Albert Einstein

Cục bằng sáng chế

Sau khi tốt nghiệp đại học, Einstein đã mất gần hai năm khó khăn trong việc tìm một vị trí giảng dạy, cuối cùng bố của Marcel Grossmann nhờ quen biết với giám đốc cục sáng chế đã giúp ông làm việc tại Bern, ở Cục liên bang về sở hữu trí tuệ, cục bằng sáng chế, với vị trí là người kiểm tra các bằng sáng chế. Ông đánh giá các sáng chế cho các thiết bị điện từ. Năm 1903, ông vào biên chế lâu năm của Cục sáng chế Thụy Sĩ, mặc dù ông đã vượt qua sự đề bạt cho đến khi ông "nắm bắt được công nghệ máy móc".
Nhiều công việc của ông tại Cục liên quan đến câu hỏi về sự truyền tín hiệu điện và sự đồng bộ hóa cơ-điện của đồng hồ, hai vấn đề kĩ thuật xuất hiện rõ ràng trong các thí nghiệm tưởng tượng mà đã dẫn Einstein tới kết luận quan trọng về bản chất của ánh sáng và sự liên hệ mật thiết giữa không gian và thời gian.
Cùng với những người bạn ông gặp ở Bern, Einstein đã thành lập một câu lạc bộ thảo luận hàng tuần về khoa học và triết học, mà ông nói đùa là "Viện hàn lâm Olympia". Họ thảo luận về các nghiên cứu của Henri Poincaré, Ernst Mach, and David Hume, mà sau này ảnh hưởng đến sự nghiệp khoa học và quan điểm triết học của Einstein.

Sự nghiệp hàn lâm

Năm 1901, ông công bố bài báo "Folgerungen aus den Kapillarität Erscheinungen" ("Các kết luận về hiện tượng mao dẫn") trên tạp chí nổi tiếng thời đó Annalen der Physik. Ngày 30 tháng 4 năm 1905, Einstein hoàn thành luận án tiến sĩ của mình dưới sự hướng dẫn của giáo sư vật lý thực nghiệm Alfred Kleiner. Einstein được trao bằng tiến sĩ tại Đại học Zurich. Luận án của ông có tiêu đề "Một cách mới xác định kích thước phân tử". Trong cùng năm, mà ngày nay các nhà khoa học gọi là Năm kỳ diệu của Einstein, ông công bố bốn bài báo đột phá, về hiệu ứng quang điện, về chuyển động Brown, thuyết tương đối hẹp, và sự tương đương khối lượng và năng lượng (E=mc²), khiến ông được chú ý tới trong giới hàn lâm trên toàn thế giới.
Năm 1908, giới khoa học coi ông là nhà khoa học hàng đầu, và Đại học Bern mời ông về làm giảng viên của trường. Các năm sau, ông viết đơn thôi việc tại cục bằng sáng chế và cũng thôi vị trí giảng viên để đảm nhiệm chức danh Privatdozent về vật lý  tại Đại học Zurich. Ông trở thành giáo sư thực thụ tại Đại học Karl-Ferdinand (nay là Đại học Charles) ở Praha năm 1911. Năm 1914, ông trở lại Đức sau khi được bổ nhiệm làm giám đốc của Viện Kaiser Wilhelm về vật lý (1914–1932) và giáo sư tại Đại học Humboldt, Berlin, với một điều khoản đặc biệt trong bản hợp đồng cho phép ông được tự do trước những nghĩa vụ giảng dạy. Ông trở thành thành viên của Viện hàn lâm khoa học Phổ. Năm 1916, Einstein được bổ nhiệm làm chủ tịch của Hội Vật lý Đức (1916–1918).
Trong năm 1911, dựa trên những suy luận có từ năm 1907 về nhu cầu mở rộng thuyết tương đối đặc biệt, ông đã tìm ra hiện tượng dịch chuyển đỏ do hấp dẫn và tính toán độ lệch của tia sáng phát ra từ ngôi sao ở xa sẽ bị lệch bởi trường hấp dẫn của Mặt Trời. Tuy vậy giá trị tiên đoán chỉ bằng một nửa so với giá trị chính xác sau khi ông tìm ra được phương trình trung tâm cho thuyết tương đối tổng quát (1915). Tiên đoán này được xác nhận bởi đoàn thám hiểm người Anh dẫn đầu bởi Sir Arthur Eddington trong quá trình theo dõi nhật thực vào ngày 29 tháng 5 năm 1919. Các tờ báo quốc tế nhanh chóng đăng tải sự kiện này và Einstein trở nên nổi tiếng toàn thế giới. Ngày 7 tháng 11 năm 1919, tờ báo tin tức hàng đầu của Anh The Times in một dòng chữ tựa đề trên trang nhất viết là: "Cách mạng trong Khoa học – Lý thuyết mới về Vũ trụ – Các tư tưởng của Newton đã bị lật nhào". Sau đó, rất nhiều câu hỏi xuất hiện liệu các đo đạc có đủ chính xác để công nhận tiên đoán. Cuối cùng thì những dữ liệu đo đạc của Eddington là đủ tin cậy và đoàn thám hiểm của ông thực sự đã xác nhận tiên đoán của Einstein.
Năm 1921, Einstein nhận giải Nobel Vật lý. Do thuyết tương đối hẹp vẫn còn đang tranh cãi, nên hội đồng giải Nobel đã trao giải cho ông vì những giải thích về hiện tượng quang điện và các đóng góp cho vật lý. Ông nhận huy chương Copley từ Hội Hoàng gia năm 1925.

Thăm nước ngoài

Einstein đến thành phố New York lần đầu tiên vào ngày 2 tháng 4 năm 1921, ở đây ông nhận được sự chào đón trọng thể từ thị trưởng thành phố, sau đó là ba tuần thuyết giảng và gặp gỡ nhiều người. Ông trình bày một số bài giảng ở Đại học Columbia và Đại học Princeton, và ở Washington ông đi cùng các đại diện của Viện hàn lâm Khoa học Quốc gia đến thăm Nhà Trắng. Trên đường trở lại châu Âu, nhà triết học và chính khách người Anh Viscount Haldane đã mời ông tới Luân Đôn, nơi ông gặp một vài nhà khoa học nổi tiếng, các chính trị gia và thực hiện một bài giảng ở trường Đại học King.
Năm 1922, ông đi du lịch và có các buổi phát biểu trong chuyến hành trình 6 tháng đến các nước châu Á và Palestine. Các nước ông đến bao gồm Singapore, Ceylon, và Nhật Bản, ở đây ông có một loạt các bài giảng trước hàng nghìn người dân Nhật Bản. Ông cũng đến diện kiến Nhật hoàng và hoàng hậu tại Hoàng cung. Einstein sau đó thể hiện sự cảm mến cho người Nhật trong bức thư ông gửi cho con trai mình: "Trong những người mà bố đã gặp, bố thích người Nhật Bản nhất, vì họ là những người khiêm tốn, thông minh, chu đáo, và quan tâm tới nghệ thuật." Trên hành trình đến Nhật Bản, ông cũng ghé thăm Hồng Kông và Thượng Hải, đồng thời nghe tin mình được trao giải Nobel Vật lý.
Khi trở về, ông cũng ghé qua Palestine, lúc đó là thưộc địa của Anh, trong 12 ngày và cũng là lần viếng thăm vùng Trung Đông duy nhất của ông. Nhà tiểu sử Walter Isaacson viết "Ông được chào đón bởi sự long trọng của người Anh, như là một chính khách cao cấp hơn là một nhà vật lý lý thuyết", bao gồm một loạt pháo hiệu chào mừng khi đến dinh thự của toàn quyền Anh, Sir Herbert Samuel. Trong buổi tiếp, một đám đông đã vây quanh dinh thự để muốn trông thấy và nghe Einstein nói chuyện. Khi nói chuyện với thính giả, ông thể hiện niềm hạnh phúc của mình:
"Đây là một trong những ngày ý nghĩa lớn nhất của cuộc đời tôi. Trước đây, tôi luôn cảm thấy tiếc nuối một cái gì đó trong bản sắc người Do Thái, và đó là sự lãng quên trong chính mỗi người. Ngày nay, tôi thật hạnh phúc khi chứng kiến người Do Thái đã nhận ra chính họ và hành động để cho thế giới công nhận như là một dân tộc".
Ông cũng thăm Tây Ban Nha trước khi trở lại Đức. Năm 1925, ông viếng thăm Nam Mỹ bao gồm các thành phố Buenos Aires, Rio de Janeiro và Montevideo. Năm 1929, ông thăm Bỉ và hoàng gia Bỉ.

Định cư tại Mỹ

Tháng 2 năm 1933 khi đang thăm Hoa Kỳ, Einstein đã quyết định không trở lại nước Đức do Đảng Quốc xã lên nắm chính quyền. Trước đó ông đến thăm các trường đại học Hoa Kỳ vào đầu năm 1933 và chuyến thăm lần thứ ba kéo dài hai tháng ở Viện Công nghệ California ở Pasadena. Ông và bà Elsa trở lại Bỉ bằng tàu biển vào cuối tháng 3. Trong chuyến hành trình, ông nghe được tin ngôi nhà và chiếc thuyền buồm của ông ở Berlin đã bị đảng viên Quốc xã tịch thu. Khi đến Antwerp vào ngày 28 tháng 3, ông đã đến lãnh sự quán Đức và chính thức từ bỏ quyền công dân Đức.
Đầu tháng 4, ông biết rằng chính phủ Đức đã thông qua các đạo luật ngăn cấm người Do Thái giữ bất kỳ một vị trí công việc nào, kể cả giảng viên tại các trường đại học. Một tháng sau, các công trình nghiên cứu của Einstein nằm trong mục tiêu đốt phát của đảng Quốc xã, và bộ trưởng tuyên truyền Joseph Goebbels công bố, "Tri thức Do Thái đã bị tiêu diệt."
Ông tạm trú tại Bỉ trong một vài tháng, trước khi chuyển sang Anh. Trong một bức thư gửi cho người bạn, nhà vật lý Max Born, người cũng đã rời nước Đức và sống tại Anh, Einstein viết, "... Tôi phải thừa nhận rằng mức độ tàn bạo và hèn nhát đến một cách thật bất ngờ."
Tháng 10 năm 1933 ông cùng bà Elsa quay trở lại Hoa Kỳ và đảm nhiệm chức vụ giáo sư tại Viện nghiên cứu cao cấp Princeton tại Princeton, New Jersey. Trường này ban đầu đề nghị ông làm việc trong thời gian một năm rưỡi. Ông vẫn chưa quyết định về tương lai của mình (có nhiều trường đại học ở châu Âu mời ông về nghiên cứu, bao gồm Oxford), nhưng đến năm 1935 ông quyết định ở lại Hoa Kỳ. Ông làm việc tại viện Princeton cho tới khi qua đời năm 1955.
Tại viện cũng có các nhà khoa học lớn khác như John von Neumann và Kurt Gödel), ông cũng sớm hình thành tình bạn thân thiết với Gödel. Họ hay đi dạo những quãng đường dài để cùng nhau thảo luận về công việc của nhau. Trợ lý cuối cùng của ông là nhà vật lý Bruria Kaufman. Ở viện nghiên cứu, ông tiếp tục tập trung phát triển thuyết trường thống nhất nhưng đã không thành công. Einstein cũng luôn luôn giữ vững quan điểm của mình khi cho rằng lý thuyết cơ học lượng tử là không đầy đủ và không chứa yếu tố bất định. "Chúa không chơi xúc xắc".

Chiến tranh thế giới lần II và dự án Manhattan

Năm 1939, một nhóm các nhà khoa học Hungari bao gồm nhà vật lý Leó Szilárd cố gắng cảnh báo Washington rằng phe Quốc xã đang thực hiện các nghiên cứu bom nguyên tử. Tuy vậy cảnh báo của nhóm đã không gây sự chú ý đến giới chính trị. Einstein và Szilárd, cùng những nhà khoa học tị nạn khác gồm Edward Teller và Eugene Wigner, "coi họ có trách nhiệm để cảnh báo người Mỹ khả năng của các nhà khoa học Đức có thể chế tạo thành công bom nguyên tử, và rằng Hitler rất quyết tâm có được vũ khí như vậy." Hè 1939, vài tháng trước khi nổ ra chiến tranh ở châu Âu, Szilárd khuyên mời Einstein ký vào một bức thư gửi đến tổng thống Franklin D. Roosevelt để cảnh báo ông về khả năng này. Bức thư cũng đề cập đến chính phủ Hoa Kỳ nên chú ý tới và tham gia trực tiếp vào nghiên cứu uranium cũng như chuỗi phản ứng dây chuyền.
Bức thư được cho là có khả năng "thúc đẩy chính phủ Hoa Kỳ chấp nhận cho phép nghiên cứu vũ khí hạt nhân". Tổng thống Roosevelt không thể gánh rủi ro khi Hitler sở hữu bom nguyên tử đầu tiên. Cùng với lá thư và buổi gặp của Einstein với Roosevelt, Hoa Kỳ tham gia vào cuộc "chạy đua" phát triển bom, tập trung vào đây rất nhiều nguồn lực tài chính, vật liệu, cơ sở cũng như các nhà khoa học lớn trong dự án Manhattan. Cuối cùng Hoa Kỳ trở thành nước duy nhất sở hữu bom nguyên tử trong thời gian chiến tranh thế giới lần II.
Đối với Einstein, "chiến tranh là căn bệnh... [và] ông kêu gọi chống lại chiến tranh." Nhưng năm 1933, sau khi Hitler trở thành lãnh đạo tối cao ở Đức, "ông đã khẩn thiết kêu gọi các nước phương Tây chuẩn bị chống lại sự tấn công của nước Đức." Năm 1954, một năm trước khi qua đời, Einstein kể cho người bạn già của mình, Linus Pauling, "Tôi đã gây ra một trong những lỗi lầm lớn nhất trong cuộc đời — đó là khi tôi ký vào bức thư gửi tổng thống Roosevelt khuyến nghị nên chế tạo bom nguyên tử; với một số biện hộ — sẽ nguy hiểm hiểm nếu người Đức có được nó..."

Qua đời

Vào ngày 17 tháng 4 năm 1955, Albert Einstein bị chảy máu trong do vỡ động mạch chủ, mà trước đó đã được phẫu thuật bởi tiến sĩ Rudolph Nissen năm 1948. Ông đã viết nháp chuẩn bị cho bài phát biểu trên truyền hình kỷ niệm ngày độc lập thứ bảy của nhà nước Israel khi trên đường đến bệnh viện, nhưng ông đã không kịp hoàn thành nó. Einstein đã từ chối phẫu thuật, ông nói: "Tôi muốn đi khi tôi muốn. Thật vô vị để duy trì cuộc sống giả tạo. Tôi đã hoàn thành chia sẻ của mình, đã đến lúc phải đi. Tôi sẽ ra đi trong thanh thản." Ông mất trong bệnh viện Princeton vào sáng sớm hôm sau ở tuổi 76, nơi ông vẫn tiếp tục làm việc đến hơi thở cuối cùng. Thi thể Einstein được hỏa táng và tro được rải khắp nơi quanh vùng của Viện nghiên cứu cao cấp, Princeton, New Jersey.
Trong quá trình khám nghiệm tử thi, nhà nghiên cứu bệnh học thuộc bệnh viện Princeton, Thomas Stoltz Harvey đã mổ lấy não của Einstein để bảo quản, mà không được sự cho phép của gia đình ông, với hy vọng rằng khoa học thần kinh trong tương lai có thể khám phá ra điều làm Einstein trở nên thông minh.

Nhận xét về Einstein

Trong bài điếu văn, nhà vật lý hạt nhân Robert Oppenheimer tổng kết lại về Einstein: "Ông hầu như không có bản chất phức tạp và sự trần tục... Luôn luôn ở trong ông là sự thuần khiết tuyệt vời lúc như đứa trẻ lúc thì uyên thâm bướng bỉnh."
Tại phần nói đầu của cuốn sách "Subtle is the Lord..." nhà vật lý và lịch sử khoa học Abraham Pais viết: Nếu được nói một câu ngắn gọn về tiểu sử Einstein, tôi có thể nói rằng "ông là con người tự do nhất mà tôi đã từng biết", và một câu về sự nghiệp khoa học của ông, tôi có thể viết "giỏi hơn bất kỳ ai trước hoặc sau ông, ông biết cách phát minh ra các nguyên lý bất biến và biết cách sử dụng các định luật thống kê".

Sự nghiệp khoa học

Trong suốt cuộc đời ông, Einstein xuất bản rất nhiều sách và hàng trăm bài báo. Phần lớn về vật lý, nhưng một số ít bày tỏ quan điểm chính trị cánh tả về chủ nghĩa hòa bình, chủ nghĩa xã hội, và chủ nghĩa phục quốc Do thái. Ngoài các nghiên cứu của cá nhân ông, ông còn hợp tác với nhiều nhà khoa học khác về các lĩnh vực khoa học như: Thống kê Bose–Einstein, máy làm lạnh Einstein và nhiều nghiên cứu khác.

Vật lý những năm 1900

Các bài báo ban đầu của Einstein bắt nguồn từ sự cố gắng chứng minh rằng nguyên tử tồn tại và có kích thước hữu hạn khác không. Tại thời điểm ông viết bài báo đầu tiên năm 1902, các nhà vật lý vẫn chưa chấp nhận hoàn toàn rằng nguyên tử tồn tại thực sự, mặc dù các nhà hóa học đã có những chứng cứ cụ thể từ các công trình của Antoine Lavoisier trước một thế kỷ. Lý do các nhà vật lý vẫn nghi ngờ vì không có một lý thuyết nào ở thế kỷ XIX có thể giải thích đầy đủ tính chất của vật chất từ các tính chất của nguyên tử.
Ludwig Boltzmann là nhà vật lý thống kê hàng đầu của thế kỷ XIX, người đã đấu tranh nhiều năm để thuyết phục cộng đồng khoa học chấp nhận nguyên tử tồn tại. Boltzmann đã đưa ra cách giải thích các định luật nhiệt động học, gợi ý rằng định luật tăng entropy có tính thống kê. Theo cách suy nghĩ của Boltzmann, entropy là logarit của số các trạng thái một hệ có được cấu hình bên trong. Lý do entropy tăng chỉ bởi vì xác suất để một hệ từ trạng thái đặc biệt với chỉ vài cấu hình bên trong chuyển sang hệ có nhiều trạng thái hơn là lớn. Trong khi cách giải thích thống kê của Boltzmann về entropy được công nhận rộng rãi ngày nay, và Einstein đã tin vào điều này, tại thời điểm đầu thế kỷ XX nó ít được mọi người để ý đến.
Ý tưởng thống kê được áp dụng thành công nhất khi giải thích tính chất của chất khí. James Clerk Maxwell, một nhà vật lý học hàng đầu khác, đã tìm ra định luật phân bố vận tốc của các nguyên tử trong chất khí, và ông đi đến một kết luận ngạc nhiên là tính nhớt của chất khí có thể độc lập với mật độ của nó. Về mặt trực giác, ma sát trong chất khí dường như bằng không khi mật độ đi về không, nhưng điều này không phải vậy, bởi vì đường di chuyển tự do trung bình của các nguyên tử trở lên rộng hơn tại mật độ thấp. Những thí nghiệm tiếp sau của Maxwell và vợ ông xác nhận tiên đoán kì lạ này. Các thí nghiệm khác trên chất khí và chân không, sử dụng một trống quay tách, cho thấy các nguyên tử trong chất khí có các vận tốc phân bố tuân theo định luật phân bố của Maxwell.
Bên cạnh những thành công này, cũng có những mâu thuẫn. Maxwell chú ý rằng tại nhiệt độ thấp, lý thuyết nguyên tử tiên đoán nhiệt dung riêng quá lớn. Trong cơ học thống kê cổ điển, mọi dao động điều hòa đơn giản (chuyển động kiểu lò xo) có nhiệt năng kBT ở nhiệt độ trung bình T, do vậy nhiệt dung riêng của mọi lò xo là hằng số BoltzmannkB. Một chất rắn đơn nguyên tử với Nnguyên tử có thể được xem là N quả cầu nhỏ tương ứng với N nguyên tử gắn vào mỗi vị trí nút mạng với 3N lò xo, do vậy nhiệt dung riêng của chất rắn là 3NkB, một kết quả của định luật Dulong–Petit. Định luật đúng cho nhiệt độ phòng, nhưng không đúng đối với nhiệt độ lạnh hơn. Tại gần 0K, nhiệt dung riêng bằng không.
Tương tự, một chất khí cấu thành từ phân tử hai nguyên tử có thể được xem là hai quả cầu gắn với nhau bởi một lò xo. Lò xo này có năng lượng kBT tại nhiệt độ cao, và cộng thêm vào một lượng nhiệt kB cho nhiệt dung riêng ở nhiệt độ khoảng 1000 độ, nhưng tại nhiệt độ thấp lượng nhiệt thêm này sẽ biến mất. Tại 0 độ, mọi nhiệt dung riêng do sự quay và rung động đều biến mất. Kết quả này mâu thuẫn với vật lý cổ điển.
Những mâu thuẫn rõ ràng nhất là trong lý thuyết về sóng ánh sáng. Các sóng liên tục trong một hộp được coi như vô số lò xo chuyển động, mỗi cái tương ứng với sóng đứng. Mỗi sóng đứng có một nhiệt dung riêng xác định kB, do đó tổng nhiệt dung riêng của sóng liên tục giống ánh sáng trở thành vô hạn trong cơ học cổ điển. Điều này rõ ràng là vi phạm đối với định luật bảo toàn năng lượng.
Những mâu thuẫn này dẫn đến nhiều người nói rằng nguyên tử không có tính vật lý, mà là toán học. Đáng chú ý trong số những người hoài nghi là Ernst Mach, người theo triết học thực chứng mà đã dẫn ông đến nhu cầu là nếu nguyên tử tồn tại, thì nó có thể nhìn thấy được. Mach tin rằng những nguyên tử này là một giả tưởng hữu dụng, mà trong thực tế chúng được giả sử là nhỏ vô hạn, do vậy số Avogadro là vô hạn, hoặc rất lớn để coi như vô hạn, và kB là vô cùng nhỏ. Có những thí nghiệm có thể giải thích được bằng lý thuyết nguyên tử, nhưng lại có những thí nghiệm thì không thể giải thích được, và nó vẫn luôn là thế.
Einstein đã phản đối quan điểm này. Suốt sự nghiệp của mình, ông là một nhà duy thực. Ông tin rằng một lý thuyết phù hợp duy nhất có thể giải thích được mọi quan sát, lý thuyết này sẽ là một mô tả về cái thực sự đã diễn ra, và những điều ẩn sau nó. Từ đó ông cho rằng quan điểm về nguyên tử là đúng. Điều này dẫn ông đầu tiên đến với nhiệt động học, rồi đến vật lý thống kê, và lý thuyết nhiệt dung riêng của chất rắn.
Năm 1905, trong khi làm việc ở phòng cấp phát bằng sáng chế, tạp chí tiếng Đức hàng đầu Annalen der Physik đã xuất bản bốn bài báo của Einstein. Bốn bài báo sau này được coi là một cuộc cách mạng trong vật lý, và năm 1905 trở thành "năm kỳ diệu của Einstein".
 Ngày 30 tháng 4 năm 1905, Einstein hoàn thành luận án của mình dưới sự hướng dẫn của Alfred Kleiner, giáo sư vật lý thực nghiệm. Einstein được trao bằng tiến sĩ ở Đại học Zurich. Luận án của ông với tên "Một cách mới xác định kích thước phân tử".

Thí nghiệm tưởng tượng và nguyên lý vật lý tiên nghiệm

Suy nghĩ của Einstein phải trải qua một sự thay đổi vào năm 1905. Ông đã hiểu rằng các tính chất lượng tử của ánh sáng có nghĩa là các phương trình Maxwell chỉ là lý thuyết xấp xỉ. Ông biết rằng các định luật mới có thể thay thế chúng, nhưng ông chưa biết làm thế nào để tìm ra các định luật này. Ông cảm thấy rằng ước đoán các mối quan hệ hình thức sẽ không đi đến đâu.
Thay vào đó ông quyết định tập trung vào các nguyên lý tiên nghiệm, chúng nói rằng các định luật vật lý có thể được hiểu là thỏa mãn trong những trường hợp rất rộng thậm chí trong những phạm vi mà chúng chưa từng được áp dụng hay kiểm nghiệm. Một ví dụ được các nhà vật lý chấp nhận rộng rãi của nguyên lý tiên nghiệm đó là tính bất biến quay (hay tính đối xứng quay, nói rằng các định luật vật lý là bất biến nếu chúng ta quay toàn bộ không gian chứa hệ theo một hướng khác). Nếu một lực mới được khám phá trong vật lý, lực này có thể lập tức được hiểu nó có tính bất biến quay mà không cần phải suy xét. Einstein đã hướng tìm các nguyên lý mới theo phương pháp bất biến này, để tìm ra các ý tưởng vật lý mới. Khi các nguyên lý cần tìm đã đủ, thì vật lý mới sẽ là lý thuyết phù hợp đơn giản nhất với các nguyên lý và các định luật đã được biết trước đó.
Nguyên lý tiên nghiệm tổng quát đầu tiên do Einstein tìm ra là nguyên lý tương đối, theo đó chuyển động tịnh tiến đều không phân biệt được với trạng thái đứng im. Nguyên lý này được Hermann Minkowski mở rộng cho cả tính bất biến quay từ không gian vào không-thời gian. Những nguyên lý khác giả thiết bởi Einstein và sau đó mới được chứng minh là nguyên lý tương đương và nguyên lý bất biến đoạn nhiệt của số lượng tử. Một nguyên lý tổng quát khác của Einstein, còn gọi là nguyên lý Mach, vẫn còn là vấn đề đang được tranh luận giữa các nhà khoa học.
Việc sử dụng các nguyên lý tiên nghiệm là một phương pháp đặc biệt độc đáo trong các nghiên cứu đầu tiên của Einstein, và nó trở thành một công cụ tiêu chuẩn trong vật lý hiện đại.

Nguyên lý đoạn nhiệt và các biến tác động góc

Trong thập niên 1910, lý thuyết lượng tử đã mở rộng phạm vi áp dụng cho nhiều hệ thống khác nhau. Sau khi Ernest Rutherford khám phá ra sự tồn tại các hạt nhân và đề xuất các electron có quỹ đạo quanh hạt nhân giống như quỹ đạo của các hành tinh, Niels Bohr đã áp dụng các tiên đề của cơ học lượng tử được Planck và Einstein đưa ra và phát triển để giải thích chuyển động của electron trong nguyên tử, và của bảng tuần hoàn các nguyên tố.
Einstein đã đóng góp vào những phát triển này bằng liên hệ chúng với các tư tưởng của Wilhelm Wien năm 1898. Wien đã đưa ra giả thuyết về "bất biến đoạn nhiệt" của trạng thái cân bằng nhiệt cho phép mọi bức xạ của vật đen tại các nhiệt độ khác nhau được dẫn ra từ 'định luật dịch chuyển Wien. Einstein năm 1911 đã chú ý đến là cùng nguyên lý đoạn nhiệt này cũng chỉ ra các đại lượng bị lượng tử hóa trong chuyển động cơ học bất kì phải là bất biến đoạn nhiệt. Arnold Sommerfeld đã đồng nhất bất biến đoạn nhiệt này là biến tác dụng của cơ học cổ điển. Định luật tác dụng thay đổi được bị lượng tử hóa là nguyên lý cơ sở của thuyết lượng tử khi nó được biết từ 1900 đến 1925. (hay lý thuyết lượng tử cổ điển)

Lý thuyết giới hạn trắng đục

Einstein đã quay trở lại vấn đề nhiễu loạn nhiệt động học, với suy nghĩ tìm cách giải quyết những sự thay đổi mật độ trong chất lỏng tại điểm giới hạn của nó. Thông thường, nhiễu loạn mật độ được khử bởi đạo hàm bậc hai của năng lượng tự do theo mật độ. Tại điểm giới hạn này, đạo hàm bằng không, dẫn đến những nhiễu loạn lớn. Hiệu ứng nhiễu loạn mật độ mà theo đó mọi bước sóng của ánh sáng bị tán xạ khi đi vào môi trường khác, làm cho chất lỏng nhìn trắng như sữa. Einstein liên hệ hiện tượng này với hiện tượng tán xạ Raleigh, mà xảy ra khi độ lớn nhiễu loạn nhỏ hơn bước sóng, và hiện tượng này đã giải thích hiện tượng tại sao bầu trời có màu xanh.

Năng lượng điểm không

Trực giác vật lý của Einstein đã dẫn ông chú ý đến các năng lượng dao động Planck không thể có điểm không. Ông sửa lại giả thuyết Planck bằng cách cho trạng thái năng lượng thấp nhất của một đối tượng dao động bằng với ¹⁄₂hf, bằng một nửa khoảng năng lượng giữa hai mức. Sự thay đổi này được nghiên cứu cùng với Otto Stern, trên cơ sở của nhiệt động học phân tử hai nguyên tử mà có thể tách ra thành hai nguyên tử tự do.

Sóng hấp dẫn

Năm 1916, Einstein dự đoán tồn tại sóng hấp dẫn, những gợn sóng hình thành từ độ cong của không thời gian mà lan truyền từ nguồn ra bên ngoài như các sóng, chúng mang theo năng lượng dưới dạng bức xạ hấp dẫn. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn theo khuôn khổ của thuyết tương đối tổng quát là do bất biến Lorentz đưa đến hệ quả của vận tốc lan truyền hữu hạn đối với các tương tác vật lý mà hấp dẫn tham gia. Ngược lại, sóng hấp dẫn không thể tồn tại trong lý thuyết hấp dẫn của Newton, khi cho rằng tương tác hấp dẫn lan truyền một cách tức thì hay với vận tốc lớn vô hạn.
Sự phát hiện ra sóng hấp dẫn lần đầu tiên, một cách gián tiếp, đến từ những quan sát trong thập niên 1970 về cặp sao neutron quay trên quỹ đạo hẹp quanh nhau, PSR B1913+16. Quan sát cho thấy chu kỳ quỹ đạo của hệ giảm dần chứng tỏ hệ đang phát ra sóng hấp dẫn đúng như miêu tả của thuyết tương đối rộng. Dự đoán của Einstein đã được xác nhận vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, khi các nhà khoa học thuộc nhóm LIGO công bố đã đo được trực tiếp sóng hấp dẫn lần đầu tiên, vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, gần một trăm năm sau ngày ông đăng bài báo về sóng hấp dẫn.

Thuyết trường thống nhất

Tiếp theo nghiên cứu của ông về thuyết tương đối tổng quát, Einstein bắt tay vào chuỗi những cố gắng để tổng quát hóa lý thuyết hình học của ông về hấp dẫn, cho phép kết hợp được với tương tác điện từ. Năm 1950, ông miêu tả "thuyết trường thống nhất" của ông trong tạp chí Scientific American với tiêu đề "Về lý thuyết tổng quát của hấp dẫn". Mặc dù ông tiếp tục được ca ngợi cho các công trình của ông, Einstein đã dần dần bị đơn độc trong con đường nghiên cứu thuyết thống nhất này, và những nỗ lực của ông đã hoàn toàn bị thất bại.
Trong việc theo đuổi một lý thuyết thống nhất các lực cơ bản của tự nhiên, Einstein đã bỏ qua một số hướng phát triển chính của vật lý thời đó, điển hình nhất là việc nghiên cứu các lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu, chúng chưa được hiểu triệt để cho đến tận nhiều năm sau khi ông mất. Mặt khác, các xu hướng vật lý lại chủ yếu bỏ qua các phương pháp tiếp cận của ông đối với lý thuyết thống nhất; với cơ học lượng tử là khuôn khổ chính, lý thuyết mà ông không chấp nhận hoàn toàn về tính mô tả thực tại của nó. Giấc mơ của Einstein để thống nhất mọi định luật vật lý khác với hấp dẫn đã thôi thúc một cuộc tìm kiếm hiện đại cho một lý thuyết của mọi vật và đặc biệt là thuyết dây, trong đấy các trường hình học được kết hợp với lý thuyết trường lượng tử hay hấp dẫn lượng tử.

Cộng tác với những nhà khoa học khác

Ngoài sự cộng tác trong một thời gian dài với các nhà khoa học Leopold Infeld, Nathan Rosen, Peter Bergmann và những người khác, Einstein cũng từng cộng tác trong một thời gian ngắn với nhiều nhà khoa học.

Mô hình khí Schrödinger

Einstein gợi ý cho Erwin Schrödinger rằng ông có thể suy lại được sự thống kê của khí Bose–Einstein bằng xét đến một hộp. Sau đó mỗi chuyển động lượng tử khả dĩ của một hạt trong một hộp được gắn với một dao động tử điều hòa độc lập. Lượng tử hóa những dao động tử này, mỗi mức có một số nguyên tương ứng, sẽ là số các hạt trong hộp.
Phương pháp này là một phần của lượng tử hóa chính tắc, nhưng nó đi ngược lại cơ học lượng tử hiện đại. Erwin Schrödinger áp dụng điều này để dẫn ra các tính chất nhiệt động của khí lý tưởng bán cổ điển. Schrödinger đã đề nghị Einstein để đưa thêm ông vào đồng tác giả, nhưng Einstein đã từ chối lời mời này.

Tình yêu âm nhạc

Einstein bắt đầu cảm thụ âm nhạc từ khi còn nhỏ tuổi. Mẹ ông chơi dương cầm khá giỏi và muốn ông học đàn vĩ cầm, không chỉ để truyền dẫn cho ông niềm yêu thích âm nhạc mà còn giúp ông hòa nhập với nền văn hóa Đức. Theo nhạc trưởng Leon Botstein, Einstein có thể đã bắt đầu chơi nhạc từ lúc 5 tuổi nhưng chưa thể hiện niềm thích thú với âm nhạc khi đó.
Tuy nhiên, bước sang tuổi 13, ông được học bản sonata vĩ cầm của Mozart. "Einstein trở nên yêu thích" âm nhạc Mozart, Botstein viết, và học chơi vĩ cầm một cách tự nguyện hơn. Theo Einstein, ông tự học chơi đàn bằng cách "thực hành có hệ thống", và nói rằng "say mê là một người thầy tốt hơn ý thức trách nhiệm." Khi 17 tuổi, ông trình bày bản sonata vĩ cầm của Beethoven trong một kỳ kiểm tra âm nhạc ở Aarau, và giáo viên chấm điểm đã nhận xét khi ông kết thúc là "xuất sắc và thể hiện nội dung tuyệt vời." Điều gây ấn tượng cho người giáo viên là, theo Botstein, Einstein "thể hiện sâu sắc tình yêu âm nhạc, một phẩm chất vẫn còn đang được hình thành. Âm nhạc có một ý nghĩa kỳ lạ đối với sinh viên này."
Botstein lưu ý rằng âm nhạc đảm nhận một vai trò quan trọng và lâu dài trong cuộc sống kể từ thời gian đó của Einstein. Mặc dù chưa lúc nào ông nghĩ rằng sẽ theo đuổi sự nghiệp âm nhạc, nhưng ông thường tham gia chơi nhạc thính phòng với một vài nghệ sĩ, thường trình diễn cho nhóm vài người bạn. Âm nhạc thính phòng là một phần trong cuộc sống của ông khi còn ở Bern, Zurich, và Berlin, nơi ông chơi nhạc cùng Max Planck và những người khác. Năm 1931, trong thời gian đến Viện Công nghệ California, ông đến thăm gia đình Zoellner ở Los Angeles và chơi một số bản nhạc của Beethoven và Mozart cùng với các thành viên của nhóm tứ tấu Zoellner. Einstein sau đó trao cho người đại diện gia đình một bức ảnh lưu niệm chụp ông cùng với chữ ký. Âm nhạc không chỉ là niềm vui thích mà còn giúp ông trong công việc. Bà Elsa nói "âm nhạc giúp ông khi đang suy nghĩ về các lý thuyết. Ông mải mê nghiên cứu, quay trở ra giải trí bằng đánh vài đoạn hợp âm piano, rồi tiếp tục trở lại công việc".