这次爱因斯坦又设计了一个实验，人们管它叫爱因斯坦升降机实验。他假设有一个人，站在密闭的电梯中，当电梯静止或作匀速运动时，这就是一个惯性系，由于人受到地球引力的作用，这个人双脚和地板的压力正好等于他的体重。假设这个电梯脱离了地球的引力场，比如把它搬到太空中，让这个电梯以与重力加速度数值相等的加速度向上运动，此时电梯是一个加速系，人的双脚与地板之间的压力仍等于它的体重。在电梯中的人，无法判断他到底是在地球上作匀速运动还是在太空中作加速运动，也就是说，这两种状态是等价的。而当电梯的绳索断了时，电梯将在重力场中自由下落，此时电梯中的人将感不到引力的存在，处于失重状态，也就是说，可以通过选择某种坐标系，在一定范围内使引力完全消除了。
这是爱因斯坦一生中最高兴的时刻，他终于找到了解决问题的关键，那就是等价原理。在一个小的时空范围内，一个加速系可以等价于引力场中的惯性系，这样就有可能把相对性原理从惯性系推广到非惯性系了。
不过，从等价原理到建立广义相对论，还有漫长的路要走。爱因斯坦发现他的数学工具不够用了，在他的老同学、数学家格罗斯曼的帮助下，他找到了合适的数学工具——黎曼几何。
1915年，爱因斯坦提出了广义相对论引力方程的完整形式，1916年3月完成了总结性论文《广义相对论基础》。历经10年的艰苦探索，相对论大厦的第二层楼房——广义相对论建成了。
爱因斯坦把建立广义相对论看作他毕生最重要的成就。他曾说过，建立狭义相对论的历史条件成熟了，即使不是他，别人也会建立狭义相对论。而建立广义相对论的情况却不是这样。
的确，广义相对论的建立与爱因斯坦本人是一位天才科学家有很大关系。如果没有他的革命批判精神、敏锐的物理直觉和高超的数学技巧，是不可能建立广义相对论的。因此，有的科学家评论，没有爱因斯坦，我们也许还要在黑暗中摸索。
广义相对论给人们带来了对物质运动、时空、引力的全新概念。
在牛顿力学中，物体之间存在着万有引力，而且这种力是瞬时、超距作用的，两个星体无论相隔多远，它们相互之间的引力传递不需要任何时间。而狭义相对论指出，任何物体的运动速度都不可能超过光速，那么如何解释引力呢？
爱因斯坦的广义相对论给了引力之谜一个全新的解答。在这里牛顿假设的万有引力不再存在了，广义相对论认为物质和它的运动决定了时空的几何形式。物质分布得越密，时空弯曲得就越厉害，物质周围的引力场就越强。地球和其他行星之所以绕着太阳旋转，是由于太阳的巨大质量使太阳周围的空间发生了弯曲。
与传统的时间和空间观念完全不同，空间和时间是运动着的物质的存在形式。有一位记者曾问爱因斯坦什么是相对论，爱因斯坦半开玩笑地说：“如果把所有的东西都从世界中运走，人们过去认为残留下来的就是时间和空间，那么，现在人们知道了，单独的空间和时间根本不存在。”这表明了物质、运动、空间和时间的不可分割的关系。
三大验证
爱因斯坦在世时，曾有人说，世界上懂相对论的人不到几个人。的确，人们从日常经验出发，很难理解相对论。但是，这一学说很快便为实践所证实。
1915年，爱因斯坦应用广义相对论，成功地解决了历史上的一个悬案——水星近日点近动。
早在1845年，法国天文学家勒维烈发现，水星的近日点在不断前移。根据牛顿万有引力定律，在排除了金星和其他种种因素之后，每100年仍有43秒差异无法解释。于是勒维烈预言，还存在一颗尚未发现的星，正是这颗星的万有引力造成了这43秒差异。他给这颗星起名为火神星。勒维烈曾利用万有引力定律成功地发现过海王星。
可是，天文学家们花了几十年时间都没有找到这颗神秘的火神星。爱因斯坦用广义相对论最终揭开了火神星之谜。原来，由于太阳的巨大质量，使周围时空发生了弯曲，水星是离太阳最近的一个星，受这种影响最大，根据广义相对论计算，恰好每个世纪应该有43秒的近动，根本不存在什么火神星。其他行星离太阳较远，那里的时空性质相对改变较小，因此仍可以用万有引力定律较好描述。
火神星的错误预言暴露了牛顿万有引力的缺陷，证明了广义相对论是正确的。
广义相对论的第二个验证是光线在引力场中的偏移。1916年，英国天文学家爱丁顿得到了一本《广义相对论基础》，他一眼就看出了这篇论文的伟大意义。在其中，爱因斯坦预言光线在经过太阳边缘时会发生1.7秒的偏转。为了验证这一理论，爱丁顿苦苦等了4年，终于等到了1919年5月29日的日全食机会，这就是本文开场那一幕。
广义相对论的第三个验证是引力频移。爱因斯坦预言，在引力场中，光的谱线将向红端移动。因为引力场越强，时空弯曲越厉害，时间就会变慢，光的频率也就会变慢，而红光是可见光中频率最低的，所以，光的谱线要向红端移动。1925年，美国天文学家亚当斯对天狼伴星光谱线的观测证实了引力频移。
60年代以来，脉冲星的发现、黑洞的探索、河外星系的红移、大爆炸宇宙理论的提出，都表明了广义相对论是指导人们认识世界的有力武器。
但是，爱因斯坦当年预言的引力波，至今还没有找到，相对论是否真正是引力之谜的谜底还有待科学的验证。可以肯定的是，广义相对论把人们对引力的认识大大提高了一步。
爱因斯坦的预言
当科学界还在努力理解狭义相对论和广义相对论时，爱因斯坦已经对这两种理论感到不满意了。虽然狭义相对论把经典力学与电磁理论从基础上统一起来了，广义相对论又进一步把相对性原理从惯性系扩大到非惯性系，但是引力和电磁两大相互作用却没有统一起来，而爱因斯坦追求的目标是世界的统一性。
爱因斯坦又向新的更高目标攀登了。在完成广义相对论之后，他立即着手建立统一场论，试图把引力场与电磁场统一起来。他把建立统一场论看作是发展相对论的第三阶段。
爱因斯坦从1923年开始到1955年去世，把后半生的主要精力都投入到建立统一场论的工作中，但是最终没有成功。
不是统一场论的大方向错了，也不是爱因斯坦的个人智慧不够，而是客观历史条件还不具备，还缺乏经验和事实作为向导。
狭义相对论的建立依据了两个基本事实，即相对性原理和光速不变原理，广义相对论有惯性质量和引力质量相等的基本事实为依据。统一场论却没有事实作根据，爱因斯坦只能作一些数学上的简单努力，因而失败了。
当爱因斯坦孤独一人、埋头于统一场论研究的时候，从他身边奔驰而过的是量子物理学、原子物理学、固体物理学的时代洪流。许多科学家对爱因斯坦脱离了物理学的发展主流深感惋惜，但爱因斯坦却始终坚持对统一场论的研究是有意义的。他在晚年时对他的老朋友索洛文说：“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。”
历史正像爱因斯坦所预言的那样。
人们后来发现，宇宙中不只有电磁相互作用和引力场相互作用，还有强相互作用和弱相互作用。1961年到1968年，物理学家格拉肖、温伯格和萨拉姆提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一模型，并得到了实验的验证，他们因此获得了1979年诺贝尔物理奖。
四种相互作用的大统一研究，今天重新成为理论物理研究的前沿课题之一，人们正在朝着大统一的目标不懈地努力。
发现原子核
原子是由电子和原子核组成的，原子核又是由质子和中子组成的，利用原子核能还可以发电。
这在今天已是中学生们都知道的常识了。可是过去，在很长很长的时间中，人们并不知道这一点，人们一直以为，原子是组成物质的最小的不可分的微粒。
原子的概念最早是由2500多年以前古希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特提出来的。他们认为宇宙万物都是由看不见的，不可再分的微粒组成的，这种微粒就叫原子。在古希腊文中，原子一词的原意就是不可分的。当然，那时谁也没有看到而且也无法证明原子是存在的，原子只不过是先哲们头脑思辨的产物。
是英国化学家道尔顿第一个把原子论建立在了科学的基础上的。1808年，道尔顿提出，物质是由不可分割的最小微粒——原子组成，同一种元素是由同一种原子组成，而化合物则是由不同原子按不同比例组成的。无数的化学反应都证明了他的原子学说：不管化学反应怎样千变万化，原子始终是不变的，不同原子组合在一起，组成了千千万万不同的化合物。
从此，人们对原子学说深信不疑，原子是组成物质的最小微粒在几乎整整一个世纪的时间中，都被科学家们当做是无可怀疑的真理。
那么，人们是怎样发现原子是可分的，是由更小的粒子组成的呢？又是怎样把隐藏在原子核内的巨大能量释放出来的呢？
打开通往基本粒子物理学的大门
19世纪，随着电磁学的兴起，人们对电发生了浓厚的兴趣。电的本质是什么？要是能把电流从导线中取出来看一看就好了。
人们发现，当电路断开，中间有一个小空隙时，电流依然可以通过，并打出电火花，发出劈啪声。不过亮光和声音本身并不是电，那是电流与空气作用的结果。要想真正探测到电，应该让电流通过一个真正空无一物，连空气也没有的间隙。1836年，法拉第曾做过真空放电管的实验，可惜他的放电管真空度不高。
1855年，德国波恩大学的仪器工人盖斯勒利用托里拆利原理制成了一种水银真空泵，用它可以把玻璃管抽到接近真空的程度，这样，世界上第一个真空度比较高的低压放电管诞生了。
当在它的两端加上足够电压时，电流就可以跳过真空了。这种管子叫做盖斯勒管。
德国物理学家普吕克尔在用盖斯勒管做实验时，发现了一个奇怪的现象，当让电流通过低压气体放电管时，对着阴极的那一端管壁出现了绿色荧光。物理学家德斯坦认为，产生荧光的原因是某种射线从阴极发出，打在了对面的管子上，他给这种射线起名为阴极射线。
神秘的阴极射线顿时成了科学家们研究的热点。有的物理学家发现，把物体放在阴极射线经过的途径中，管壁上会出现这个物体的阴影，这表明阴极射线像光一样，是直线传播的。因此，他们提出阴极射线是一种类似光的电磁波。
还有的物理学家发现，当在放电管旁边放上一块磁铁时，阴极射线会随着磁体偏转。更有趣的是，让阴极射线打在一个小风车的叶轮上，小风车就会旋转起来，因此，他们认为阴极射线是一种带电粒子。
科学家们为此争论不休。1897年英国物理学家约瑟夫·汤姆孙以发现电子结束了这场旷日持久的争论。
汤姆孙28岁就成为英国皇家学会的会员，并担任了世界著名的卡文迪什实验室的主任。他原来主要是研究电磁理论，神秘的阴极射线把这位杰出的科学家也吸引到了研究低压放电现象的行列中来了。
为解开阴极射线之谜，汤姆孙设计了许多巧妙的实验，他测出了阴极射线的传播速度远远小于光速，显然，阴极射线不是电磁波。汤姆孙用磁场把阴极射线引到了一种可以测电荷的接收器中，证明阴极射线是一种带负电荷的粒子流。更重要的是，他测出了这种带负电荷的粒子的荷质比（电荷与质量之比），氢离子的质量和所带电荷是已知的，通过与氢离子的荷质比相比，汤姆孙确定这种粒子的质量还不到氢离子质量的千分之一（后来精确测定为1/1837）。
也就是说，它是一种比最小的原子——氢原子还要小得多的粒子。
汤姆孙把各种不同气体充入管内，以不同的金属材料做阴极，所测出的阴极射线粒子的荷质比都一样，这就表明这种粒子是所有物质的共有组成部分。
1897年4月30日，汤姆孙在英国皇家研究院报告了他的研究成果，他断定在物质内部有比原子小得多的带电粒子存在，并且认为它就是法拉第当年曾暗示过的电的单元。后来人们把阴极射线粒子改称为电子（电子一词是1891年爱尔兰物理学家斯托尼提出用来表示电荷最小单位的）。
电子被发现了，它不仅向人们揭示了电的物质本质，而且宣告，原子不再是组成物质的最小粒子。
其实，在汤姆孙之前，英国的舒斯特和德国的考夫曼也都测出过阴极射线的荷质比，甚至比汤姆孙测得还要准，但是他们不敢相信世界上会存在比原子小得多的粒子，因而错过了发现电子的良机。汤姆孙冲破了传统观念的束缚，勇敢地迈出了这一步，终于成为“一位最先打开通往基本粒子物理学大门的伟人”。
1906年，汤姆孙因在气体导电方面的理论和实验研究，获得了诺贝尔物理奖。
拉开20世纪物理学革命的序幕
在汤姆孙发现电子之前，人们对阴极射线的研究还沿着另一个方向前进，由此也引发出一系列重大的发现。
1895年10月，德国物理学家伦琴也在对阴极射线进行研究。他的主要兴趣不是阴极射线本身，而是射线打在管壁上所放出的绿色荧光。
为了更好观察这种荧光，他用硬纸板和锡箔把放电管包起来，并把整个房间弄黑，当他接通电源刚要进行实验时，突然发现放在一米外的小工作台上那个涂有铂氰化钡的荧光屏发出了微弱的荧光。
这一现象使他非常惊奇，一般荧光物质要受到太阳光照射后才会发光，现在屋子中是黑的，会不会是阴极射线的作用呢？他很快否定了这个想法，因为阴极射线顶多只能在空气中行进几个厘米远，况且现在放电管是被包在硬纸板中，阴极射线是透不过去的。
伦琴顾不上吃晚饭，立即进行了更细致的观察和实验。他把荧光屏一步步移远，即使移到了2米远的地方，当接通放电管时，荧光屏也会发光。伦琴断定，这种看不见的射线是一种完全不同于阴极射线的新射线。
此后整整7个星期，伦琴把自己关在实验室中，夜以继日地对这种神秘的射线进行研究。为了不中断实验，甚至吃饭、睡觉都不离开实验室。他初步搞清了这种射线是从阴极射线撞击玻璃壁产生辉光的地方发出来的，它直线传播，穿透能力特别强，不随磁铁偏转。由于这是一种人们尚不知道的新射线，伦琴用X射线来命名它。后人为了纪念伦琴，也称这种射线为伦琴射线。
