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但是经典物理学依然试图解释电磁场，这就是上面提到的波动说，波动说认为电磁波是在以太中传播的，经典物理学认为场是借助以太用力学的方法来实现的，但关于以太是个什么东西成了个大问题。
麦克斯韦理论预言，无线电波或光波应以某一固定的速度运动。但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念，所以如果假定光是以固定的速度传播，人们必须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。这样人们提出，甚至在“真空”中也存在着一种无所不在的称为“以太”的物体。正如声波在空气中一样，光波应该通过这以太传播，所以光速应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者，应看到光以不同的速度冲他们而来，但是光对以太的速度是不变的。特别是当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。1887年，阿尔贝特&；#8226；麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华&；#8226；莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。他们将在地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较，使他们大为惊奇的是，他们发现这两个光速完全一样！
在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克&；#8226；罗洛兹，他是依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特&；#8226；爱因斯坦，在1905年的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念则是多余的。
这个被称之为相对论的基本假设是，不管观察者以任何速度作自由运动，相对于他们而言，科学定律都应该是一样的。这对牛顿的运动定律当然是对的，但是现在这个观念被扩展到包括马克斯韦理论和光速：不管观察者运动多快，他们应测量到一样的光速。这简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫过于质量和能量的等价，这可用爱因斯坦著名的方程E＝mc＾2来表达（这儿E是能量，m是质量，c是光速），以及没有任何东西能运动得比光还快的定律。由于能量和质量的等价，物体由于它的运动所具的能量应该加到它的质量上面去。换言之，要加速它将变得更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如，以10％光速运动的物体的质量只比原先增加了％，而以90％光速运动的物体，其质量变得比正常质量的2倍还多。当一个物体接近光速时，它的质量上升得越来越快，它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速，因为那时质量会变成无限大，而由质量能量等价原理，这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因，相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。这样的话，场理论就可以被解释了，它实际上就是能量场。
相对论的一个同等卓越的成果是，它变革了我们对空间和时间的观念。在牛顿理论中，如果有一光脉冲从一处发到另一处，（由于时间是绝对的）不同的观测者对这个过程所花的时间不会有异议，但是他们不会在光走过的距离这一点上取得一致的意见（因为空间不是绝对的）。由于光速等于这距离除以所花的时间，不同的观察者就测量到不同的光速。另一方面，在相对论中，所有的观察者必须在光是以多快的速度运动上取得一致意见。然而，他们在光走过多远的距离上不能取得一致意见。所以现在他们对光要花多少时间上也不会取得一致意见。（无论如何，光所花的时间正是用光速——这一点所有的观察者都是一致的——去除光所走的距离——这一点对他们来说是不一致的。）总之，相对论终结了绝对时间的观念！这样，每个观察者都有以自己所携带的钟测量的时间，而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致。正如麦克尔逊——莫雷实验显示的那样，以太的存在是无论如何检测不到的。然而，相对论迫使我们从根本上改变了对时间和空间的观念。我们必须接受的观念是：时间不能完全脱离和独立于空间，而必须和空间结合在一起形成所谓的空间——时间的客体。
这样就出现这样一个推论，我们知道，声音是在空气中传播的，那么如果你比声音跑得更快，那么你不可能听到你造成的声音（这个速度是指你相对于声音传播的媒介空气的速度，如果空气的速度与你一样，就象在密封的飞机上一样那不可能造成这个结果），等你停下来的时候，你会听到你过去造成的声音，因为这个时候声音才追上你。而光速恒定意味着不可能出现你的速度超过它，也就是说你不可能超过光速看到你的过去，这样意味着假定太阳就在此刻停止发光，它不会对此刻的地球发生影响，因为地球的此刻是在太阳熄灭这一事件的光锥之外。我们只能在8分钟之后才知道这一事件，这是光从太阳到达我们所花的时间。只有到那时候，地球上的事件才在太阳熄灭这一事件的将来光锥之内。同理，我们也不知道这一时刻发生在宇宙中更远地方的事：我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的，在我们看到的最远的物体的情况下，光是在80亿年前发出的。这样当我们看宇宙时，我们是在看它的过去。这也意味着引力不能比光速更快，这样的话，就算太阳不存在了，引力依然存在，直到8分钟后。也就是说，我们不可能知道任何光速到达之前的东西和事件。
狭义相对论非常成功地解释了如下事实：对所有观察者而言，光速都是一样的（正如麦克尔逊——莫雷实验所展示的那样），并成功地描述了当物体以接近于光速运动时的行为。然而，它和牛顿引力理论不相协调。牛顿理论说，物体之间的吸引力依赖于它们之间的距离。这意味着，如果我们移动一个物体，另一物体所受的力就会立即改变。或换言之，引力效应必须以无限速度来传递，而不像狭义相对论所要求的那样，只能以等于或低于光速的速度来传递。爱因斯坦在1908年至1914年之间进行了多次不成功的尝试，企图去找一个和狭义相对论相协调的引力理论。1915年，他终于提出了今天我们称之为广义相对论的理论。爱因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他种类的力，而只不过是空间——时间不是平坦的这一事实的后果。正如早先他假定的那样，空间——时间是由于在它中间的质量和能量的分布而变弯曲或“翘曲”的。像地球这样的物体并非由于称为引力的力使之沿着弯曲轨道运动，而是它沿着弯曲空间中最接近于直线的称之为测地线的轨迹运动。一根测地线是两邻近点之间最短（或最长）的路径。例如，地球的表面是一弯曲的二维空间。地球上的测地线称为大圆，是两点之间最近的路。由于测地线是两个机场之间的最短程，这正是领航员叫飞行员飞行的航线。在广义相对论中，物体总是沿着四维空间——时间的直线走。尽管如此，在我们的三维空间看起来它是沿着弯曲的途径（这正如同看一架在非常多山的地面上空飞行的飞机。虽然它沿着三维空间的直线飞，在二维的地面上它的影子却是沿着一条弯曲的路径。上面这段话看起来难于理解，你只需要记住，象地球的围绕着太阳做圆周运动的物体在相对论的四维空间中是做匀速直线运动的，而这样的弯曲的时空是由于大质量物体所导致的。
太阳的质量引起空间——时间的弯曲，使得在四维的空间——时间中地球虽然沿着直线的轨迹，它却让我们在三维空间中看起来是沿着一个圆周运动。事实上，广义相对论预言的行星轨道几乎和牛顿引力理论所预言的完全一致。然而，对于水星，这颗离太阳最近、受到引力效应最强、并具有被拉得相当长的轨道的行星，广义相对论预言其轨道椭圆的长轴绕着太阳以大约每1万年1度的速率进动。这个效应虽然小，但在1915年前即被人们注意到了，并被作为爱因斯坦理论的第一个验证。近年来，其他行星的和牛顿理论预言的甚至更小的轨道偏差也已被雷达测量到，并且发现和广义相对论的预言相符。
光线也必须沿着空间——时间的测地线走。空间是弯曲的事实又一次意味着，在空间中光线看起来不是沿着直线走。这样，广义相对论预言光线必须被引力场所折弯。譬如，理论预言，由于太阳的质量的缘故，太阳近处的点的光锥会向内稍微偏折。这表明，从远处恒星发出的刚好通过太阳附近的光线会被折弯很小的角度，对于地球上的观察者而言，这恒星显得是位于不同的位置。当然，如果从恒星来的光线总是在靠太阳很近的地方穿过，则我们无从知道这光线是被偏折了，还是这恒星实际上就是在我们所看到的地方。然而，当地球绕着太阳公转，不同的恒星从太阳后面通过，并且它们的光线被偏折。所以，相对于其他恒星而言，它们改变了表观的位置。
在正常情况下，去观察到这个效应是非常困难的，这是由于太阳的光线使得人们不可能观看天空上出现在太阳附近的恒星。然而，在日食时就可能观察到，这时太阳的光线被月亮遮住了。由于第一次世界大战正在进行，爱因斯坦的光偏折的预言不可能在1915年立即得到验证。直到1919年，一个英国的探险队从西非观测日食，指出光线确实像理论所预言的那样被太阳所偏折。光偏折被后来的许多次观测准确地证实。
另一广义相对论的预言是，在像地球这样的大质量的物体附近，时间显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频率（每秒钟里光振动的次数）有一关系：能量越大，则频率越高。当光从地球的引力场往上走，它失去能量，因而其频率下降（这表明两个波峰之间的时间间隔变大）。从在上面的某个人来看，下面发生的每一件事情都显得需要更长的时间。利用一对安装在一个水塔的顶上和底下的非常准确的钟，这个预言在1962年被验证到。发现底下的那只更接近地球的钟走得更慢些，这和广义相对论完全一致。地球上的不同高度的钟的速度不同，这在目前具有相当的实用上的重要性，这是因为人们要用卫星发出的信号来作非常精确的导航。如果人们对广义相对论的预言无知，所计算的位置将会错几英哩！
牛顿运动定律使空间中绝对位置的观念告终。而相对论摆脱了绝对时间。考虑一对双生子，假定其中一个孩子去山顶上生活，而另一个留在海平面，第一个将比第二个老得快。这样，如果他们再次相会，一个会比另一个更老。在这种情形下，年纪的差别非常小。但是，如果有一个孩子在以近于光速运动的空间飞船中作长途旅行，这种差别就会大得多。当他回来时，他会比留在地球上另一个人年轻得多。这即是被称为双生子的佯谬。但是，只是对于头脑中仍有绝对时间观念的人而言，这才是佯谬。在相对论中并没有一个唯一的绝对时间，相反地，每个人都有他自己的时间测度，这依赖于他在何处并如何运动。
爱因斯坦的理论再一次被证实，这一次是关于引力速度的，这是当时的新闻报道：两位科学家在美国天文学会2003年年会上提出，他们通过对木星遮掩类星体进行的一项观察研究显示，引力的传播速度和光速一样快。尽管这个实验还要得到进一步证实，但毕竟还是有了初步结论。
工业革命的扩散（十六）
1900年元旦，著名的英国物理学家开尔文勋爵在新年献词中十分满意地宣布：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需做一些零碎的修补工作就行了．可是就在物理学大厦将要落成之际，科学实验却发现了一系列经典物理学无法解释的事实。
1897年英国剑桥的物理学家汤姆逊宣布发现一种比最轻的元素氢还要小得多的带电粒子，汤姆逊称其为电子。汤姆逊关于电子的发现宣告了原子不是最小的粒子，还可以继续分下去。同时，汤姆逊的发现导致阴极射线管的诞生，我们的电视机显象管正是这种东西。1895年，德国的伦琴在研究阴极射线管的时候发现了X射线，X射线除了有比可见光有更强的穿透力外，这种原理被用来拍摄人体并且用在医疗上。X光被发现后，有很多人都在寻找这种神秘的光的来源，因为伦琴发现X光可以让底片被感光，于是有很多人用底片做实验，结果1896年，法国物理学家贝克勒尔发现铀化物能使底片感光，跟随贝克勒尔在实验室工作的居里夫人把各种元素拿来一一实验，结果，发现钍、镭等放射性元素，由于镭有极强的放射性，卢瑟福等科学家立即对其进行了研究，用了14年搞清楚了镭射线。人们发现，元素伴随着放射性过程可以转变成另外的一种元素，这个事实使化学原子是不能创造和转化的传统观念宣告完结，古老的炼金术似乎变成了现实。当卢瑟福掌握了放射粒子的技术之后，开始用粒子轰击各种元素和物质，原子的内部结构逐渐清晰，卢瑟福提出了原子的结构：中央是带正电的重的核，周围围绕着电子。但是经典物理学看来，这种类似于太阳系的核外绕以电子的模型，其稳定性是极成问题的。因为电子绕核做圆周运动是一种加速运动。它将连续地向外辐射电磁波，并使自身螺旋式的下降，直到落到核上，经典电动力学计算，电子坠落远远小于1微秒。十九世纪末，有一个实验家与理论家共同感兴趣的问题，即黑体辐射问题。那时已经知道，任何物体都会对外发出热辐射，也都能吸收热辐射，但物体对外来的热辐射具有不同的反射和吸收能力，如果一个物体能全部吸收一切射入的辐射而不发生反射，那么这个物体被称为绝对黑体。19世纪，由于冶金以及照明设备制造等的需要，人们急需找到黑体辐射强度和辐射频率的关系。在一定的温度下，实验家们得到了一批准确的数据，如果画成图，横坐标标以辐射的频率，纵坐标是辐射的能量密度，则对应一个绝对温度，可以画一条曲线，这条曲线大致是这样的：从低频开始，能量密度逐步增高，到某一个频率处达到最大值，然后又随着频率的增高慢慢下降。而绝对温度越高最大值所对应的频率越往高频方向移动。按经典理论，热的辐射和吸收是一个完全连续的过程，就像管子里流出来的一股水，光和辐射是一种电磁波。这条连续性原理是经典物理学的一块基石。不少理论家试图用经典物理学推导一个公式来描述这个现象，他们用这种理论来解释黑体辐射，无论如何也不能使辐射能量和辐射光谱统一起来。这让人们感到很困惑。
为了解释这个现象，1900年德国物理学家普朗克引入了能量子的概念，他认为自然界中的能量，也可以象实物一样分成分子、原子那样，把能量分成一小块一小块的能量包。这种概念与经典物理学格格不入，按照经典物理学，辐射是一种连续的能量流，认为能量象水管里的水一样是连续的能流，而普朗克则认为能量子象机关枪子弹一样，是一颗接一颗的。这让当时的物理学界无法接受，以至于无人问津，直到爱因斯坦继承和推广了能量子理论。1905年，爱因斯坦在《物理学记事》上发表一篇论文《一个关于光的产生和转化的启发性观点》。指出用连续空间函数表示能量的光波理论，当应用于光的生产和转化等现象的时候，会导致与经验相矛盾的结果。他发展了普朗克在热辐射理论中提到的量子概念，即一切电磁辐射包括光，其能量可以分成一小份一小份的微粒结构。这些能量就是光量子。爱因斯坦用这个理论来解释光电效应，即金属中的电子从光流中吸收的是一个个光子。而一个光子的能量可以供给一个电子逸出后具有一定的动能。那么大家还可能记得牛顿认为光是微粒构成的，而后来为了解释电磁场又认为光是一种电磁波，（见工业革命的扩散（十四））现在爱因斯坦和普朗克又认为光是一种能量子，那么光到底是什么东西呢？在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子。前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。
这样光子与频率之间有什么关系呢？因为光具有波粒二象性，对于一个光子 E=hv E……能量 v……光的频率（每种光的频率不同的） h……普朗克常数，普朗克常数= ×10^…34
前面提到卢瑟福提出了原子的结构，但经典物理学不能解释，在这个形势下，丹麦物理学家玻尔来到英国，在卢瑟福的指导下从事研究，玻尔回到丹麦后使用普朗克、爱因斯坦的量子理论来研究原子模型，玻尔就氢原子模型提出假设：一个原子系统内，当电子在特定的轨道上运转时，它将不向外辐射能量，这些轨道就是电子保持能量不变“定态”轨道。当电子从一个定态轨道过渡到另外一个轨道时，将发生电磁辐射，其频率完全由这两个定态间的能量差来决定。能量差和频率的比值就是普朗克常数。1913年，经卢瑟福推荐，玻尔发表了他的论文，玻尔的理论解释了一直没有得到更好解释的光谱线。但玻尔的理论只能解释氢原子的行为，而其他更复杂的原子无法解释，在玻尔的影响下，海森堡来到丹麦玻尔研究所。在这里，他提出了著名的不确定原理：为了预言一个粒子未来的位置和速度，人们必须能准确地测量它现在的位置和速度。显而易见的办法是将光照到这粒子上，一部分光波被此粒子散射开来，由此指明它的位置。然而，人�