伟大的民族需要伟大的思想家
| 发言者： 文化 , Feb 06,1999,23:45 | 返回讨论组首页 |
牛顿力学的思想还扩展到力学领域甚至物理学领域之外。机械唯物主义的哲学体系建立起来了，生物学研究者尝试着建立生物力学，社会科学家则忙着依样画葫芦地建造社会和经济模型。对于亿万地球居民来说，不管他是否具有足够的科学素养理解这一切，牛顿的科学体系肯定影响了甚至决定了他的生活。牛顿力学第一次把人类社会建筑在一个坚强的理性基础之上，这个基础支撑起了工业社会摩天的高楼，而在此之前，人类生活与生产活动还只能由零散的经验知识作为基础。牛顿力学为人类提供了一个广泛适用的科学语言，这种语言帮助人们跨越局部经验，形成超越局部文化的人类文明，走向交融的文化与经济体系，昭示了未来文明的主要方向。一个从科学到技术、产业、价值观念和生活方式的牛顿体系，获得了近乎理想的成功。
在西敏斯特大教堂的牛顿墓碑上，刻着英国诗人蒲柏（Alexander Pope，1688-1744)写的诗句:“世界在黑暗中，上帝说，让牛顿出来吧，于是就光明了”，表达出人类对这位科学巨匠永恒的崇敬。
8.6 法拉第:跨世纪的遗产
我们这一代所接受的文化遗产中，有一份极其的珍贵礼物，这就是关于电、电磁波的科学与技术。这份遗产有多大呢?只好这样说吧，由于有了它，20世纪的几乎所有人都成了富翁，即使仅仅与19世纪相比也是如此。
人类很早就有关于电与磁的观察记载，但是没有人能够确立两者之间的关系。16世纪英国御医吉尔伯特经过研究得出结论说，电与磁是两种本质上不同的现象。18世纪，法国物理学家库仑(Charles-Augustin de culomb，1736-1806)同时研究了电现象和磁现象，提出了磁的库仑定律和电的库仑定律。由于两者的形式非常相似，库仑猜测磁与电之间存在着某种内在的联系。但是他没有找到能证实这个猜想的充分证据。
从1780年开始，意大利波隆那(Bolona)大学解剖学教授伽伐尼(Luigi Galvani，1737-1798)利用蛙腿做动物电实验。1786年11月6日，他偶然发现用手术刀触及已经解剖的蛙腿的外露神经时，不需要施加电流，蛙腿就剧烈抽搐。1791年，他在《电对肌肉运动的影响》一文中，描述了这些实验，他写道:
“这一发现是这样发生的。我已经解剖好和预备好一只青蛙。当我正想做别的事情时，将该青蛙置于桌上，这桌上原有的一个电机，距它的导体相当远，而且两者之间隔着很大的空间。这时有一个在场的人，用外科小刀的刀尖偶然轻触青蛙的股神经，结果蛙腿上的所有肌肉都一再紧缩，如同有力的夹子夹紧那样。另一个在场协助我们从事电研究的人曾经注意到，当蛙腿发生这反应时，电机的导体曾放出一个火花。”“于是，我以说不尽的兴奋去试验同一现象，企图找出其中蕴藏的原因。”伽伐尼发现如果用手握住小刀的骨柄，就不能引起这种反应。他换用细玻璃棒和铁棒代替小刀，结果发现后者能够引起同样的反应，而前者不行。伽伐尼进一步做了许多试验后尝试着解释这个现象。他认为蛙的神经中有一种看不见的生命流体，即“动物电”或“生物电”，这种电是动物肌肉中所固有的，它会促使神经肌肉运动，而金属与蛙腿接触只是起了放电作用，如同莱顿瓶放电一样。
1792年伽伐尼的同胞和朋友，意大利帕维亚(Pavia)大学物理学教授伏打(Alessandro Volta，1745-1806)看到了这篇论文。他继续研究伽伐尼实验，发现两种不同金属之间夹上浸透盐水的吸墨纸，不用蛙腿也能产生电流。伏打得出了不同的结论，认为电来自这两块不同的金属，蛙腿神经在实验中仅仅充当了一个灵敏的验电器。伏打花费了8年时间，用不同金属进行实验，到1799年，他把铜片和锌片浸泡在盐水中，获得了持续电流，发明了伏打电池。伏打电池是近代电的理论与技术起点。1800年3月20日，伏打向英国皇家学会报告了他的实验。这个报告在皇家学会的《哲学学报》上发表，激起了广泛的研究热潮。1801年9月26日，拿破仑邀请伏打访问了法国，请他演示了伏打电池。这位皇帝为伏打授予奖章和奖金，破格封他为伯爵和参议员，法国科学院还接纳伏打为其成员。
哥本哈根的物理学教授奥斯特 (Hans Christian Orsted， 1777-1851)花了十几年时间研究静电与磁的关系，一直不得其解。后来他发现雷雨时候实验室的磁针出现摆动，猜测可能是电流而不是静电引起了磁场改变，于是改用伏打电堆作实验。
奥斯特用了一个伏打电堆，一段金属导线和一根磁针，他首先把导线按东西方向布置，导线下面放着磁针，磁针呈南北指向。他认为，如果电流对磁力真有影响，在这种角度下应该看得见。这个实验作了很多次，毫无效果。在一次晚间讲演中，他突然想到把导线转个方向试试，结果这一试就名垂青史。当导线与磁针平行时，一接通电流，磁针马上就开始转动，从南北指向转成东西指向。奥斯特发现了电流产生磁的现象。他于1820年7月21日以《关于磁体周围电冲突的实验》为题目在哥本哈根公布自己的发现，随即惊动了全世界。
法国物理学家安培(Andre-Marie Ampere，1775-1836)听说奥斯特的发现之后，一个星期内就写出了关于电磁现象的第一篇理论文章。接着安培还发现两条平行的导线之间也有相互作用，他用数学语言描述了这些现象，并且发明了最初的电流计。
英国科学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday，1791-1867年)接过了科学的接力棒。
法拉第是一个铁匠的儿子，因为家境贫穷没能读完小学，13岁就到一个装订厂当童工。法拉第勤奋过人，坚持刻苦学习，立志献身科学。他读过厂里装订的一些化学和物理书籍，还常到“哲学学会”去听讲演。1812年，他在皇家学院听了著名化学家、皇家学会会长戴维 (Humphry Davy，1728-1829)的讲演，对化学十分入迷。他把戴维的讲演内容誊写整理成一本386页的书:《亨. 戴维爵士讲演录》，送给戴维。戴维也当过小工，年青时受过詹姆斯.瓦特之子格里高里.瓦特的帮助和鼓励，也是通过努力自学进入科学领域的。戴维欣赏法拉第热爱科学的精神和一丝不苟的工作态度，1813年3月1日，皇家学院理事会决定录用法拉第为实验室助手，每周工资25先令。
1813年10月13日，他伴师出游。在这过程中他结识了安培、盖-吕萨克和伏打等著名科学家，拿破仑也接见了他们。在巴黎逗留期间中，戴维用电解法分离出碘元素。在佛罗伦萨，戴维又用大透镜点燃了金刚石，并证明金刚石是一种纯碳。法拉第经历了这些过程，跟着老师增长了科学才干。1825年他成为皇家科学院成员，1825年担任皇家学院的实验室主任。
法拉第从1820年起就为奥斯特的实验所吸引，他苦苦思索，做了大量实验，其目标是研究磁能否转化为电的问题。有一段时期，他的口袋里经常放着一块铁芯，一有空就拿出来摆弄，然而十余年的研究全部失败了。直到1831年，他受到美国物理学家亨利的电磁铁实验启发，重新设计实验，终于获得成功。
1831年8月29日，法拉第给绕在软铁环上的线圈A两端接通电流，同一个软铁环上还绕着另一个线圈B，B的两端连接着一个电流计。在接通和断开电池的瞬间，电流计的指针出现了摆动。这是一个全新的发现。法拉第肯定这一结果后，写下了“磁感应生电”。十余年的艰辛终于赢得了收获!这位科学家无法抑制自己的兴奋，他告诉助手说，今天是我们的节日。
这何止是他们的节日!重大科学发现和发明之日，是全人类的节日。正如海森堡所希望的那样，每当人类获得新的知识，并感谢第一位道出真情者，应该普天同庆!
写到这里我突然觉得悲哀，我的人类同胞到今天还是如此目光短浅，每年都有国庆节、服装节、美食节、糖酒节，却没有一个科学节发明节!要是人类没有科学没有发明，美衣美食国家民族从何而来?!科学与发明难道不比国家民族美衣美食更重要更伟大更值得庆祝更应该过节?!
我又想到，达尔文在即将参加贝格尔号的环球航行时说，我的第二次生命就要开始了，这是我的后大半生的诞生日。卡尔迪纳和普里勃却评价说，这也是全世界的一个生日。他们的评价不错，因为由此引发的事情最终弄清了人的真正出生。
尽管已经获得了磁电转换的效应，但法拉第还不满意。第一，因为这还不是稳定的电流，仅仅是在电池接通和断开的瞬间感生出电流;第二，更重要的在于，连这个电流也是由A边电流感应出来的。他向往的是真正把磁转变为电，获得稳定的电流。
法拉第从实验现象中推想，B边产生电流的条件是磁环中的磁在变化，当A边电流恒定了，磁环中的磁场也稳定了，B边就不再有感生电流了。他想，何不直接用磁铁来制造磁的变化呢?
1831年10月17日，法拉第把一根长203英尺的铜丝绕成圆筒线圈，线圈的两端接上电流计，又拿来一块长8.5英寸、直径3/4英寸的圆柱形磁铁。当他反复把磁铁棒从圆筒形线圈中抽出和插入时，电流计的指针来回摆动。人类由此获得了交流电。
法拉第进一步认识到，获得感应电流的关键在于线圈与磁棒之间有相对运动。10月28日，他利用皇家学会的一块大U型磁铁，重新设计了实验。法拉第把一个圆铜盘插进U形槽中转动，结果在铜盘的转轴和边缘之间测到了稳恒的电流。世界上第一架发电机就这样诞生了。
1837年法拉第发现了电介质对静电过程的影响:电和磁的作用是通过中间的电介质传送的，电介质成为电场和磁场的传播者。1839年至1855年间，法拉第分三卷出版了《电学实验研究》，这部著作记录了他做过的重要实验，还在理论上对电的本质、电的存在方式作出了新的解释，提出了电场和磁场概念。《电学实验研究》立即成为当时发明家和物理学家的案头必备书。法拉第去世的第二年，爱迪生(Thomas Alva Edison，1847-1931)在波士顿的旧书摊上买到了几本法拉第的著作，从中获得了不可估量的知识财富，对他带来了终生的影响。
法拉第的发现和发明照亮了全人类。可以说，继语音文化、文字文化之后，人类第三代文化──-电子-电磁波文化体系，就应该追溯到法拉第的划时代贡献。
在牛顿的理论体系中，描述万有引力的作用时，采用了绝对同时性和力的超距作用概念。牛顿之后的数学家们坚持用这些概念描述磁和电的作用。法拉第放弃了超距作用的概念。他不认为物体之间除了距离之外什么都没有，而认为物体之间的空间是一个力场。这个力场的力线是弯曲的，向物体之外的一切方向延伸，并且受到其它物体的存在及其力场的影响。他甚至把属于物体的力线在某种意义上说成是物体本身的一部分。法拉第用新的语言来表达新的概念， 这些语言和概念对于用牛顿思想武装起来的学者们来说，还是非常陌生的。
法拉第开了一个头，他的新观念被麦克斯韦和爱因斯坦继承发展。爱因斯坦曾经充满感情地回顾说:“对于我们，法拉第的一些概念，可以说是同我们母亲的奶一道吮吸来的，它的伟大和大胆难以估量。”
8.7 麦克斯韦
法拉第发现电磁感应的同一年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell，1831-1879)出生在苏格兰爱丁堡市一个律师家庭。他在乡下长大，19岁上剑桥大学，当年就在皇家学会的刊物上发表了两篇论文。在大学期间他还发表了论文《论法拉第的力线》。1854年，麦克斯韦以优异成绩毕业于数学专业，1860年任伦敦皇家学院教授，他在这里见到了科学前辈法拉第，后者十分赞赏这位才华横溢的年轻人。1865年，麦克斯韦辞去教职，回到老家格伦莱厄庄园，在家里专心写作，8年后出版了《电磁学通论》。1871年，麦克斯韦应聘重返剑桥，筹建卡文迪什实验室，并担任第一任卡文迪什教授和实验室主任。
麦克斯韦继承了法拉第的思想，并且用自己杰出的思想和数学才干建成了一个优美的电磁波理论体系。
麦克斯韦自己叙述说，“在我开始研究电以前，我决心不读任何有关这一课题的数学著作，直到我从头到尾读完了法拉第的《电学实验研究》为止。”“当我继续研习法拉第的著作时，我觉察到他对现象的想象方法也是一种数学的方法，尽管并没有用习见的数学符号的形式表示出来。我也发现，这些方法可以表示成普通的数学形式，并从而可以和那些专业数学家的方法进行比较。”
通过比较，麦克斯韦更深入地理解到法拉第的科学思想和科学方法，领会到它对于已有的数学描述的优势，他举例说，“法拉第看到一些力线穿过全部的空间，而数学家们则只在空间中看到一些超距吸引着的力心; 法拉第看到一种媒质，而他们则从距离以外毫无所见; 法拉第向在媒质中进行着的真实作用中寻求现象的依据，而他们则满足于在对电媒质发生超距作用的一种本领中找到了这种依据。”
另一方面，麦克斯韦也发现，如果能够用最新的数学成果把法拉第得出的那些想法表示出来，将比它们的原始形式下的表示好得多。
麦克斯韦为此做出努力。1855-1856年间，他为法拉第图像化的电力线和磁力线概念提供了一种精巧的数学描述。通过对电流周围磁力线的分析，麦克斯韦创立了著名的矢量微分方程。1862年，他更进一步，在传导电流之外又定义了位移电流，后者出现在变化的电场之中。这样就完成了磁场与电场的对称描述:变化的磁场能够产生电场，变化的电场也能够产生磁场。
麦克斯韦做得太离谱了!简直是在物理学中进行数学和艺术创作。除了他本人的天才直觉和对物理世界对称美的信念以外，几乎没有任何理由!当时谁也不能为它找到实验根据，也没有人能够相信麦克斯韦的做法，甚至连赫尔姆霍茨和玻尔兹曼这样异常优秀的人物也花了几年时间才理解了麦克斯韦方程的意义。
麦克斯韦方程把电振动归结为电力波和磁波的横波传动，预言了电磁波存在，且传播速度为每秒186000英里。1871年，他又完成了光的电磁波理论，使完全隔离的光学和电磁学领域紧密联结起来。
麦克斯韦48岁英年早逝，既没有来得及看到自己的理论在实验上得到验证，也没能完成一些他还可能得到的重要的理论推导。1887年，德国物理学家赫芝(Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894)用高压交变电流使两个金属球之间产生电火花，在屋内另一个环路间隙上测到了无线电辐射:只要发射机环路产生一个电火花，接收环路同时也产生一个电火花。赫兹试验证明了25年前麦克斯韦预言的电磁波确实存在，稍后又证实了它的速度与光波速度一样，光的电磁波理论获得圆满成功。
麦克斯韦有一支不可思议的神笔，画一个美丽的世界，居然她就活了!
8.8 狭义相对论
尽管法拉第破除了超距作用，麦克斯韦又用数学方式描述了电磁场，但直到20世纪初，对电磁场的解释还具有牛顿力学的性质。人们认为电磁波象水波、声波一样，必须在一种有质量的介质中传播，这种能传播光波的弹性物质被叫做“以太”，它是场的载体。“以太”具有一些十分奇特的性质，用牛顿的说法，“它的结构和空气十分相似，但要稀薄得多，精细得多，而且有弹性”，“以太能够渗进所有粗大物体，但在它们的孔隙中要比在自由空间中稀薄得多，而且孔隙愈细而愈稀薄。”到19 世纪后半叶，洛奇认为“以太是一种充满空间的连续实体，它能够像光那样振动，它能够分裂为正电和负电，它能够以漩涡的形式构成物质，它能够连续无冲撞的传播，它能够对物质施加作用和反作用”，J.J.汤姆逊则说“以太像我们呼吸的空气一样必不可少”，“是我们可以方便地贮存和提取能量的仓库。”这个“以太”简直神了!19世纪中，由于光的波动学说复活，由于麦克斯韦理论的成功以及赫兹验证了无线电波的存在，人们迷恋于“以太”假设，认为电磁场不能脱离“以太”而独立存在。
从17世纪起，人们就开始寻找“以太”。在理论上讲，地球相对于“以太”运动，在地球上发出的光波的载体是“以太”，那么光波的速度应该是与地球对“以太”的相对运动速度有关，它可以由玻璃的折射，光通过水流带来的速度变化等等方式测出来。可是从17世纪到19世纪，测量设计得一个比一个精确，却一直不能发现“以太”相对于地球的运动。不管物理学家如何倾心渴求，“以太”始终不肯亮相，到1900年4月27日，开耳芬在英国皇家学会发表了一个著名的演讲，把“地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动”称为19世纪留下来的物理学的“两朵乌云”之一。
这时候还没有人想到要放弃“以太”概念本身!
与之相关联，牛顿力学体系中，有一个重要的理论基石，即力学定律的相对性原理，它肯定牛顿力学定律在所有的惯性系中都是同样有效的，在不同惯性系之间，可以用伽利略变换进行转换。在伽利略变换中，速度可以迭加，不容许有特殊的速度。
麦克斯韦方程中出现了一个常量C，这就是电磁波的速度(光速)。光速与惯性系的运动速度无关，从一个惯性系过渡到另一个惯性系时，光的速度不变，不能用伽利略变换进行速度叠加，也就是说，它与力学相对性原理冲突。
实验也没有发现光速相对于参照系的改变。面对这个物理事实，摆脱理论困难的出路有两条，一条是改造麦克斯韦方程，使它满足伽利略变换，这意味着力学的相对性原理不能推广到电磁学领域，电磁学需要特殊的惯性系-绝对惯性系。
但寻找这个绝对惯性系(即“以太”)的种种努力都失败了，谁也不能找到这个神秘的“以太”。
另外一个出路是，保持麦克斯韦方程的形式不变，放弃伽利略变换，放弃绝对惯性系。爱因斯坦(Albert Einstein， 1879-1955)选择了这一条路。
这位伯尔尼专利局的职员，当时还是业余的物理学爱好者。1905年春天，他在克拉姆巷49号三楼的一个小房间内，用几个月的业余时间，写了5篇物理学论文，其中有三篇同时刊登在1905年出版的《物理学年鉴》第17卷。
第一篇叫做《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》，爱因斯坦签署的日期为3月17日，《物理学年鉴》编辑部于3月18日在柏林收到手稿，这篇论文以光量子理论而闻名，后来瑞典皇家科学院以此名义授予作者诺贝尔物理学奖;第二篇论文标题为《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》，爱因斯坦于5月完成，编辑部5月11日收到手稿，这篇文章给出了测定原子大小的实际方法，1908年被法国物理学家佩兰用实验验证，这个结果意味着原子论获得了最终的胜利。
第三篇论文《论动体的电动力学》具有划时代意义，爱因斯坦写于1905年6月。在这篇论文中，爱因斯坦首先提出问题:“大家知道，麦克斯韦电动力学──象现在通常为人们所理解的那样──应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称。”比如设想一个导体与一个磁体之间之间的电动力的相互作用，如果磁体运动而导体静止，磁体附近会产生电场，导体内会产生电流，反过来，如果磁体不动而导体运动，导体内仍然能够产生电流，效果与前一种情况完全一样。按照通常的看法，究竟是这个在运动，还是那个在运动，是截然不同的两回事。爱因斯坦却从这个现象中得出简洁的结论:问题的关键只在于导体和磁体两者之间的相对运动，跟“以太”这类绝对静止的参照系没有关系。
更进一步，爱因斯坦还肯定必须放弃绝对静止概念，他认为这个概念不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，“凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用。”他的结论是，麦克斯韦方程本身是富有成效的，而以太完全是一种多余的人为概念。
爱因斯坦把这些观点提炼为两条基本公设，圆满地解决了电磁场理论面临的困难。
第一条公设(相对性公设)说，物理学定律在所有惯性系中是相同的，不存在特殊的惯性系。
第二条公设(光速不变公设)说，光在真空中的速度恒定，与发射体的运动状态无关。
这两个公设把力学相对性原理推广到光学和整个物理学，在更高的水平上实现了力学和电磁学理论的逻辑统一。肯定光速不变，就得放弃伽利略变换，代替它的，就是著名的洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853-1928）变换。
这两条公设构成了狭义相对论的核心。
爱因斯坦希望这篇论文会立即引起物理学界注意，可物理学界却让他慢慢等待，甚至到1907年，玻恩都不知道爱因斯坦和他的工作。值得高兴的是，普朗克很快写了一封信来，提了几个问题。此后，普朗克就开始宣传相对论，并指导学生研究相对论。
1905年9月，爱因斯坦又完成了论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》。在这篇论文中，爱因斯坦通过平面光波的能量转换，导出了质量和能量的转换公式。他指出，“物体的质量是它所含的能量的量度;如果有一物体以辐射方式放出能量L，那么它的质量就要减少L/V2，V是光速。这就是质能公式:E=mc2的由来。他还指出了验证这个关系式的途径，“用那些所含能量是高度可变的物体(比如用镭盐)来验证这个理论，不是不可能成功的。”
在此之前，人们已经发现了原子内部蕴藏着巨大的能量，爱因斯坦对此给出了理论解答。这篇论文奠定了原子能时代的理论基础。
8.9 广义相对论
在匀速直线运动中，力学过程以同一方式进行，与参照系无关。而在加速运动的系统中，力学过程跟加速度的大小有关，加速度在这些系统中产生了惯性力。一切物体都有惯性，惯性对作用于它的力场表现出阻力，其大小用惯性质量来量度，在牛顿力学中，用公式F=ma表达这种关系，m是惯性质量。牛顿还给出了万有引力公式:F=G.M.m/r2，其中也包含质量m(或者M)，这是引力质量。惯性质量与引力质量有什么关系呢?人们发现物体对引力场的感应性永远正比于物体的惯性质量，或者说惯性质量与引力质量相等，这似乎是一种巧合，没有人能够给出理论解释。这种未加解释的巧合，后来成了爱因斯坦研究的对象。
1907年，爱因斯坦在《相对性原理及其结论》的论文中，提出更深刻的问题:“迄今为止，我们只把相对性原理，即认为自然规律同参照系的状态无关这一假设应用于非加速参照系。是否可以设想，相对性运动原理对于相互作加速运动的参照系也仍然成立?”
爱因斯坦自问自答，把相对性原理从惯性系问题推广到非惯性系， 推广到更加普遍的运动形式中。
1912年，爱因斯坦回到母校苏黎世大学，在同班同学、数学教授格罗斯曼(Marcel Grossmann,1878-1936)的帮助下，寻求表现自己思想的数学工具。1913他们共同署名发表了《广义相对论纲要和引力论》。在这篇论文中，他们给出加速度和引力的动力学效应一个等价性原理:一个含有加速度a的非惯性系，等效于含有均匀引力场的惯性系。“在一个封闭箱中的观察者，不管用什么方法也不能确定，究竟箱是静止在一个引力场中呢，还是处在没有引力场但却作加速运动(由加于箱子的力所引起)的空间中。”
1915年他发表《广义相对论的基础》，完成了广义相对论。在这篇文章中，他阐述说，狭义相对论同古典力学的分歧，不是由于相对性原理，而只是由于真空中光速不变的公设。由这公设，结合狭义相对性原理，得出了同时性的相对性，洛伦兹变换，以及同它们有关的关于运动的刚体和时钟性状的定律。
爱因斯坦指出古典力学和狭义相对论的缺陷，它们所表现的物理定律与时间、空间无关，却与参照系有关。他提出了一个更广泛的基本命题:物理学定律必须具有这样的性质，它们对于无论哪种方式运动着的定律参照系都是成立的。由此达成了对相对性公设的扩充。
狭义相对论放弃了相互分离的绝对空间与绝对时间，构建了统一在一起的四维时空，广义相对论更把引力和时空联接在一起，把不同物体的引力场看作是这些物体周围区域的时空弯曲。广义相对论认为，不仅运动的动力学效应， 而且光学现象都受时空弯曲的影响。1917年初，英国天文和物理学家爱丁顿（Sir Arthur Stanley Eddington，1882-1944）提出了用实验观察来检验广义相对论的想法：如果光线真如广义相对论所预言的那样，会在巨大质量的天体附近发生弯曲，那么它从地球旁边穿过时，一秒钟将偏倾10米(偏向地球)，而在太阳附近的偏倾比这还要大27倍。如果恒星的光在抵达地球之前，路过太阳附近，就应该出现位移，这个位移有可能观察到。不过在一般情况下，这种观测很困难，因为太阳亮度太大，它旁边的星星根本无法观测，也无法拍摄下来进行比较研究。唯一的例外是日蚀的时候，这时候有可能进行所需要的观测研究。1919年5月29日就有这样一个良好的机会。为此，英国科学家在格林威治组织了两只考察队，一对奔赴几内亚湾的普林西比岛（由爱丁顿负责），另一队去巴西的索布拉尔农村。日蚀那天，普林西比岛天气不好，下起雨来，但在日全蚀结束之前得到了两张有效的照片，可以肯定光线的确发生了弯曲。几个月后，巴西队的照片分析报告也出来了，证实星星的位移符合爱因斯坦理论的预言。9月中旬，洛伦兹电告爱因斯坦，广义相对论的预言获得证实。英国皇家学会主席汤姆森 (Sir Joseph John Thomson，1856-1940)评价说，“这次发现的不是一个遥远的孤岛，而是新的科学思想的整个大陆。这是牛顿时代以来最伟大的发现。”
物理学家怎样处理基本的、初始的规律性问题，不仅是科学史的问题，而且是人类文明史的大问题。它关系到对世界的全面解释，构成整个哲学的基础并由此影响人类的行为方式。正如爱因斯坦所说过的那样:“理性用它的那个永远完成不了的任务来衡量，当然是微弱的;它比起人类的愚蠢和激情来，的确是微弱的，我们必须承认，这种愚蠢和激情不论在大小事情上都几乎完全控制着我们的命运。然而，理智的产品要比喧嚷纷扰的世代经久，它能经历好多世纪而继续发出光和热。”
爱因斯坦毕生追求解开自然之谜，在这个无限的事业中获得心灵的解放，获得内心的自由与信心。他自述:“像我这样的人，一生中主要的东西，在于他想什么和怎样想的，而不在于他做什么或者经受什么。”他还以特有的幽默口吻说:“为什么恰好是我创立了相对论呢?当我给自己提出这样一个问题的时候，我以为原因是:一个正常的成年人完全不考虑什么时间和空间的问题。照他看来这个问题他在小时候就想清楚了。我呢，智力发育如此缓慢，以致于当我已经长大的时候，空间和时间还盘踞在我的头脑中。自然，我就能比儿童时期发育正常的人对问题钻研得更深入一些。”
广义相对论的诞生本身就是对传统认识论的挑战。狭义相对论起源于对电磁运动的思考、对“以太”概念的思考和对“绝对同时性”的思考，可以认为它与许多实验有关，譬如电场和磁场方面的实验，寻找“以太”的实验等等。而广义相对论却找不到任何实验基础，甚至真正的理论需求也不明显。用爱因斯坦自己的话来说，“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。但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”事实上，广义相对论是在一切惯性系对物理定律等效这个理论(狭义相对论)的基础上，进一步思考加速度、质量、引力等等基本概念而获得的革命性思想。这已经远远超越了需求推动的水平，成为人类认知可以优先独立发展的一个证明：人类的知识进步与精神发展总是走在物质进步与社会发展的前面。
20世纪的科学天空群星灿烂，但讲到对人类的巨大贡献，对历史的深远影响，却首推科学泰斗爱因斯坦。用普朗克的说法，爱因斯坦应该被看作是20世纪的哥白尼。
8.10 量子理论
与相对论并列的另一条研究路线是在微观世界展开的。19世纪末，物理学界洋溢一片大功告成马放南山的气氛，牛顿被誉为“宇宙的唯一解释者”。 普朗克的老师约克劝告学生，物理学基本上是一门已完成的科学，只剩下一些无足轻重的小问题，研究物理学不会有多大成果了，何必在这里面浪费生命?威廉.汤姆逊声言科学终于抵达港口，根本问题都已经解决;迈克尔逊（Albert Mechelson）宣布则未来的科学要到小数点以后第6位数去寻找。人们觉得已经越来越接近终极真理，没有想到认知还会出现飞跃。牛顿体系的光环、终极真理的诱惑和无限逼近真理的认识论原理欺骗了大家。
然而这时微观世界的物理学革命已经开始发动了。这场革命的第一个源头可以追溯到1869年门捷列夫发现的元素周期律，它引起了人们关于原子内部结构的疑问;第二个源头来自19世纪关于电的研究。伦敦皇家化学学院的威廉.克鲁克斯(Sir William Crookes，1832-1919)正好位于这两个研究方向的交叉点上。
1861年，克鲁克斯用分光法发明了元素铊(TI)，于是他进一步研究各种各样的发光现象。1876年，他看见通电的合吐路夫管(一种真空管)有放电产生的光线，动了念头想把它拍下来，可是显影后发现整张干版上什么也没照上，一片模糊。克鲁克斯想到是干版旧了，又拿来三张新干版，连续照了三次，依然如此。克鲁克斯简陋的屋子（他的研究所）本来就被称为“鬼屋”，真是闹鬼了，他认为是胶片有毛病，退给了厂家。克鲁克斯的机会跑掉了，物理科学的进程被延迟了近二十年。
1895年10月，德国维兹堡(Wurzburg)大学物理研究所所长伦琴(Wilhelm Conrad R?ntgen ,1845-1923)教授用克鲁克斯管研究真空管放电现象时，也发现一个封存完好的照相干板全部被曝光了。伦琴抓住命运在黑暗中的这个闪光，决定查个水落石出。1895年11月8日，他用黑纸把克鲁克斯管严密地包起来，只留下一条窄缝。这次他发现电流通过克鲁克斯管时，两米开外一张涂了氰亚钯酸钡的纸发出明亮的荧光。伦琴证明了这种效应是一种看不见的射线引起的，这种射线能穿过纸和2-3厘米的木头，能够穿过薄铝片，但不能穿过较厚的金属和其它致密物质。如果把手放在放电管与荧光屏之间，可以看到手上的骨骼。1895年12月28日，伦琴向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了一篇论文:《一种新的射线──初步报告》，讲述了自己的新发现，并且这个性质不明的射线叫做“X”射线。1896年元旦，维也纳的报纸用头版刊登了这个特大消息。过了两天，德国人知道了“X”射线。1月6号，海底电缆就向全世界通报了伦琴的发现。医学界立即明白了X射线的用途，把它称为医疗诊断史上一个最伟大的里程碑。X射线不负众望，帮助医生诊断骨折，检查体内异物，尤其是在击败肺结核的过程中功勋卓著。
在物理学领域，伦琴射线同样是一个伟大的里程碑。整个物理学界轰动了。人们以高涨的热情积极探询来自原子内部的信息，这种探询最后导致一个新科学体系诞生。X射线透射出科学新世纪的第一缕曙光。绝妙之处在于，新世纪开始的时候(1901年)，瑞典皇家科学院也把第一枚诺贝尔物理学奖恰如其份地授予伦琴。这似乎在暗示20世纪科学和人类社会的进程就从这里起步。
法国巴黎综合技术学校的物理学教授亨利.贝克勒尔(Henry Becquerel，1852-1908)1896年在重复并研究伦琴射线实验时，偶然发现不通过克鲁克斯管，硫酸钾铀酰盐也能放射出穿透性的辐射，使照相底片感光。贝克勒尔使用各种铀盐反复实验，肯定了铀盐本身能够自发地放出一种射线，与X射线无关。于是贝克勒尔开辟了放射性元素这个巨大的研究领域。
伦琴射线强烈地吸引了巴黎大学的波兰女物理学家玛丽.斯克洛芙斯卡(Marie Sklodowska，1867-1934)。玛丽的丈夫、巴黎化学学院物理学教授皮埃尔.居里(Pierre Curie，1859-1906)专门设计了一个简易而灵敏的射线检验器，居里夫妇开始系统检验已知的化学元素。他们查明钍也有放射性，还发现了两种新元素钚和镭，前者的放射性比铀强400倍，后者比铀强2万倍。居里夫妇在破旧的仓库里熬了45个月，从8吨沥青铀矿渣中，提炼出0.12克纯氯化镭。
贝克勒尔与居里夫妇同获1903年诺贝尔物理学奖。
1897年夏天，剑桥卡文迪什实验室的汤姆森(Sir Joseph John thomson， 1856-1940)教授与新西兰出生的年轻助手卢瑟福(E.Rutherford，1871-1937)采用各种阴极射线管重复伦琴的实验。当他们用上奥地利物理学家布劳恩发明的尾端内壁涂了荧光材料的阴极射线管时，发现外加垂直磁场可以使阴极射线束偏移。汤姆森得出结论说，阴极射线是带负电的粒子，他把这些粒子称为电子。汤姆森实验同时开辟了电子学和原子科学两大领域，他获得1906年诺贝尔物理学奖。
电子和元素放射性的发现，说明原子具有可以演变的内部结构。1909年，英国曼彻斯特大学的新西兰学生欧内斯特.马斯敦偶然发现用α粒子穿过物质时，有时会发生偏转。他把这件事告诉了物理学教授卢瑟福。卢瑟福大为惊讶，觉得“就像用一发15吋的炮弹射击一张卫生纸，炮弹却反弹回来并击中炮手”一样不可思议，于是他立即组织实验，跟踪研究。卢瑟福身边聚集了盖革(H.Geiger)、莫斯莱(Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887-1915)、玻尔 (Niels Bohr，1885-1962)、查德威克(J.Chadwick，1891-1974)等一批青年俊杰，他就带领这帮未来的科学之星进攻原子。他们用镭作α射线的放射源，轰击作为靶子的金箔，靶子背后是荧光屏，屏上可以观察到射线出现的变化。经过若干天耐心的守候和计算，终于发现大约每8000个α粒子中有一个发生大于90角的方向偏离(散射)，甚至干脆被弹回来。
为了解释这个实验，1911年，卢瑟福提出原子的太阳系模型，认为原子半径量级为10-8厘米，原子中间是极小的原子核，其半径量级为10-12厘米，原子核集中了原子的绝大部分质量，带正电，核周围是绕核运转的电子，带负电，核上带的正电与核外全部电子带的负电相等。α射线是带正电的氦离子流，绝大部分不受影响地穿过了原子核周围的空间，极少数α粒子靠近了原子核，被弹开而改变了方向。
卢瑟福模型是一次典型的用牛顿力学模型解释原子结构的试探。它存在一个不可回避的严重缺陷:根据麦克斯韦的电动力学理论，绕核运转的电子会幅射电磁波，逐渐消耗电子的动能，于是绕核运行的速度会越来越慢，最后将落在原子核上。卢瑟福模型的理论推论与实际上原子的高度稳定性相矛盾。
卢瑟福模型也与当时已知的巴尔末-里德伯光谱公式不相吻合。根据这个公式，原子向外辐射的电磁波是分离光谱，不能连续变化;而卢瑟福模型中，电子绕核运转的轨道是连续变化的，原子辐射光谱也应该连续变化。
卢瑟福模型对原子稳定性和频谱不连续性这两个问题提不出解决办法。直到两年后玻尔应用普朗克的量子概念重建原子模型，才开始走出另外一条路来。
微观世界中另一条研究的线索指向物理学天空还剩下的“一朵乌云”:黑体幅射问题。为了解决瑞利(John William Strutt，the Third Lord Rayleigh， 1842-1919)辐射公式中的“紫外灾变”和维恩(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien，1864-1928)幅射公式的“红外灾变”这两个互相对立的理论困难，德国物理学家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858-1947)提出了一个新的黑体辐射公式。
普朗克生于一个律师和新教家庭。在柏林读大学的时候，听过基尔霍夫和赫尔姆霍茨的课，并选择一个关于热力学和可逆性的题目作为学位论文。维恩在1893年已经提出了关于黑体辐射的经验公式，但不能给出理论解释。普朗克不满意这种状况，从维恩公式发表起就希望“给它一个真正的物理解释”。1900年10月19日，普朗克在柏林物理学会报告了自己推导的辐射公式，它对长波短波高温低温都很吻合。普朗克公式中首次出现了一个新的普适常数h(现在称为普朗克常数)，引入了最小的不能再分割的能量单元概念:物质只能一份一份地吸收和辐射能量。他用了一个拉丁语词汇表示这个概念:quantum，即后来众所周知的“量子”。 普朗克公式有效地解释了黑体辐射实验，但是能量单元引出了更广泛更深刻的理论困难:它破坏了人们长期坚持的能量连续性观念。新观念匪夷所思，与会者闻之大惊失色，没人敢相信这个理论。
1900年12月14日，普朗克应邀向德国物理学会报告了分立能级的新思想和由此得到的幅射定律。普朗克在会上正式宣布，经过六年的艰苦摸索，终于明白，用经典物理学的方法不可能解决黑体辐射问题。这一天被看作是量子力学诞生的日子。
旧世纪残存的乌云之中炸响了新世纪诞生的惊雷。从哥白尼开始的第一次科学革命，经过牛顿的巨手建成第一个完整的科学体系，牛顿体系充分展开和发展了一百多年，到这时候被普朗克画上了句号(1905年，爱因斯坦在另一片乌云中掀起风暴，完成了狭义相对论)。普朗克摇撼了一个伟大的科学体系，动摇了人人信奉的整个科学观念，引起了强烈的精神震动，洛伦兹 (Hendrik Anton Lorentz，1853-1928)甚至遗憾自己没有在旧的基础崩溃之前死去。即使量子力学的奠基者普朗克本人，面对这样根本性的变革也犹豫再三，不敢肯定要彻底放弃牛顿体系。尽管从一开始，普朗克就意识到这个新概念可以和牛顿的发现相比拟，但他还是用了数年时间，花费了极大的精力，希望消除牛顿力学与量子物理学之间的鸿沟，至少也争取在两个体系之间搭个桥。在1911年举行的索尔维会议上，他甚至从1900年的立场上有所倒退。然而，普朗克挽救传统体系的努力最终失败了。他晚年谈到这件事情时说，“现在我的确知道，作用量子的基本意义比我原来所想象的要大得多。”这使人联想到哥白尼并不希望背叛上帝，只是要给上帝安排一个更适当的居所，结果弄得上帝无家可归的一段史事。
新世纪的序幕刚拉开，主角就已经登台亮相，普朗克的量子理论来得正是时候。“量子”主演了一百年的历史剧，使20世纪成为一个新科学的世纪。
量子概念首先被一个业余物理学爱好者爱因斯坦接受。
1902年，德国波恩(Bonn)大学物理学家勒纳德(Philipp Lenard，1862-1947)宣布了光电效应的两个惊人规律:电子的能量从光频率的一个下限值出发，随着入射光频率的增加而增加，与光的强度无关;光的强度只决定单位时间内释放出来的电子的数目。
更早一点，光电效应可以追溯到赫芝的发现。1887年，赫芝用紫外线照射两个邻近的锌质小球中的一个时，发现在两个小球之间容易产生电火花。莫斯科大学教授斯托列托夫发现真空中放两个金属板，当其中的一个被光照射时，有电流穿过两块金属板之间的空白空间，而不需要在其间连接导线。斯托列托夫还发现，要产生光电效应，入射光频率有一个下限值，以及电流与入射光强度的正比关系。1898年发现电子以后，勒纳德探明了入射光与逸出电子的关系。
爱因斯坦1905年发表《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》，用光量子概念解释了光电效应。爱因斯坦把光看成是光量子流，赋予每个光量子以能量，并且假设每个电子都被量子打出，入射光能量等于打出的光电子的能量加上释放电子所需要的能量。理论与实验符合良好。
爱因斯坦首先挺身而出，支持普朗克的能量分离概念。他明确指出:“我的所有的使物理学的理论基础适应新概念的企图完全失败了。就好象大地已被从一个根本没有坚固基础的建筑物下移开了一样。”而且爱因斯坦走得更远，他干脆肯定有单独的能量子存在，指出光就是由不连续的能量子即光量子组成(后来这些光量子被称为光子)。
普朗克长达5年的“钢琴独奏”，终于有了知音，得到爱因斯坦这位“第一小提琴”协奏(后来他们的确也乐于在一起演奏音乐)。普朗克非常感激爱因斯坦在最困难的时候，对幼弱的量子理论给予的极为关键的支持。此后，在德国接受量子概念的物理学家开始增加。1910年春天，比利时工业化学家恩斯特.索尔维(Ernest Solvay，1838-1922，他因发明氨-碱法生产碳酸钠而成为富翁)在布鲁塞尔见到物理学家能斯特( Hermann Walther Nernst，1864-1941，他后来因提出热力学第三定律而获得1920年诺贝尔化学奖)，了解到在物理学基本原理方面正在发生的革命性变化，一口答应资助召开一次国际性物理学会议。第一次索尔维会议于1911年11月30日在比利时首都布鲁塞尔举行。这次会议使量子概念走出德国，首先被欧洲，接着被全世界的物理学家接受。
1918年，普朗克获得诺贝尔物理学奖，爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。
1911年12月，尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885-1962）在曼彻斯特遇到刚从索尔维会议归来的卢瑟福。玻尔兴致勃勃地听取了会议介绍，受到极大的启发。1913年，玻尔采用量子概念改造了卢瑟福原子模型，以图克服它的理论困难。玻尔保留了行星模型，但另外附加了两个假定。1.肯定原子是稳定的。原子中具有不会产生幅射的稳定的电子轨道，电子在这个轨道上运行时原子不辐射能量。2.不同轨道上的电子具有不同的总能量，当电子从外层轨道(高能级)跃迁到内层轨道(低能级)时，两层轨道的能量差就会以光子的形式释放出来，不同的能量差对应着不同的光线频率，电子轨道是不连续的，因此原子辐射能量也不连续，这就是我们观察到分裂的原子光谱的由来。在相反的过程中，原子将吸收能量，电子由低能级轨道跃迁到高能级轨道，这时候可以观察到原子的吸收谱线。玻尔由此解释了氢原子光谱的巴尔麦公式，还推导出氢原子半径。
1922年，玻尔获诺贝尔物理学奖。
玻尔模型把量子概念用到原子结构中来，是一个重大的理论进步。然而他附加基本假定的作法显得相当武断，没有解释电子以这种不连续方式运动的原因，在实验中，玻尔模型也仅仅对氢原子谱线符合得比较好。
1923年，法国青年物理学家路易斯.德布罗意（Louis Victor Pierre Raymond duc de Broglie，1892-1987)提了一个更广泛和更大胆(物理学家们称为“更疯狂”)的理论。德布罗意是一个法国贵族，有亲王头衔，他哥哥莫里斯.德布罗意(Maurice de Broglie，1875-1960)参加过索尔维会议，并担任大会的科学秘书。路易斯.德布罗意的专业本来是中世纪历史，可是当他读了莫里斯带回来的索尔维会议的记录材料时，对物理科学产生了极大的热情，决定“要把自己的全部青春和精力投入到理解神秘的量子的真实本性中去”，于是他转而研究理论物理学。路易斯希望能参加1921年举行的第三届索尔维会议，可是被拒绝了。他深受刺激，发誓要用自己的发现成为索尔维会议的正式成员。果然，到1927年的第五届索尔维会议，他如愿以偿。
1923年，德布罗意接连发表三篇文章，把爱因斯坦在解释光电效应中提出的光的波粒二象性，推广到电子和其它实物粒子，提出了“物质波”概念。物质波不同于机械波，因为它的传播不需要介质，也不同于电磁波，因为它可以由不带电的物体运动产生。德布罗意给出了物质波的波长公式，还算出中等速度的电子的波长相当于X射线的波长，在德布罗意理论中，原子结构中的电子行为就可以用电子波动的性质来解释了。
德布罗意回答了玻尔理论所无法解决的种种问题，并且对物质性质提出了更有力的新解释，它的重要意义延伸到有关物质认识的每一个领域。1924年，德布罗意把他的思想写成博士论文，索本学院却没有能力作出评价。他的指导老师朗之万(Paul Langevin，1872-1946)也吃不准，但觉得这篇论文才华横溢，就含含糊糊地批上“我们赞扬他以非凡的能力坚持作出的为克服困扰物理学家的难题所必须作的努力”，同意授予他博士学位。
物理学界的大人物洛伦兹教授对德布罗意的评价是：年轻人异想天开，不知天高地厚。朗之万闹不清这个学生到底是天才还是疯子，就将德布罗意的论文寄给好朋友爱因斯坦，请他评判。爱因斯坦高度赞赏德布罗意的工作，说它“揭开了巨大面纱的一角”。1925年1月，爱因斯坦在一篇论文中指出，德布罗意的工作不仅仅是关于光的波粒二象性的简单类比，而且包含了对量子规则的非常卓越的几何解释，他吁请物理学界注意德布罗意的观点。
1927年，美国贝尔实验室的戴维逊(Clinton Joseph Davisson，1881-1958)和英国物理学家小汤姆生(Sir George Paget Thomson, 1892-1975).)分别获得了电子衍射的证明，而衍射是波所特有的性质，由此证明了电子波的存在。电子作为一种波，电子束可以像可见光一样进行聚焦，而且由于波长比可见光短得多，可以分辨更小的东西，依据这个原理制成的电子显微镜，可以看到5至10倍原子直径大小的东西。
德布罗意荣获1929年诺贝尔物理学奖。戴维逊和小汤姆生分享了1937年诺贝尔物理学奖。
奥地利数学物理学家薛定谔(Erwin Schr?dinger，1887-1961)开始对德布罗意新观点的评价是“胡说”，读了爱因斯坦的文章后，他重新思考这个问题，发现果然是自己错了。他利用自己的数学才干，研究德布罗意的观点。1926年，薛定谔发表了关于物质波传播的普遍理论，即著名的薛定谔方程，把德布罗意波的一维波发展为空间的三维波，用三维驻波解释了原子中的电子轨道。很自然，电子在原子核周围的状态就是核周围的由几率决定的电子云了。薛定谔方程使量子力学获得了明确而自洽的表现形式。
差不多同时，25岁的海森堡(Werner Karl Heisenberg，1901-1976)从德国到达哥本哈根。他提出一个新办法，用矩阵力学体系表达量子化的电子振动。在三个星期的时间里，海森堡、波恩和约当写出了一篇重要论文，奠定了被称为“量子力学”理论的基础。海森堡同时阐述了著名的测不准原理。
1927年，在布鲁塞尔举行第五次索尔维会议，理论物理学界群贤毕至，少长咸集。普朗克、爱因斯坦、玻尔、泡利（Wolfgang Pauli，1900-1958）、海森堡、玻恩、居里夫人、狄拉克、德布罗意、薛定谔、洛伦兹、朗之万都出席了这个会议。量子力学体系正式确立。
薛定谔方程不能满足相对论提出的方程形式应该对任何观测者都是一样的要求，由于这一原因，也不能对付电子自旋问题。英国数学物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac，1902-1984)1928年用相对论性量子力学理论克服了这个困难。
狄拉克理论精确描述了具有大能量和极高速度的电子的运动，狄拉克方程能产生出薛定谔理论中所有的量子数，还预言了存在质量与电子相同而电荷相反的粒子。1933年，卡尔.安德森在用金属薄板研究宇宙射线的过程中发现了这种粒子，它具有狄拉克理论所预言的一切特征。人们称它为正电子。
海森堡获得1932年诺贝尔奖，薛定谔、狄拉克和安德森分享了1933年诺贝尔奖。
在大约三十年的时间中，放弃牛顿的绝对时空观念，建立相对论，打开原子，引入量子概念，发现光的波粒二象性，得到质能转换公式，更进一步又认识了物质波，再加上测不准原理，这些发现和发明，彻底动摇了传统的物质世界观念，确立了全新的世界图像。这是科学和人类历史上最激动人心的时代。
奥本海默(J.Robert Oppeheimer，1904-1967)后来谈到这个时代，用了一个字眼:开天辟地。
量子力学再经过哈恩(Otto Hahn，1789-1968)、费米(Enrico Fermi，1901-1954)及其他一些人的工作，最终导致了对于核结构和核反应、固体的电性质与热性质、超导性、物质的基本粒子的产生与湮灭、反物质存在的预言、恒星生命历史等等过程做出了满意的说明，促成了包括电子显微镜、激光和晶体管在内的技术发展。几十年来，量子力学以科学上史无前例的精确程度正确地描述了物理世界，到现在为止未发现任何否定量子力学的实验预言。
微观粒子世界表现出一些令人吃惊的特点。譬如在光线透过偏振片时，如果光线的偏振面平行于该材料的偏振面，光线将全部通过偏振材料。当入射光的偏振面与该材料的偏振面垂直时，入射光不能从该材料通过。如果两者之间的夹角为45°时，透射光强度为入射光强度的一半。问题就出在这里 ，如果入射的只有一个光子，光子不能够再分割，不可能有半个光子通过偏振材料，另外半个被留下来，在这种情况下的结论就只能是:光子通过偏振材料的概率是1/2，换句话说，光子能否通过偏振材料纯粹是一个随机事件，根本不可能在事前确定。世界在微观上就是几率的，根本不可以预言，常用的说法是上帝也在掷骰子。
微观世界的这种特征深刻地改变了人们头脑中留下来的牛顿力学的决定论观点，从此概率、随机性和非决定性的思想方法被人们广泛采用。
知识的进步是人类文明发展的主要动力。生产方式、生活方式，乃至于社会形态，归根结底是由社会的文化和科学技术水平决定的。从牛顿体系向相对论-量子力学体系的转变，是20世纪历史发展的主线，而信息社会的科学基础就是相对论与量子力学。