954年，美籍物理学家杨振宁和米尔斯提出了普遍规范场论，为统一场论的研究开辟了一条正确的途径，即沿着规范场论的途径。1967年，温伯格和萨拉姆在格拉肖工作的基础上各自独立地提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论。格拉肖和乔奇等人又通过选择一种新的规范场，建立了弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用的大统一理论。大统一理论给出的一些重要结果，解释了宇宙学和基本粒子物理学中的许多问题，并作了科学的预言，有些预言已得到实验证据。
物理学正朝着大统一的方向前进。也许有一天，人们会重新认识20世纪的科学伟人——爱因斯坦。