19世纪末，古典理论科学处于巅峰状态。牛顿力学概括了低速、宏观物体的运动规律，麦克斯韦方程组总结了电磁现象规律，热力学成为研究热现象的理论。
当时的人们坚信：物理学大厦的基本框架已经建成，剩下的事情只是将已经建立起来的原理用于自然界种种现象的解释上去，新的最大成果也只能是对现有理论作些小修小补。当年，年轻的德国人麦克斯· 普朗克（1858—1947年）向他的老师表示要献身于理论物理学时，老师的回答是：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了。将一生献给这门学科，太可惜了。”
然而，正在普遍乐观之际，晴空中飘来“乌云”（开尔文勋爵1900年4月语）。世纪之交一系列新发现，使经典物理学面临严峻挑战。
一些科学家产生危机感，他们感叹“物质消失了”，“原理普遍毁灭了”（普因加莱语）。荷兰物理学家亨德立克·安敦·洛伦兹（1853—1928年）甚至抱怨：“在今天，人们提出与昨天所说的话完全相反的主张；在这样的时期，已经没有真理的标准，也不知道科学是什么了。我很悔恨我没有在这些矛盾尚未出现的5年前就死去。”
另一些科学家勇敢地向经典物理学挑战，开始酝酿第二次科学革命。这一场从经典科学向现代科学的飞跃，以物理学革命为先导，取得了X射线、电子和放射性元素三大发现，并相继出现相对论、量子力学，它们取代牛顿力学成为物理世界更普适的基础理论，接着在天文学（对宇宙结构有了初步认识，代表性成果为大爆炸模型）、地质学（代表性成果为板块模型）和生物学（在遗传科学、生命科学等方面向前迈进了一大步，代表性成果为DN A双螺旋分子结构模型）等等领域均发生重大的理论变革。人的认识，一方面从宏观领域进入到微观领域；另一方面，又从宏观领域扩展至宇观领域。天体演化、基本粒子和生命起源，可以被视为现代科学发展的三个重要方面。
三大发现
1895年，德国物理学家伦琴（1845—1923年）在实验中发现了一种能穿透纸盒和木板的射线，“如果把手放在放电装置和纸屏之间，可以看到较黑的骨骼的影像”。他把这种奇妙的射线命名为X射线。X在数学上代表未知数，从而表明对这种射线的性质还不了解。
由于能穿透皮肉透视骨骼，X射线在被发现后随即应用于医疗工作中。
伦琴的发现拉开了原子物理学研究的序幕。法国物理学家安托万·昂利·贝克勒尔（1852—1908年）设法寻找能放射射线的物质。1896年，他在研究荧光物质时，偶然发现铀盐能放射出穿透力很强的射线，使照相底片感光。这种现象被称为“贝克勒尔现象”，成为科学实验中认识放射性的开始。铀也成为人们发现的第一种放射性物质。
居里夫妇在研究放射性方面更作出了卓越的贡献。居里夫人本名玛丽·斯克罗多夫斯卡（1867—1934年），波兰人，后来到巴黎求学。1895年，与法国科学家彼埃尔·居里（1859—1906年）结婚。在获悉贝克勒尔的发现后，她即将“放射性物质的研究”作为博士论文题目。“放射性”一词是她首先使用的。
夫妇俩对当时已知元素进行逐一测试，发现钍也具有放射性，从而证明放射性绝不只是某个元素独有的现象。1898年，他们用硫化物沉淀法从沥青铀矿中先后发现了两种天然放射性元素。其中一种放射性比铀强400倍，为纪念居里夫人的祖国波兰，被命名为“钋”（Polonium）；另一种放射性更强的元素，被命名为“镭”（Radium，拉丁文原意为“放射”）。
居里夫妇既没有设备又没有资金，在极其简陋的实验条件下，从1898年到1902年经过整整45个月的含辛茹苦，终于从1吨沥青铀矿渣中离析出0畅12克纯氯化镭，确定了镭在元素周期表中的位置。
镭的发现推进了原子物理学的发展，使放射学得以诞生造福人类。居里夫妇因此而与贝克勒尔同获1903年诺贝尔物理奖。1906年，丈夫遭车祸后，居里夫人接替他在巴黎大学的教职，成为该校第一位女教授。她继续拼搏，1910年分离出纯金属镭，并测定氡和其他一些元素的半衰期，出版枟放射性通论枠，次年再获诺贝尔奖，成了第一位两度获此殊荣的人物。
由于长期受放射线照射，居里夫人染上白血症，1934年7月4日于法国去世。
在发现放射性的同时，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（1856—1940年）在1897年发现了电子。英籍新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（1871—1937年）在1899年前后发现，铀放射出来的射线可以分做两部分，一部分不能贯穿比1/50毫米厚的铝片（被命名为α射线）；另一部分贯穿能力较强，能穿透大约半毫米厚的铝片（被命名为β射线）。1902年，他提出解释放射性现象的元素蜕变假说，从而论证原子放出射线后，会变成一种新的原子，改变了原子不再可分和永远不变的观点。原子王国的大门打开了。
1919年，卢瑟福和助手合作，用α粒子轰击氮原子核，发现不但放射性现象会导致原子自然蜕变，而且可以用人工方法变革原子核，把一种元素变成另一种元素。
X射线、电子和放射性的发现，推动物理学从经典阶段向现代阶段转变。新的物理学革命爆发了。
相对论
20世纪物理学发生的两场大革命（创立相对论和量子力学），对象都是以牛顿为代表的经典物理学。牛顿物理学建立在绝对时空观上，时间与空间没有任何直接联系。但人们在根据这一经典时空观解释光的传播等问题时，发生了一系列困惑，相对论应运而生。它是关于物质运动与时间空间关系的新理论，成为现代物理学两大支柱之一。作为理论基础，它促成了20世纪科技的飞跃发展。
法国的昂利·普恩加莱（旧译彭加勒，1854—1912年）在1900年就提出不可能观测到“绝对运动”，称这种观点为“相对性原理”。1904年，他在圣路易国际艺术与科学大会上公开预言，当物体运动等于光速时，原有的力学公式将失去意义，科学家们必须能找到一种全新的力学。“在这个力学中，惯性将随着速度而增大，因而光速将变成不可逾越的极限”。由于“较简单的普通力学（指牛顿物理学）只是在速度不太高时成立……所以，在新的力学中，仍然可以找到旧的动力学”。
这些观点与9个月后阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955年）提出的相对论的基本结论极为接近。爱因斯坦自己也公正地指出，关于相对论，普恩加莱“在有关方面甚至更深入钻研了一步”。遗憾的是，普恩加莱受牛顿力学绝对时空观的影响太深，未能作出根本性的理论突破。
在爱因斯坦发表狭义相对论的同一年，法国另一物理学家郎之万（1872—1942年）也独立得出 E= mc2的结论。法国科学家的贡献表明，创立相对论的时机已经成熟。
相对论的确立者爱因斯坦出生于德国犹太人家庭。早在1895年，他在乘坐马车去瑞士途中突发奇想：如果有人以光速和光线一齐前进，是否将观察到光线乃是静止在空间中振动着的电磁波呢？这个问题一直萦绕在他脑际，使他“坚信绝对运动是不存在的”。
1905年，爱因斯坦在德国物理学年鉴上发表枟论运动物体的动力学枠，提出了狭义相对论。它突破了牛顿的绝对时空观，提出光速在所有惯性参考系中不变，而且是物体运动的最大速度。
相对论把空间、时间和物质的运动联系了起来。由于相对论效应，量度物体长度时，将测到运动物体在其运动方向上的长度要比静止时缩短；在量度时间进程时，将看到运动的时钟要比静止的时钟行进得慢。这是相对论时空的基本属性，与物体内部结构无关。它揭示了时间与空间的不可分割性。物理学所讨论的空间就由原来的三维扩展为再加时间一维的四维空间。
由于只涉及两个作相对匀速运动的惯性系，没有考虑到加速运动，它被称为狭义相对论，适用于除了引力之外的一切物理现象。它揭示的原理，只有在高速运动时效应才显著，而在一般情况下，相对论效应很是微小。
在同年发表的枟物体的惯性同它所含的质量有关吗枠论文中，爱因斯坦据狭义相对论推导出重要结论：物体的质量与运动密切相关，运动速度增加，质量也随之增加。从而提出著名的质能关系公式 E = mc2 ，即物体的能量（E），相当于质量（m）与光速（c）平方的乘积。
该公式在理论上把物理学中的质量与能量守恒的两个定律统一起来。由于能量的数值为质量数值的9×1020倍，只要质量有稍许变化，就会引起巨大的能量变化（1克物质相当于2畅5×107 度电能），揭示了原子内部蕴藏着巨大能量的秘密，成为原子核物理学和粒子物理学的理论基础之一。当然，公式只说明一定质量的物体所蕴藏的全部能量，并不等于都可以释放出来。
在老同学、数学家M 。格罗斯曼（1878—1936年）的帮助下，爱因斯坦在1915年又完成广义相对论，1916年发表总结性论文枟广义相对论的基础枠，把狭义相对论扩展到能适应有加速度的更为广泛的范围。
广义相对论的基础是两个基本假设：自然定律在任何参照系中都具有相同的数学形式，在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效。由之得出，万有引力并非牛顿所说的一种力，而是由于物质的存在和一定的分布状况使时间空间性质变得不均匀（时空弯曲）所致，从而建立了引力场理论（狭义相对论是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况）。
它适用于匀加速运动的体系。一方面，当物体的运动速度远小于光速时，由广义相对论的基本公式可以推导出牛顿的万有引力公式，从而成功地把牛顿的万有引力定律包括在相对论的理论体系中，使它比牛顿力学具有更普遍的意义；另一方面，广义相对论揭示了时空的性质不仅取决于物质的运动，而且更重要的是取决于物质本身的分布，这就从新的高度彻底否定了牛顿的绝对时空观。
从广义相对论出发，爱因斯坦提出三大效应。（1）用太阳引力使空间弯曲的理论，解释了牛顿理论无能为力的水星近日点进动每百年43秒（今测值为42畅6秒）现象。（2）预言在强引力场中光谱应向红端移动（引力红移效应，即光谱线频率变低，波长变长）。它在天文学家于1924年对天狼星伴星的观测中得到证实。（3）预言引力场使光线偏转，明确声称，遥远的星光如果掠过太阳表面，将会发生1畅7秒（爱因斯坦推算值，现一般采用1畅75秒的数值）的偏转。1919年5月29日发生日全食，英国派出到非洲和南美的两支考察队，考察结果证实了这一推断，轰动世界。
相对论对牛顿力学理论体系进行了根本性变革，广义相对论更远远超越了人们的常规认识，因此，在很长一段时间里难以被整个学术界接受。爱因斯坦获得1921年度诺贝尔奖，但获奖成果是他的光量子理论而非相对论。20世纪20年代以后，相对论才成为科学领域的基本理论。60年代以后，重新唤起了对广义相对论的热情。1978年，人们从对一个脉冲双星系的观测结果中，找到了广义相对论曾预言过的引力波存在的间接证据。现在，许多科学家正研究着广义相对论预言的引力场与黑洞的存在等问题。
相对论的提出具有伟大的意义。它既适用于低速运动的物质，又适用于光速运动和接近光速运动的物质，从而达到牛顿以来新的理论高度。作为科学理论，它在自然科学各领域显示出巨大生命力。在微观领域，狭义相对论连同质能关系公式得到广泛应用，并成为高能加速器和原子能应用等现代技术领域的计算基础，为人类利用核能开辟了广阔前景。在宏观领域，广义相对论引发了天文学革命，开拓了现代宇宙学的新道路，形成了天体物理学的新分支学科“相对论天体物理学”。相对论还推动了数学的发展，非欧几何学被赋予物理学的内涵，从而获得了新的生命力。此外，相对论也丰富了哲学的基本内容。
德国物理学家玻恩1955年说：“对于广义相对论的提出，我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大成果，它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。”
量子论
量子论是研究微观粒子结构及其运动规律的理论。与相对论的创立主要是爱因斯坦孤军奋战不同，量子论在许多物理学家的国际大合作中才成为严密的理论体系。它的创立经历了从早期量子论到量子力学诞生的近30年历程。
早期量子论的主要内容为普朗克能量子假设、爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子理论。
物理学上把对外来辐射没有任何反射或透射，吸收率是100%的物体称作黑体。黑体所发出的电磁辐射称为黑体辐射，其辐射能力比其他物体强。
为了摆脱黑体辐射给经典物理学带来的困惑，1900年普朗克根据当时掌握的黑体辐射精确实验资料，提出了能完满表示黑体辐射的新公式。他抛弃了能量是连续的观点，把能量不连续的新概念引入物理学，假设物质辐射（或吸收）的能量只能是一个最小能量单位（能量子）的整数倍。后来人们把这一最小能量单位称为普朗克常数（h，数值为6畅6260755×10-34焦·秒）。
普朗克假设与古典物理学信奉的“自然界无跳跃”格格不入。学术界最初对其反应冷淡。普朗克本人也力图取消能量的不连续性，把量子假设纳入古典物理学框架，虽耗费多年劳动，但未能成功。
爱因斯坦以其慧眼独具，认识到普朗克能量子概念的革命意义，1905年在德国物理学年鉴上发表了一篇解释光电效应的论文枟关于光的产生和转化的一个启发性的观点枠。把普朗克的能量子概念从辐射发射和吸收过程推广到在空间传播的过程，提出光量子假说，指出“光能是与波动数成比例的不连续的光量子构成的”。正是这些光量子激发了金属内部的电子，只有一定能量的光量子能被金属所吸收并激发一定能量的电子。
爱因斯坦还指出，“根据这种假设，从一点发出的光线传播时，在不断扩大的空间范围内，能量不是连续分布的，而是由个数有限、局限于空间各点的能量子所组成。这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或发射”。
爱因斯坦的光量子理论为量子力学的创立和光的波粒两重性本质的揭示奠定了基础。
丹麦物理学家尼尔斯·亨里克·戴维·玻尔（1885—1962年）又把量子假设推广到研究原子内部的能量。1913年，他发表其原子结构理论，用量子跃迁假说解释原子光谱线的发射和吸收现象：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈大。当电子在这些可能的轨道上运动时，不辐射也不吸收能量，处于稳定状态；只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才产生辐射的吸收或发射（量子化轨道理论），而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射或吸收光的频率取决于两态之间的能量差。
玻尔的原子理论虽然仍将电子看成经典物理学中所描述的那样的粒子，但毕竟突破了经典理论的框架，同样招致了不满。然而它在解释光谱分布的经验规律方面获得意外成功，因此扩大了量子论的影响。
1916年，爱因斯坦用统计的方法，由玻尔理论导出普朗克辐射定律，把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。
早期量子论以电子运动的古典力学和跟其不相容的量子假设的不自然结合为基础。它仍以经典物理规律为基础，不过加上了一些反映微观运动具有量子特性的附加条件。虽然经典物理学中能量是连续的这个基本概念被打破，但是，1920年前在微观粒子运动的研究中仍充满了混乱。玻尔模型成功解决了氢等简单原子的光谱，但遇到复杂原子的光谱现象就束手无策。
1923—1926年间，量子力学循着两条道路诞生。一条沿着波动力学前进。法国科学家路易·德布罗意（1892—1987年）推广爱因斯坦的光量子论，提出一切微观粒子也都同时具有波动性。他的“物质波”（德布罗意波）概念指出，电子不但是粒子，而且它也一定伴随着波动体系。沿着物质波的道路，他找到了环绕原子核的物质波的波动方程。他还预言电子穿过小孔时，会像光一样呈现衍射现象。德布罗意的论点后来被电子衍射实验所证实。人们一般把德布罗意1923年发表论物质波的文章作为量子力学的起点。
1926年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（1887—1961年）推广物质波概念，导出描述微观粒子运动的基本定律（薛定谔方程），建立波动力学。薛定谔方程是量子力学中描述微观粒子（如电子）运动状态的基本定律，其在量子力学中的地位大致相当于牛顿运动定律在经典力学中的地位。
另一条道路沿着矩阵力学前进。德国物理学家维纳·卡尔·海森堡（1901—1976年）认为，玻尔关于电子有确定轨道运动的模型缺少根据，他确立了“物理学只处理可观察量”的观念，抛弃了玻尔理论中的电子轨道、运行周期这些古典但又不可观测的概念，提出微观粒子的诸如位置、动量等不可观测的力学量，应由其所发出光谱的可观察频率、强度，经一定运算（矩阵法则）来表示。
海森堡的老师麦克斯 · 玻恩（1882—1970 年）与帕斯卡尔· 约尔丹（1902—1980年）合作，将海森堡的思想发展成系统的矩阵力学理论。英国剑桥大学的保罗·艾德里安·莫里斯·狄拉克（1902—1984年）进一步加以改进，使其成为一个概念完整、逻辑严密的理论体系（狄拉克方程）。
量子力学上述两种形式的创立者、拥护者互相贬斥。1926年，薛定谔发现波动力学和矩阵力学在数学上完全是等价的，发表了题为枟论海森堡—玻恩—约尔丹的量子力学和我的量子力学的关系枠的论文。次年，狄拉克经过变换理论和希尔伯特空间的运用，把两个理论统一在一个体系之中。从此，两大理论统称量子力学，而薛定谔的波动方程由于更易于为物理学家所掌握，成为量子力学的基本方程。
1926年，玻恩提出人们不可能准确地测定某个电子的位置，只能根据波动情况，在某一点确定电子存在的概率。海森堡在下一年发现了测不准关系：如果把电子的位置测得精确些，那么速度或者动量的测定将更不精确；相反，如果把电子的速度或者动量测得精确些，那么位置的测量就更不精确。总之，电子的动量和位置不能同时精确测定。玻尔敏锐地意识到测不准关系正表现了经典概念的局限性，于是以此为基础提出互补原理：在量子领域里总是存在互相排斥的两套经典特征，正是它们的互补构成了量子力学的基本特征。这种观点被称为正统的哥本哈根解释，遭到爱因斯坦和薛定谔学派的反对。
每一种量子的数值都很小，所以在较大物体的运动中量子化不发生显著影响，其量就如能发生连续变化一样。但是对电子、原子等的微观运动来说，这种量子效应就不能忽略，因而在微观世界，牛顿力学并不适用，必须代之以从量子概念发展起来的量子力学。
量子论的意义不亚于相对论。它标志着人们对客观规律的认识从宏观世界深入到了微观世界。由于支配微观世界的规律原则上也可以预言由大量基本粒子构成的宏观物理体系的行为，量子力学在宏观世界中也一样适用。它是当代科技发展的重要理论基础之一，开辟了人类认识自然的新天地，促使原子物理学、固体物理学、量子化学和原子能技术等新兴学科和新技术的产生。
20世纪20年代以后，经典电磁理论和电子理论开始与量子力学相结合发展为量子电动力学，用来研究微观电磁过程。其成功使人们尝试用类似的、把场加以量子化的方法去研究其他场（如介子场），各种考虑到场的量子效应的理论，统称“量子场论”。此外，量子论对分子生物学也起了重要的启迪作用。
量子力学理论不单是实验资料的数学整理，还涉及物理模效问题。其产生和发展不仅是科学上的革命，而且在哲学上提出了许多值得研究的问题，在认识论和方法论方面，都促进着哲学的变革。
近现代文明发展的坚实基础——产业革命
产业革命（Industrial Revolution），旧译工业革命。其传统而又经典的定义，是指“以通用机器取代人的技艺和用无生命的力取代人力和畜力，带来了一次从手工业劳动到机器制造的转移，并因而促成了现代经济的诞生”。其特别重大的后果就是形成了工厂制度。它引起了各方面的巨大变革。因此，它可以被理解做是指“从农业、手工业和劳动密集型经济向以机器生产、专业化分工、资金更自由的流动、大工厂和城市人口密集为主的经济的过渡”。
从语词的角度看，狭义的产业是指工业，而广义的产业泛指各种生产、经营事业。因此，随着历史的进步，越来越多的人倾向于产业革命可被用来泛指国民经济各部门因广泛采用新技术而引起生产方法和设备、生产内容及产业结构根本变革的飞跃。
比较集中的意见是近代以来迄今为止已发生过三次产业革命。它们是以机械化为特征的第一次产业革命，以电气化和石油化为主要标志的第二次产业革命及以电子化为特点的第三次产业革命。
以美国社会学家托夫勒为代表的西方学者认为，人类社会已经历了两个文明浪潮，第一个是人类从渔猎采集时代进入农业时代，第二个是从农业时代进入工业时代。今天人类正面临着第三个浪潮：走向后工业时代。导致第一个浪潮的是农业革命，导致第二个浪潮的是第一次、第二次产业革命，导致第三个浪潮的，是第三次产业革命。
学者们在研究产业革命过程中对产业革命的突变性提出异议，认为变异是渐进的过程，研究者逐渐以“工业化”来替代“产业革命”。它们均用来表示人类社会从以农业为基础的传统社会过程过渡到以机器大工业为特征的现代社会。但“产业革命”更强调这种过程的突变性，而“工业化”则更重视它的渐进性。“产业革命”持续时间较短，而工业化时间较长。关于“工业化”的研究，一般认为是汤因比1884年发表的枟英国工业革命枠是此专题的最早的著作。“工业化”体现出如下几个特点：①在工业生产内部，确立工厂生产对手工业和家庭工业的优势；②在国民经济层面上，制造业、采矿业的发展超过其他经济部门，如商业、运输业等；③工业生产方式渗透到其他生产部门，比如农业实现机械化、化学化和专门化等。
