科学速读：爱因斯坦的新宇宙

科学速读.爱因斯坦的新宇宙/英国《新科学家》杂志编；胡一鸣译.--北京：人民邮电出版社，2019.6

（科学新悦读文丛）

ISBN　978-7-115-50818-8

Ⅰ.①科…　Ⅱ.①英…②胡…　Ⅲ.①科学知识—普及读物②宇宙—普及读物　Ⅳ.①Z228②P159-49

中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第028302号

Originally published in the English language by John Murray Learning under the title:

John Murray Learning is an Hachette UK company

Rights Arranged Through Peony Literary Agency

Translation © Posts ＆ Telecom Press Co.,LTD 2019

◆编　[英]《新科学家》杂志

责任编辑　王朝辉

责任印制　陈犇

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

大厂聚鑫印刷有限责任公司印刷

◆开本：880×1230　1/32

印张：6　　2019年6月第1版

字数：119千字　　2019年6月河北第1次印刷

内容提要

一个多世纪前，爱因斯坦向全世界介绍了他的广义相对论，并彻底改变了人们对宇宙的认知。他通过揭示万有引力是如何从空间和时间的弯曲中产生的，颠覆了几个世纪以来人们对万有引力的认识。基于爱因斯坦的洞察力，如今的宇宙学家进行了更进一步的研究，但宇宙仍然有许多未解之谜。本书由英国《新科学家》杂志汇编世界知名专家和学者在宇宙学方面的研究成果而成，探讨了诸多问题，比如黑洞附近到底发生了什么，引力的本质到底是什么，为什么相对论不是最终的答案等。本书将带你轻松进入相对论的世界，解读宇宙从大爆炸的初始一直到不同膨胀阶段的迷人历程。

编者

主编：艾莉森·乔治（Alison George），英国《新科学家》杂志《速成专家》专栏编辑。

编辑：斯蒂芬·巴特斯比（Stephen Battersby），从事物理学知识写作的作家，也是《新科学家》杂志的顾问。

本书主要基于2016年《新科学家》杂志组织的“相对论及未来”高级讲习班系列讲座的内容，以及以往刊登在《新科学家》杂志上的相关文章编写而成。

学术供稿者

迈克尔·达夫（Michael Duff）：英国伦敦帝国理工学院的理论物理学荣休教授，也是一位超引力领域的先驱。

佩德罗·费雷拉（Pedro Ferreira）：英国牛津大学天体物理学教授，主要研究广义相对论以及暗物质、暗能量的本质。

约翰·格里宾（John Gribbin）：天体物理学家兼科学作家，目前是英国萨塞克斯大学的天文学访问学者，在那里他从事宇宙年龄的研究工作。

马丁·亨德里（Martin Hendry）：英国格拉斯哥大学的引力天体物理和宇宙学教授，也是引力波天文学方面的专家。

丹·胡珀（Dan Hooper）：位于美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室的副研究员，芝加哥大学天文学与天体物理学副教授。

萨宾·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）：德国法兰克福高等研究所的科学家，主要研究量子引力。

尤金·利姆（Eugene Lim）：英国伦敦国王学院的理论宇宙学家。他的研究兴趣广泛：从弦理论到量子信息在宇宙中的地位都有涉及。

安德鲁·彭岑（Andrew Pontzen）：英国伦敦大学学院讲师，研究星系的形成和计算宇宙学。

玛丽卡·泰勒（Marika Taylor）：英国南安普敦大学理论物理学教授，也是黑洞方面的专家。

迈勒纳·瓦泽克（Milena Warzeck）：科学史家，主要研究现代科学的社会学和政治学背景。

同时也感谢以下作者和编辑：

阿尼尔·阿南塔斯瓦米（Anil Ananthaswamy）、雅各布·阿伦（Jacob Aron）、迈克尔·布鲁克斯（Michael Brooks）、马库斯·乔恩（Marcus Chown）、斯图亚特·克拉克（Stuart Clark）、丹尼尔·科辛斯（Daniel Cossins）、阿曼达·格夫特（Amanda Gefter）、丽莎·格罗斯曼（Lisa Grossman）、娜奥米·卢比克（Naomi Lubick）、霍弗特·席林（Govert Schilling）、约书亚·索科尔（Joshua Sokol）、科林·斯图尔特（Colin Stuart）、理查德·韦伯（Richard Webb）、乔恩·怀特（Jon White）。

引言

透过那一头绝对不会让人认错的蓬松白发，你会发现对这个宇宙的一个全新认识，在那里，时间和空间交织在一起，物质变成了能量，而宇宙的纹理也揭开了它的面纱……然后，被撕成碎片。

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein,1879—1955）在一百多年前打造了他的相对论，这一盛举堪称人类智慧史上最伟大的成就之一，时至今日我们仍在一点点琢磨其中的真味。相对论的一项成就就是加深了我们对于宇宙历程的认识，包括从大爆炸的初始一直到不同阶段的膨胀。此外还有一个怪异的家伙，名叫暗能量，它主导了这个宇宙，在爱因斯坦20世纪20年代的计算公式中就出现了。

在2016年，我们可能见证了历史上最相对论性的时刻。这一年，科学家们宣布探测到了两个黑洞并合产生的引力波，而这个引力波经过时空膨胀导致的拉伸以后历经10亿年来到地球。很快，引力波探测器和射电望远镜就可以联合起来探索视界的本质。视界是黑洞边缘有去无回的临界点，对它的探索可以检验在最极端的环境下相对论是否依然成立。与此同时，在相对论和量子力学的碰撞过程中，理论上的疯狂想法开始涌现，通过超弦、量子纠缠和其他奇特的概念，人类可以为相对论提供一个更深层次的解释。总有一天，我们会超越爱因斯坦。

本书收集了顶尖科学家的文章和《新科学家》杂志的佳作，展现了科学家对爱因斯坦提出的相对论的最新研究成果，以及相对论对我们认识宇宙的影响。

第1章相对论溯源

1915年，在瑞士专利局工作的一位职员提出了一个理论，这个理论颠覆了我们对于时间与空间的传统观念。这位职员就是阿尔伯特·爱因斯坦，而这个理论就是广义相对论。本章描述了他提出这一历史性理论及狭义相对论（统称相对论）的前后经过。

相对论简史

首先，我们得弄明白一点：爱因斯坦不是一个孤胆天才。没错，他的贡献是巨大的，但绝对不是凭空而来的。

故事要从苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell,1831—1879）实现物理学领域的一次伟大统一说起。在19世纪60年代，他研究了许多关于磁场与电场的理论，并证明了这些理论都可以被同一套公式所描述。接下来，他提出了一个惊人的预言：电力与磁力所形成的场会产生一种以光速行进的波。到19世纪末期，光本身就是一种电磁波这一事实已广为人知，所以光和波速度相同。

奇怪的是，这套公式表明了这些波永远以相同的速度传播，不管波源相对于观测者是否在运动，或者运动得有多快。这似乎不太对劲。比如，我从一辆运动着的车子里往前扔一个东西，比起我站着不动时扔，扔出的东西运动的速度总是会快些。为什么光就不一样呢？

根据这个逻辑，人们开始研究光速的变化问题，其中最著名的尝试就是由美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙（Albert Michelson, 1852—1931）和爱德华·莫雷（Edward Morley,1838—1923）在1887年开展的实验。他们试图寻找地球自转、公转的过程中光改变自身速度的证据。他们把一束光分成两份，分别射向呈90度角放置的两条臂。他们的预期是，根据实验仪器与地球相对运动的方位不同，光沿着两条臂行进所花的时间会有些微偏差。然而，无论他们怎么仔细观测，结论还是一样的，光的速度总是不变的。

在1895年，荷兰数学家亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz, 1853—1928）提出了一种方法来理解光速是常数这一点。他发展了一套规则，能够把运动时所观察到的现象与静止不动时观察到的现象联系起来（详见第2章）。他构造的这套规则里包含一种虚构的时间：如果你以高速运动，那么你就要用到这种与普通时钟测量到的时间不一样的虚构时间。通过这一数学“把戏”，所有的结果似乎都顺理成章了，而光速对所有人来说都是一样的了。

5年后，法国数学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré,1854—1912）写了一篇论文《时间的量度》（La mesure du temps）。在论文中他问道：“为什么我们对于时间的概念如此刻板？”这个问题是深刻的，洛伦兹认为时间的弯曲仅仅是一种数学“把戏”，但是庞加莱（并没有明确提到洛伦兹）指出，在未来也许有必要抛除物理时间只有唯一一种表示方法的这种想法。这一认知上的飞跃帮助爱因斯坦打破陈规，并最终提出了相对论。

从哲学层面上看，另一个影响了爱因斯坦后期工作的人是奥地利物理学家、哲学家恩斯特·马赫（Ernst Mach,1838—1916）。在1883年出版的《力学史评》（The Science of Mechanics）里，马赫指出，决不应该在绝对的框架下讨论物体的运动——我们能做的只是讨论一个物体如何相对其他物体运动。

最终，基础都为爱因斯坦打好了。在1905年的论文《论动体的电动力学》（On the electrodynamics of moving bodies）里，爱因斯坦从两个假设出发提出了他的观点：

（1）物理学定律相对于任何匀速运动的参考系都应该等价；

（2）我们应该严肃对待麦克斯韦方程组——不管什么光线，不管处在什么参考系里，它们的速度都严格相同。

1879年3月14日，阿尔伯特·爱因斯坦出生于德国西南部地区的乌尔姆。他是一家电子工程公司的创始人赫尔曼·爱因斯坦（Hermann Einstein）和其妻子波林（Pauline）的第二个孩子。这个并不严守教规的阿什肯纳兹犹太家庭在阿尔伯特出生不久之后就举家搬迁到了慕尼黑，而阿尔伯特之后也在那里上学。

在17岁的时候，爱因斯坦进入了瑞士的苏黎世联邦理工学院，在这里接受作为物理与数学教师的培训。正是在这儿，他遇到了同学米列娃·马利奇（Mileva Maric），他们在1903年结婚。在1987年发现的两个人的信件里，我们知道在1902年他们没结婚的时候就有了一个孩子，然而这个女孩的命运无人知晓——她可能在婴儿时期被别人领养了，或者可能夭折了。他们之后又有了两个儿子——汉斯（Hans）和爱德华（Eduard），再之后两人分居并最终在1919年离婚。爱因斯坦随后娶了他的堂姐艾尔莎·罗文福（Elsa Löwenthal，本姓爱因斯坦）。

毕业之后，爱因斯坦在寻求教职而不得的挫败中度过了两年时光，并最终在瑞士专利局找到工作。正是在这里，在闲暇时光中，他做出了早期的发现，包括一系列于1905年“奇迹年”发表的非凡论文（详见第2章中的“奇迹年”）。1908年，这些成就为他争得了瑞士伯尔尼大学讲师的职位，并很快转成了苏黎世大学的教授职位。1914年，他成了柏林大学的教授，在那里度过了20年时光，直到德国的政治环境产生了巨变，纳粹政府开始禁止犹太人出现在大学的讲台上。1933年，他放弃了德国公民身份，并移居到了美国——在新泽西州普林斯顿高等研究院偏安一隅，并一直到退休。

爱因斯坦的盛名不仅来自他卓越的发现，他也是一位热情的爱乐人、一个和平主义者。他于1955年因动脉瘤去世，享年76岁。他的骨灰被抛撒在某个秘密的角落，不过他的大脑被留存了下来。

仅仅用了几页纸，爱因斯坦就推导出了我们现在称之为狭义相对论的理论，其中的许多结论在之前就已经出现过，但是现在它们被统一在一起，并被赋予了一个清晰的物理解释。比如说，时间膨胀效应是真实存在的，并非虚构：运动着的时钟真的会慢下来。也许正是因为洛伦兹和庞加莱做了非常多的基础性工作，爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论才似乎并没有引起人们的太大争议。当然，它也没有像他对这一工作的推广化理论（即广义相对论）一样在大众中引起巨大反响，而他正是为此耗费了10年光阴。

相对论最初的发展并不顺利。德国籍波兰裔数学家赫尔曼·闵可夫斯基（ Hermann Minkowski,1864—1909）发现了一个解释狭义相对论的简单方法。他一手打造了“时空”这个概念，也就是说时间和空间是交织在一起的。你可以想象一张在时间和空间中事件发展的地图：在地图的底部是遥远的过去，而在顶部是遥远的未来，左侧和右侧对应不同的地方。闵可夫斯基意识到，运动的时候，你朝向时空中的不同方向：运动方向并不是直直地向上的，而是向左或者向右倾斜。从数学层面上说，这看起来就像做了一个旋转变换，在你眼中，一部分空间变成了时间，而一部分时间变成了空间。这种抽象的概念可以非常简洁漂亮地推导出狭义相对论的正确结果。

但是爱因斯坦意识到，狭义相对论是有局限性的，只有在参考系之间是匀速运动的时候，它才可以提供不同参考系之间的转换关系。他同时也在为引力的问题发愁。当时，最好的引力理论来自牛顿（Newton）。牛顿和麦克斯韦一样，也是一位统一物理概念的大师：他证明了将我们牢牢抓在地球表面的力与阻止月球飞离地球、地球飞离太阳的力本质上是同一种力。这个理论堪称完美，但是它依赖于某种瞬时作用的力。即使远在天边，你也可以在任何时候感受到来自宇宙中所有星系的吸引力。这种结论与狭义相对论矛盾，因为在狭义相对论里没有什么东西可以瞬间传输；在这个框架里，没有什么东西的运动速度可以快于光速，即使是力也不行。

爱因斯坦在1907年迈出了将引力引入其理论的第一步，这就是提出了我们现在称为等效原理的概念。他指出，当你在往下掉的时候，从某种意义上来说，这个时候没有引力。你往四周看的时候，其他在往下掉的事物看起来都是静止不动的，因为所有的事物都在以相同的速度坠落着。这一效应在国际空间站中就时刻作用着：在那里，宇航员们并没有逃出万有引力的“魔爪”，只不过空间站无时无刻不在掉向地球中心，与此同时宇航员蒂姆·皮克（Tim Peake）也在以同样的速度掉向地球。（空间站并不会坠落到地表，那是因为它同时也会在水平方向上高速运动。）

爱因斯坦的天才之处体现在，受马赫先前的思想影响，他迈出了大胆的一步，并坚持认为：所有在空间站这个小环境内所开展的实验，其结果应该和在没有引力的影响情形下一模一样。这就是等效原理。图1.1 所示为1904年拍摄的爱因斯坦的照片。

这有些奇怪：爱因斯坦关于引力的理论的基础，恰恰正是建立在对我们所研究的这个力完全不存在的情形的深刻思考之上的。不用说，我们需要进行大量的数学上的工作才足以将上述思考转化为一个可以给出有意义的预言的理论。在1913年，爱因斯坦开始琢磨闵可夫斯基关于时空的想法。他发现，如果假设时空是弯曲的，并且物体总是试图在弯曲的时空中沿着最短的路径运动，那么他就可以得出关于物体在引力场下如何运动的正确结论，不过他一开始还弄不明白时空是如何弯折的。

在那时，爱因斯坦一直都在数学公式中挣扎。在1915年疯狂工作的几个月中，他和许多人进行了大量的交流，尤其是德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert,1862—1943）。爱因斯坦的研究工作和希尔伯特的紧密交织在一起，所以现在也很难说清楚当时是谁第一个得出了场方程。然而，毋庸置疑的是，爱因斯坦是这背后的主要推手。终于，在1915年11月，通过广义相对论，他可以描述时空如何由于存在于其中的物质、能量和压力而变得弯曲：

这简单的几个字母蕴藏着丰富的内涵。在辛苦求得最终的场方程之后的6个月里，爱因斯坦很快就写出了关于引力波的论文，这比最终直接探测到它早了将近一百年（详见第4章）。很快，他还预言了黑洞的存在（详见第3章）。

其他的结论来得就晚多了。在1949年，美籍奥裔数学家、哲学家库尔特·哥德尔（Kurt Gödel,1906—1978）向相对论发起了冲锋。哥德尔是一个热衷于荒诞事物的人，他可以证明广义相对论允许人穿越到过去进行时间旅行。这可是物理学家的心头大忌：如果可以穿越到过去，有谁可以阻止我们改变过去呢？任何一个科幻爱好者都会告诉你，改变过去可不明智。

哥德尔所证明的时间旅行若要实现，需要整个宇宙都在转动，而实际上并不存在这样的整体转动（或者说，我们目前还没看到）。但是在1988年，物理学家迈克·莫里斯（Mike Morris）和基普·索恩（Kip Thorne）发现了时间旅行的另一条路径。他们证明了，如果一个先进的文明可以创造出某种奇特的能量，那么至少在理论上有可能开启虫洞——所谓虫洞，就是连接时空中不同位置的捷径。一旦开启，人们就可以利用虫洞在时间与空间中跳跃前行。尽管离得到最终的结果还很遥远，但是爱因斯坦的公式似乎证明时间旅行是有可能的。关于这一点，至今依然可以挑起一场物理学家间激烈的论战。

与此同时，关于广义相对论还有很多研究可以进行。直到最近，通过计算机求解爱因斯坦的方程组才变得可行，而这开辟了一条探索黑洞和其他奇特天体的诡异性质的全新道路。将之与引力波探测相结合，我们终于可以将理论与其预言牢牢地结合在一起，而这一过程耗费了将近一百年。但是我们必须记住，相对论的“军功章”上不仅有爱因斯坦的天纵奇才，也有他的前辈、同侪以及许许多多前仆后继去阐述相对论微言大义的学者们的贡献。

“将爱因斯坦的思想讲解得最为深入浅出、风趣幽默的人，一直是爱因斯坦本人。”

——斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）, 《固守的错觉》（A Stubbornly Persistent Illusion,2008）

在2010年，爱因斯坦的《广义相对论的创立》（The Foundation of the Generalized Theory of Relativity）手写原稿在位于耶路撒冷的以色列科学与人文学院第一次以完整的形态公开展示。

爱因斯坦的这篇46页的论文写作于1916年——比通过日食观测实现对广义相对论的第一次重大认证早了3年。这篇论文提到了对这个理论的潜在检验方法，以及它的一些预言，如水星轨道的进动等，而在广义相对论之前，这依旧是一个谜。在论文中，爱因斯坦同时还评论说，“描述电磁场的理论与描述引力场的理论是否能够构成物质论的充分依据，这依旧是一个悬而未决的问题”。

在1916年的时候，爱因斯坦还不知道另外两种需要考虑的作用力——所谓的强核力与弱核力——但是他提出的问题意义深远，时至今日人们依旧未能解答。大批的物理学家都曾尝试过一项相似的工作，那就是在一个万物理论的框架下将广义相对论和量子力学协调统一。

阅读爱因斯坦的原文会使人产生一种独特的震撼之感（该文及其他文献的数字版本均可在网上下载）。他的独特理论风格大道至简，有用的思想实验俯拾皆是，并持续地拷问着我们对于现实的最根本的假设。在1921年，他由于“在理论物理学方面的成就，特别是发现光电效应”获得诺贝尔奖。

光线弯折

爱因斯坦的理论如何经受住了现实世界的检验？

相对论通常被视为纯智力的一次大捷，是最为优美的基础物理理论之一。然而在物理学领域，如果一个理论与我们对大自然的观察不匹配，那么它再优美、再高深也毫无意义。

两百年来，牛顿的引力理论出色地经受住了这一检验。它的核心思想是万有引力定律：任意两个物体间的引力正比于它们的质量，而反比于两者距离的平方。在太阳系里，用牛顿的万有引力定律预言的行星运动达到了令人赞叹的精度，以至于在1846年，法国天文学家奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier,1811—1877）利用它成功地预言了海王星的存在。图1.2所示为1947年拍摄的爱因斯坦的照片。

牛顿的理论只在一处有误。勒维耶发现水星的实际轨道相较牛顿理论的预言有些微漂移——每一个世纪小于1%。这种不一致一直让人百思不得其解，直到1916年，爱因斯坦证明了他的广义相对论可以推导出从水星轨道所观测到的这种漂移。可以说，这个理论几乎立刻就通过了它的第一个检验。

爱因斯坦还预言，一个像太阳一样有质量的物体，会将光路弯折：从效果上看，空间弯曲的几何效应就相当于一面透镜弯折了光束（详见第3章）。（实际上，牛顿的理论也能预言光束的弯折，但是其预言的弯折量是广义相对论预言的一半。）

在1999年8月11日，爱因斯坦的出生地——德国城市乌尔姆的上空发生了一次日食，月亮把太阳遮住，城市陷入一片漆黑。这是对那位改变了我们对大自然理解的人的最佳献礼——当然，这次日食只是十分凑巧地发生在了乌尔姆。尽管在这个世界上，每隔大约18个月就会发生一次日食，然而对于任何一个固定的地点而言，两次连续的日食的间隔时间大概是350年。所以，你可以算算看，在20世纪最伟大的科学家的出生地发生上一个千年的最后一次日食的概率究竟有多小。不过我们也许不需要对这个巧合感到惊奇；对爱因斯坦而言，碰到日食总是幸运的。

就以近百年前的那次日食来说好了，它在证明爱因斯坦广义相对论正确性的过程中起到了关键作用。爱因斯坦的论文在第一次世界大战期间悄悄流出了德国，被剑桥大学的英国物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington,1882—1944）所获知。正是爱丁顿意识到，1919年5月29日在西非海岸旁的普林西比岛上发生的日全食，为检验广义相对论的一个关键预言提供了一次宝贵的机会。

爱丁顿的团队顺利抵达了普林西比岛，并成功地开展了拍摄。他们想观测的是一个名为毕宿的明亮星团（见图1.3）。因为那个时候太阳正好在这一星团前面，为了挡住太阳的耀眼光芒，爱丁顿需要一次日全食。如果爱因斯坦的理论是正确的，那么毕宿星团在天空中的位置看起来会有一点偏移，大概是1度的1/2000。

首先，爱丁顿在牛津的一个夜晚拍摄了毕宿星团的照片。然后，在1919年5月29日普林西比岛发生日全食时，毕宿星团几乎位于太阳的正后方，他又拍了一张照片。要检测到光线的弯折可不容易——毕竟，星星位置偏移的程度非常小——但是，在1919年的9月，爱丁顿宣布爱因斯坦是正确的。通过比较两次观测的结果，爱丁顿发现行星位置的偏移正如爱因斯坦所预言的。这一结果立刻将爱因斯坦捧成一位国际巨星。

话说回来，这大概也能算爱因斯坦的另一份幸运了。爱丁顿所获得结论的缜密性在今天看来是颇有争议的。有些人认为光线弯折效应实在太小了，对于爱丁顿来说应该不可能清晰地分辨出来，要不是他对爱因斯坦的理论有着极佳的接受度，说不定他不会这么快就得出如此有力的结论。

在那之后，爱因斯坦的理论通过了更多的检验，其理论中的一个预言就是，当光从带质量的天体附近弯曲的时空中往外“爬”的时候，它的波长应该会被拉长，或者说被“红移”。在1959年，美国物理学家罗伯特·庞德（Robert Pound,1919—2010）和格伦·雷布卡（Glen Rebka,1931—2015）在他们位于哈佛大学的实验室里测量到了引力红移。目前，我们有了大量大大小小的黑洞存在的证据（详见第3章）。2015年激光干涉仪引力波天文台（LIGO）科学合作组织的物理学家们终于探测到了引力波（详见第4章）——爱因斯坦在一个世纪前预言的时空形变的传播。

爱因斯坦辞世的时候，一名病理学家因为热切地想知道爱因斯坦惊人智慧的源泉，将他的大脑从尸体上切除，并对其进行了详细解剖、拍照。这颗大脑一开始是有些令人失望的，因为它比一般的大脑还要轻一些。然而，在最近几十年里，爱因斯坦大脑的图像引发了人们一些新的思考。1999年的一项研究指出，爱因斯坦大脑的顶叶相比常人宽15%，而这一区域正是与数学、空间推理等相关的。芝加哥国家卫生和医学博物馆甚至制作了一个爱因斯坦脑图App，包含超过350张数字化的大脑切片，让研究人员可以在这位伟人的灰质中尽情徜徉。2012年一篇发表于神经学期刊《大脑》（Brain）中的研究论文指出，爱因斯坦的惊人智慧可能源自他的前额叶，这个区域主要负责语言、将事件图像化及模拟事件结果。相比普通的大脑，他的大脑中的这部分面积要大很多。研究人员还在他的运动皮层中发现了一个巨大的结，这与爱因斯坦早年演奏小提琴的活动相关。