发现X射线
最先打破物理学界美好图景的正是1895年X射线的发现。它像一声春雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。1901年，首届诺贝尔物理学奖就授予了它的发现者德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Rotgen，1845—1923）。伦琴1845年3月27日生于德国莱茵省的雷内普（Lennep），他是纺织商人的独生子，童年时代大部分是在母亲的故乡荷兰渡过的。1868年伦琴毕业于瑞士苏黎世联邦工程学院，成为一名机械工程师。1869年，获哲学博士学位。受老师昆特教授的影响，转而从事物理学的研究。
伦琴发现X射线时，已经是五十岁的人了。当时他已担任维尔茨堡大学校长和该校物理研究所所长，是一位造诣很深，有丰硕研究成果的物理学教授。在这之前，他已经发表了几篇科学论文，其中包括热电、压电、电解质的电磁现象、介电常数、物性学以及晶体方面的研究。他治学严谨、观察细致，并有熟练的实验技巧，仪器装置多为自制，实验工作很少靠助手。他对待实验结果毫无偏见，作结论时谨慎周密。特别是他的正直、谦逊的态度，专心致志于科学工作的精神，深受同行和学生们的敬佩。19世纪末，阴极射线研究是物理学的热门课题，许多物理实验室都致力于这方面的研究，伦琴也对这个问题感兴趣。
1895年11月8日，正当伦琴继续在实验室里从事阴极射线的实验工作，一个偶然事件引起了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严。他突然发现在不超过一米远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪，就移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过程的节拍断续出现。他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果很不一样。有的挡不住，有的起到一定的阻挡作用。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到过的射线，它具有特别强的穿透力。于是立刻集中全部精力进行彻底的研究。他一连许多天把自己关在实验室里，连自己的助手和家人都没告诉。他把密封在木盒中的砝码放在这一射线的照射下拍照，得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金属边框的深迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内部不均匀的情况。他深深地沉浸在这一新奇现象的探讨中，达到了废寝忘食的地步。平时一直帮他工作的伦琴夫人感到他举止反常，以为他有什么事情瞒着自己，甚至产生了怀疑。六个星期过去了，伦琴已经确认这是一种新的射线。才告诉自己的亲人。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手X射线照片。1895年年底，他以通信方式将这一发现公之于众，题为《一种新射线（初步通信）》。因为他当时无法确定这一新射线的本质，伦琴在他的通信中把这一新射线称为X射线。发现X射线的消息很快传遍全球，并引起了人们极大的兴趣。X射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。X射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。许多科学家投身于X射线和阴极射线的研究，从而导致了放射性、电子以及α、β射线的发现，为原子科学的发展奠定了基础。
伦琴对科学有着崇高的献身精神。他无条件地把X射线的发现奉献给全人类，自己没有申请专利。伦琴还很谦虚，即使当首届诺贝尔物理学奖授给他时，他也没有在颁奖大会上发表演说。他不愿在公共场合露面，更不愿意接受人们的赞扬和吹捧。为了避开人们的访问和庆贺，他多次远离柏林，躲到乡下去生活。
居里夫人和镭
X射线的发现，引起了更多的科学家投入到这项新发现的研究。不久，法国物理学家贝克勒尔发现了铀的天然放射性，从根本上动摇了经典物理学的“原子学说”。而将放射性的研究推向一个高度的是女科学家居里夫人，她发现了镭。居里夫人，原名玛丽·斯可罗多夫斯卡（Marie Sklodowska，1867—1934），生于波兰华沙，她是家中最小的孩子。她的父亲是一位收入十分有限的中学教师。她中学毕业时获得金质奖章，已经掌握了英、德、俄、法、波兰等五国语言。1891年、她进入巴黎大学理学院学习。1893年，她获得了巴黎大学物理学硕士学位，次年，又获得数学硕士学位。后来在巴黎与皮埃尔·居里（Pierre Curie，1859—1906，法国著名物理学家）相识相爱而结合。
居里夫人注意到法国物理学家贝克勒尔的研究工作，自从伦琴发现X射线之后，贝克勒尔在检查一种稀有矿物质铀盐时，又发现了一种铀射线，朋友们都叫它贝克勒尔射线。贝克勒尔发现的射线，引起了居里夫人极大兴趣，射线放射出来的力量是从哪里来的？居里夫人看到当时欧洲所有的实验室还没有人对铀射线进行过深刻研究，于是博士研究阶段即进入这个领域。居里夫人进行博士论文答辩时，她的论文题目叫做《放射性物质的研究》。从1897年选定这个研究题目，到1903年完成论文并获博士学位，一共花了5年多的时间。
铀射线的研究工作开始后，居里夫人细心地测试各种不同的化合物。在测量中，出现了一个十分意外的情况：在一种沥青铀矿中，居里夫人测得的放射性强度，比预计的强度要大得多。经过反复考虑，她认为这种反常现象只有一种合理的解释，那就是：沥青铀矿石中，一定含有一种未知的放射性更强的元素。这时候，皮埃尔已经感觉到夫人的研究太重要了，他毅然停下自己关于结晶体的研究，和妻子一起研究这种新元素。1898年7月，他们终于发现了一种新的放射性元素。为了纪念居里夫人的祖国波兰，他们把这新发现的元索取名为“钋”。这年年底，他们又发现了一种放射性极强的未知元素，把它定名为“镭”。
可是，当时谁也不能确认他们的发现，因为按化学界的传统，一个科学家在宣布他发现新元素的时候，必须拿到实物，并精确地测定出它的原子量，而居里夫人的报告中却没有钋和镭的原子量，手头也没有镭的样品。居里夫妇决定拿出实物来证明。当时藏有钋和镭的沥青铀矿，是一种很昂贵的矿物，而且其中镭的含量极微，许多吨矿石仅能艰难的分离出一克的极小分数的镭盐。后来他们想到从矿物残渣中提取，这样会经济很多，经过无数次的周折，奥地利政府决定馈赠一吨废矿渣给居里夫妇，并答应若他们将来还需要大量的矿渣，可以在最优惠的条件下供应。经过夜以继日的努力工作，1902年底，居里夫人已经提炼出0.12克极纯净的氯化镭。在光谱分析中，它清楚地显示出镭的特有的谱线，与已知的任何元素的谱线都不相同，居里夫人还第一次测出它的原子量是225，放射性比铀强200万倍。
1903年，居里夫人和丈夫及贝克勒尔共同分享了诺贝尔物理学奖。可是，他们夫妇太累了，没有力气亲自去领奖。1911年，她因发现两种新元素获得诺贝尔化学奖。她成为第一位两次获得诺贝尔奖殊荣的人物。但是，巨大的荣誉并没有改变她一贯的平易的作风。第一次世界大战期间，她亲自驾驶一辆战地救护车，做人道主义救护工作。由于长期受放射性的照射，居里夫人不幸染上了白血病，1934午7月4日在法国去世。居里夫人给后人留下的不仅是科学上的伟大成就，她的高尚道德品质更值得人们永远学习。
电子的发现
X射线的发现，导致了放射性物质的发现，使得阴极射线的本性问题在物理学界争论已久。德国物理学家大多认为是一种以太波，英国人则认为是一种带电粒子流，这就促进了电子的发现。
汤姆逊（Thomson，JosephJohn。1856—1940）出生于英国，14岁时进入曼彻斯特大学学习。1876年，20岁的汤姆逊被保送到剑桥大学深造，成为知名教授路兹的得意门生，27岁时被选为皇家物理学会会员，伦琴射线的发现吸引了汤姆逊。1897年，他在“克鲁克斯管”的两旁加了电场，发现阴极射线在电场和磁场作用下均可以发生偏转、其偏转方式与带负电粒子相同，这就证明了阴极射线确实是一种带负电的粒子流。汤姆逊还测出了这种粒子流的质量与电荷的比，其值只有氢离子的千分之一。1898年，汤姆逊又进一步证明了该粒子流所带电荷与氧离子属于同一量级，这就表明，其质量只有氢离子的千分之一。汤姆逊将之命名为“微粒”，后来又称“电子”，意思是说它是电荷的最小单位。汤姆逊指出，电子比原子更小，是一切化学原子的共同组分。
1903年，汤姆逊提出原子结构模型好似实心小球的西瓜，电子是瓜子，带负电；带正电的物质是西瓜瓤，均匀地分布在原子内，带正电的物质的体积几乎是整个原子的体积。电子在球体中游动，在静电力的作用下，电子被吸收到中心，它们又互相排斥，从而达到稳定状态。
汤姆逊一生兢兢业业，奋斗不止。吉德勋爵夫妇的掌上明珠露丝小姐，早在剑桥上学时就爱上了汤姆逊，等了多年不见回音，就提笔给他写了情书：“现在，你是年轻的皇家学会会员，最崇高的汤姆逊教授，亲爱的，我们该结婚了吧？”汤姆逊壮志未酬是不愿意结婚的，回信安慰心爱的人说：“再等一等，等我获得亚当斯物理学奖时咱们再结婚，那样，你不会觉得更光荣，更幸福吗？”1890年元旦，汤姆逊获得了亚当斯物理奖。获奖的第二天，34岁的汤姆逊怀着胜利的喜悦与幸福的心情和露丝小姐结为百年之好，一时成为剑桥大学的美谈。
电子的发现，揭示出了电的本质，打破了几千年来人们认为原子不可再分的陈旧观念，证实了原子还有其自身的结构，揭开了人类向原子世界进军的序幕，也为以后的科学研究开辟了新的道路。世纪之交的另一革命理论电子力学就是在原子物理学的基础上建立起来的。
爱因斯坦和相对论
牛顿力学和麦克斯韦电磁理论，是经典物理学最重要的内容和基础。但是，这两个学说却在以太问题上遇到了根本性的困难。第一，按照麦克斯韦的理论，电磁作用（包括光）是靠以太为介质来传递的，以太无处不在，例如，太阳光之所以能传到地球，就是因为在太阳到地球的空间充满着以太；第二，按照牛顿力学，任何机械运动都是相对于一个参考系进行的，如果以太弥漫于整个宇宙空间，它就是一个理想的参考系，各种物体的运动都可以看作是相对以太进行的，第三，从上面两个理论得出结论，处于以太海洋中的地球要绕太阳运行，如果以太是静止的而不能被地球带动，那么，地球就会在以太中以每秒30万千米的速度运动，地球上的人会感到有每秒30万千米的“以太风”迎面吹来。但是人们在日常生活中并没有感受到以太风。“以太”是笛卡儿从古希腊哲学中引入科学的一个概念，用来代表一种充满宇宙，能够传递力的特殊的没有重量的物质。但是“以太”到底是什么，这一直是一个科学之谜。19世纪的物理学家们为了探索以太问题进行了大量的实验和观测。然而，所有这些实验和观测都不能证实以太和以太风的存在。
19世纪到20世纪之交的物理实验和理论准备表明，建立新的时空理论和物质运动理论的条件已经具备。在这样的条件下，爱因斯坦（1879—1955）创立了具有划时代意义的相对论学说。
爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）1879年生于德国，父母是犹太人。1933年，因受纳粹政权迫害，迁居美国。他从小对音乐有着特别的爱好，6岁开始就迷上了小提琴。爱因斯坦性情孤僻，不喜欢同人交往，也并不显得聪明，似乎没有超人之处，从小学到大学没有哪位老师特别宠爱他。他大学一毕业就失业了，做过家庭教师，后来才在伯尔尼瑞士专利局找到了技术员的固定职业。然而，爱因斯坦在年轻时就自学了几何、微积分和康德的哲学著作，善于独立思考，有强烈的批判精神。他在中学的时候就曾设想，倘若一个人以光的速度跟着光波跑是否会处于一个不随时间而改变的波场中。在大学学习物理的4年中，他大部分时间花在实验中并自学著名物理学家基尔霍夫、赫尔姆霍茨、赫兹、马赫和麦克斯韦等人的著作。爱因斯坦熟知经典物理学遇到的困难和洛伦兹、彭加勒等人为摆脱困境所做的努力。
1905年，爱因斯坦经过不懈的努力在德国《物理学年鉴》上发表了创立狭义相对的30页论文《论动体的电动力学》。同年，又在该杂志上发表《物体的惯性同它所包含的能量有关吗》，对相对论做了重要补充。
狭义相对论的两条基本原理即相对性原理和光速不变原理。相对性原理指出，物理学定律在所有惯性系中的描述形式是相同的，即所有的惯性系是等价的，不存在特殊的惯性系。光速不变原理指出，在所有惯性系内，真空中的光速具有相同的定值。
从古至今，人们都认为空间就是容器里面的虚空，时间跟流水一样不停地流逝，时间和空间没有任何关系。而从狭义相对论的角度来看，时间、空间、物质并不是相互独立存在的，而是紧紧地联系在一起，离开了物质或时间谈空间是没有意义的；同样地，离开了空间或物质谈时间也是没有意义的。狭义相对论认为，运动使时间变长，使空间变小。比如说，如果你坐上高速运动的宇宙飞船，飞行10年后回到地球，也许你会发现地球上已经过了20年；或者你去测量高速运动的物体，你会发现它比静止的同样物体小。这很像中国古代神话传说里的描写，竟然在这里得到了印证。
狭义相对论诞生之后，很少受到物理学界的重视，据说全世界只有12个人理解他的理论。在绝大多数物理学家还根本不能接受这个新理论时，爱因斯坦就已积极地把这一理论继续向前推进了。1907年，他把研究的兴趣从狭义相对论转向它的推广。因为狭义相对论的使用范围仅局限于匀速直线运动体系，还不能解释加速运动体系和万有引力问题。
1912年，狭义相对论已经在科学界赢得声誉，爱因斯坦回到母校苏黎世工业专科学校任教后，在他的老同学、该校数学教授格罗斯曼的协助下，找到了“黎曼几何”强有力的数学工具。1915年3月，爱因斯坦在普鲁士学院宣布了他们找到的引力场方程。1916年正式发表了《广义相对论原理》这篇著名论文，论证了空间的结构和性质取决于物质的分布，现实存在的空间不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间，空间的曲率体现着引力场的强度。1919年，爱因斯坦在介绍相对论时说：“相对论有点像两层的建筑，这两层就是狭义相对论和广义相对论。狭义相对论适用于除了引力以外的一切物理现象；广义相对论则提供了引力定律以及它与自然界别种力的关系。”
爱因斯坦根据新的科学实验事实，对牛顿经典力学做了深刻的反思，吸收世纪之交的科学新思想，发挥创造天才，经过十年深思创立了狭义相对论，又经过十年钻研创立了广义相对论。他说：“相对论的兴起是由于实际需要，是出于旧理论中的严重和深刻的矛盾已经无法避免了。新理论的力量在于仅用几个非常令人信服的假定，就一致而简单地解决了所有这些困难。”爱因斯坦成名后，得到了全世界的热烈赞扬和尊重。对此，他深感不安，他说：“我的政治理想是民主主义。让每一个人都作为个人而受到尊重，而不让任何人成为被崇拜的偶像。我自己受到了人们过分的赞扬和尊敬，这不是由于我自己的过错，也不是由于我自己的功劳，而实在是一种命运的嘲弄。”
爱因斯坦创立的相对论毫无疑问具有创时代的深远意义，它引起了古老物理学的彻底革命，并进一步奠定了日后物理学发展的基石，更是人类思想史上最伟大的成就之一。爱因斯坦一生孤独，有一次他和喜剧大师卓别林一道参加一个庆祝会，受到当地人民的热烈欢迎。卓别林开玩笑地说：“他们欢迎我是因为他们能理解我，而他们欢迎你是由于他们不理解你。”
量子力学的建立
在19世纪中叶，就有一些物理学家开始关注热辐射问题，由于各种物体辐射能量按波长的分布不仅与物体的湿度有关，而且也与物体表面材料的性质有关，为了简化问题的处理，德国物理学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）提出用绝对黑体（简称黑体）作为研究热辐射的理想化对象。1893年，德国物理学家维恩（W.Wien，1864—1928）根据实验数据，得出了以他名字命名的维恩位移定律。这个定律表明，随着黑体温度的升高，对应着它所发射的光线的最大亮度的波长将变短，即向光谱的紫色区移动。虽然维恩位移公式所表述的规律在短波部分与实验曲线符合得比较好，但在长波部分却低于实验值。
1900年，英国物理学家瑞利（J.Rayleigh，1842—1919）从经典理论推导出一个与维恩公式不同的黑体辐射公式，这个公式的主体部分在长波段与实验吻合较好，但在短波（即紫外线）段却是发散的。瑞利当时为了克服这一缺陷，人为地设置了一个负指数项以消除这个效应。当年10月，富有创见的德国物理学家普朗克（Max.Planck，1858—1947）获悉了瑞利的结果，他采用数学上的内插法，从维恩公式和瑞利公式得出了一个新的能量分布公式。这个公式与实验结果符合得非常好。但令人不解的是，这个公式却不能从经典理论中推导出来。普朗克为了寻求隐藏在这个公式后面的物理意义，进行了艰苦的理论研究工作，提出了量子概念。
然而，普朗克的量子概念在当时并没有引起科学家们的太多注意，连他自己也没有认识到这个概念深远的革命意义，只是把它当成是一个不得已而为之的“形式上的假说”，甚至试图把量子概念重新纳入经典物理学的轨道。1905年，英国物理学家金斯（J.H.Jeans，1887—1946）仍然沿着瑞利的思路继续研究，用经典物理学理论严格推导出了一个辐射能量密度分布公式，得出一个后来被称为瑞利-金斯公式的表达式。这个公式在光谱的长波（红光区）部分与实验很符合，而在短波部分却偏离实验结果，以致在紫外光区域导致发散的结果，即据此求出的能量密度为无限大，这显然是荒唐的，但这个结果开始引起一些物理学家对经典物理学理论解决黑体辐射问题能力的怀疑，这一实验结果被称为经典物理学的“紫外灾难”。
普朗克的量子理论，还是得到了目光敏锐的科学家们的支持，首先就是爱因斯坦。他意识到量子论将带来科学的根本变革。他在1905年3月在德国权威的物理学杂志《物理学年鉴》上发表了一篇题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，全文共分9个部分，其中一个部分涉及到光电效应问题。他在这篇论文中成功地运用普朗克的量子概念解决了包括光电效应在内的一系列光的产生与转化问题；而且首次提出了光既有波动性，又有粒子性的观点，也即光具有“波粒二象性”。他指出：对于统计的平均现象，它表现为波动性；对于瞬时的涨落现象，它表现为粒子性。从而结束了从惠更斯和牛顿以来关于光的本性的长期争论，把波动说与粒子说统一起来了。
爱因斯坦提出光量子理论以后，量子理论引起了越来越多物理学家的重视，并得到了广泛的传播。不仅有许多欧洲一流的物理学家和化学家转而接受量子概念，而且还吸引了大批年轻的科学工作者投身于解开量子之谜和把量子理论应用到更多领域的研究，玻尔（N.Bohr，1885—1962）就用量子理论解决了卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937））模型的困难。从普朗克的量子假说到玻尔的原子结构理论，量子概念已经从一个仅仅说明与辐射问题有关的形式上的假说，发展成为说明微观现象本质的必不可少的概念。因此，玻尔原子结构理论的建立，在量子论发展史上具有里程碑的重要意义。
在量子理论中，做出划时代贡献的是德布罗依（L.De Broglie，1892—1987）。他出身贵族，承袭了公爵爵位，他的哥哥也是一位物理学家。德布罗依原来学习历史，大学毕业后潜心研究物理学。在1923年想到，爱因斯坦在1905年的发现应当加以推广。他把光的波粒二象性扩展到一切粒子，特别是电子，从而提出了“物质波”的假说。
德布罗依的工作不仅把过去认为是根本对立的波动性和粒子性协调地贯穿在一切微观物理现象之中，揭示了物质的一个根本属性，而且从理论上来说，他的工作的重要意义还在于揭示了狭义相对论和量子论在本质上的深刻联系。他自己也一直认为：“没有相对论思想，特别是没有相对论加速度原理和相应的动力学，光量子的特点是无法理解的，只有在相对论物理学中光子才能找到一席之地。”德布罗依的工作为量子论的进一步发展开辟了一条崭新的道路，但对物质波的解释，尤其是如何说明微观世界普遍存在的波粒二象性的特征，德布罗依却遇到了许多困难。他的将波和粒子这两个互不相容的概念，机械地结合在单一的形象中的尝试没有获得成功。这就迫切需要从根本上建立一个完全抛弃经典观点的新理论。
德布罗依的成果，被奥地利物理学家薛定谔（E.Schringer，1887—1961）、海森堡（W.K.Heisenberg，1901—1976）等人所发展，创立了量子力学。薛定谔和海森堡是沿着两条完全不同的路线进行的：矩阵力学和波动力学。
矩阵力学和波动力学不仅在数学形式上不同，而且二者所描述物理图景的出发点也不一致，矩阵力学从微观世界的粒子图景出发，波动力学则认为微观世界都是波；同时如何协调二者之间的关系也是一个重要的问题。1926年，薛定锷（E.Schringer，1887—1961）是从数学上证明了矩阵力学与波动力学是等价的，其实质应当一致。随着玻恩提出对波函数的统计解释，海森堡（W.K.Heisenberg，1901—1976）等人也接受了波动力学。后来，狄拉克（P.A.M.Dirac，1902—1984）又进一步提出了普遍变换理论，认为可以通过数学变换来达到矩阵力学和波动力学间的相互转换，二者实际上只不过是一个统一的量子理论的不同表述形式而已。这才终于使二者殊途同归。德布罗依、海森堡、薛定谔、狄拉克都是现代物理学的奠基人和开拓者，由于他们的出色工作，都分别获得了诺贝尔物理学奖。
为了给量子力学的统计解释找到更为基本的物理诠释，海森堡和玻尔等人又做了更进一步的工作。1927年3月，海森堡发表了《关于量子论的运动学和力学的直觉内容》一文，从薛定锷方程出发，推导出了著名的测不准关系，或称不确定性关系，即微观粒子位置的测量误差和它动量的测量误差的乘积大于或等于普朗克常数的一半。它表明微观客体的位置和动量不能同时精确地测量。同时，能量和时间也存在类似的关系。
测不准关系是微观世界特有的基本关系，它说明了用经典力学来描述微观粒子的局限性，指出了经典力学的适用范围，划出了经典力学与量子力学的界限。只有当测量对象大到一定程度时，我们才可以同时精确测量物体的位置和动量，否则由于测量仪器对被测量对象的不可避免的干扰，必然会改变微观客体的原有状态，测量对象不再与测量过程无关，而是与观测本身密切相关。正因为如此，我们无法通过精确测量严格确定微观事件本身，只能描述事件的几率。
玻尔则试图从哲学上揭示微观客体波粒二象性的本质，提出了著名的“互补原理”。他认为，波动和粒子是描述两种宏观现象的经典概念，二者在宏观上不能相容，是相互矛盾的，但任何一个单独的概念又都不足以完整地描述同一个微观现象，必须将这两种概念的描述结合在一起才能勾画出所描述微观现象的统一图景，即二者互相排斥，但又互相补充。测不难关系和互补原理都表明，在微观事件中，严格的因果决定论是不成立的。这就为量子力学非决定论的统计解释提供了依据。
玻尔的互补原理不仅是玻尔对量子力学基础的一种解释，而且也是玻尔的哲学思想。他认为互补原理是一个普遍的认识论原理，不仅适用于对微观世界的认识，也适用于我们对生命本质，对人类文化、艺术、社会关系，乃至对思维自身的研究。“包含在原子物理学发展中的认识论教益也使我们想到远远超出物理科学的经验描述和理解方面，也有同样的情况，而且，这种教益也使我们可以找到一些共同的特点以促进知识的统一。”玻尔提出互补原理不仅表达了科学家在研究科学前沿问题时对哲学的重视和哲学对科学的引导、诠释作用，而且互补原理本身也确实对人们探讨科学问题有一定的启发作用，体现了辩证法的思想。
太阳也会老——对恒星世界的新认识
19世纪后半叶，照相技术、光度测量技术、光谱分析技术开始应用于天文学，使得天文学家能够研究天体的物理状态、化学成分和内部发展过程了，从此，天体物理学应运而生，对太阳乃至恒星世界都有了新的认识。
对人类来说，太阳是最重要的一个天体。日复一日，年复一年的东升西落，让我们觉得它永远充满着活力，永远不会老。其实不然，现代天文学告诉我们，太阳也不过是宇宙中千千万万颗恒星中的一员，所有的恒星都有其自身从生到死的过程，只是有的寿命长些，有的寿命短些。大体上，一颗恒星的一生要经历以下几个阶段：
（1）引力收缩——恒星形成阶段。由于弥散于星际间的物质分布不均匀，密度较大处便成为引力中心，星际物质逐渐向该处聚集形成星际云。星际云因引力作用而收缩，起初收缩得比较快，星际云在收缩过程中转化为恒星胚，后来收缩速度转慢，恒星胚逐渐转变为恒星。
（2）主序星阶段。在恒星形成之后，恒星内部的氢核聚变成了它的主要能源，其后恒星的辐射压力、气体压力与恒星的自吸引力趋于平衡，恒星基本上既不收缩也不膨胀，这是恒星一生中时间最长的相对稳定时期。不同质量的恒星稳定时期各不相同，质量越大的恒星时间越短，质量越小的恒星时间越长。
（3）红巨星阶段。氢核聚变反应主要在恒星的中心部分进行，随着时间的推移，靠近中心部分的氢逐渐耗尽而形成为氦核，氦核的周围则仍然是进行着氢核聚变的壳层。当氦核的质量达到恒星质量的10%—15%时，其核心部分又因引力而收缩，温度随之升高，至中心温度达到1亿度时，3个氦核聚合为1个碳核的核聚变就要发生。这时星体的内部膨胀，吸收热量，而星体的表面积扩大，温度降低，这就成了红巨星。
（4）高密恒星——恒星演化的最后阶段。当红巨星内部能够发生核反应的物质都耗尽时，它的末日也就来临。其质量小于1.44个太阳的，就成为白矮星，现在已经观测到的白矮星有1000颗以上。质量在1.44—2个太阳之间的，成为“中子星”。中子星的存在首先出自理论预言，人们认为现已发现的几百颗脉冲星就都是中子星。有人运用广义相对论研究中子星结构，认为它们的直径一般只有几十千米，而密度则大得惊人，它的外壳的密度约为1011—1014g/cm3，里层密度约为1014—1015g/cm3，内部密度则更达1016g/cm3。质量超过两个太阳的将成为“黑洞”。黑洞也是广义相对论所预言的一种天体。1939年美国理论物理学家奥本海默（J. Robert Oppenheimer，1904—1967）从广义相对论推断，当一个大质量天体的外向辐射压力抵抗不住内向的引力时，它就要发生塌缩，塌缩到某一临界大小时便因巨大的引力作用而形成一个被称为“视界”的边界，视界之外的物质和辐射可以进入视界之内，但视界之内的物质和辐射不可能逸出视界之外。因为对于任何探测手段来说它完全是“黑”的，所以把这种天体称为黑洞。
太阳作为恒星世界的一员自然也符合上述规律。现代天文学研究表明，太阳已有约50亿年的年龄，正处于壮年期，它的寿命大约为100亿年左右，也就是说它还将停留在主星序阶段照耀地球50亿年。然后，它的半径将增加100倍或更多，成为一颗红巨星，吞没包括地球在内的所有内行星。最后，太阳将变成一颗白矮星，那是它的归宿。应该说，现代天文学的研究结果对人类的最终前途是悲观的。因为，人类即使“无病无灾”地一代一代繁衍下去，再过50亿年，也会与太阳、地球一起毁灭。不过，50亿年毕竟是一个极为漫长的过程，在这50亿年里什么事情都可能发生，不可遽下断语。
地学的新发展——从大陆漂移说到板块结构说
18世纪中叶，康德提出关于天体演化的星云假说，经拉普拉发展以后，在学术界产生很大影响。地球也是太阳系一员，当然也应该有其演化历史。受星云假说影响，19世纪，有地质学家提出“冷缩说”解释地球历史，并用以说明地球面貌和山脉的成因，从而推动了大地构造学的发展。
冷缩说认为地球在冷缩过程中会引起地壳的运动，但它强调的是地层的褶皱、断裂和地壳的垂直升降运动，不曾谈到地壳在水平方向上的大范围运动。赖尔的《地质学原理》中提出了地壳发展的均变论和“以今论古“的研究方法，对地质学发展影响也很大，但他同样不曾谈到地壳的水平运动。大陆是固定的，海洋是不变的，这是19世纪地学中的一个基本观点。关于地壳水平运动的学说，20世纪先是有大陆漂移说，而后发展为板块结构说。
大陆漂移说从思想渊源上可以说是由来已久，但直到19世纪末一直未能成为科学学说。弗兰西斯·培根在17世纪初就已指出，大西洋两岸海岸线形状的吻合不是偶然的。18和19世纪都有生物学家指出，大西洋两岸的生物有亲缘关系，表明两岸过去可能是相连的。那时由于人们觉得大陆漂移是难以想象的，所以提出“陆桥说”——认为大西洋两岸之间过去有狭长的陆地之桥相连，后来被海洋吞没了。但是，随着地质考察的发展，陆桥说漏洞越来越多，人们找不到陆桥的踪迹，用陆桥说也难以说明大西洋两岸生物、地层构造、岩石结构等许多方面的相似性。
20世纪初，相继有地质学家提出大陆漂移说，其中影响最大的是魏格纳（A.L.Wegener，1880—1930）。他认为，在地质史上的古生代，地球上只有一块大陆——联合古陆，其周围是大洋。自中生代以来，它开始分裂，裂块漂移开来，形成今天所见的几块大陆和无数岛屿，原先的大洋也被分割为几个大洋和一些内海。按魏格纳的说法，大陆漂移至今仍在继续。为取得大陆漂移的直接证据，他先后4次赴格陵兰重复测量经度。后在格陵兰遇险，为科学献出了生命。
虽然有许多事实用大陆漂移说才能给出合理的解释，但在20世纪上半叶并没有直接证据证明大陆在漂移，也无法解释使大陆漂移的巨大力量究竟是什么。随着魏格纳去世，大陆漂移说在20世纪30和40年代逐渐沉寂下去。大陆漂移说在50年代由于地磁测量工作的成果而复兴。人们发现，在不同地质时期，地磁极的方位是不同的。在进一步对地磁极移动轨迹进行分析之后发现，只有把现在的北美洲相对于欧洲向东旋转30°，也就是假定大西洋并不存在，欧洲与北美洲联在一起，分别从欧洲和北美洲的岩石标本得出的地磁极移动轨迹才能一致起来。
第二次世界大战后，以掠取海洋矿产资源为目的的海洋地质学发展起来，为大陆漂移说提供了更有力的证据。深海钻探、海洋重力测量、地磁测量、地热测量、声纳技术、同位素地质年代测量等现代科学技术，为海洋地质学发展提供了有力的手段，取得了丰富的科学成果。其中有许多出乎人们预料的重大科学发现，尤其重要的是以下几项：
第一是发现洋底地层很年轻。原先人们认为先有海洋，后有大陆，洋底地层应比大陆地层更古老，但是实际上洋底没有早于中生代的沉积物，而且岩石类型比大陆上少得多，表明洋底地层很年轻。
第二是发现洋中脊。原先认为洋底是沉积而成，应当非常平坦。实际上洋底也有山脉，有一种洋底山脉的形态是线状延伸，长度数千千米以上，宽度只有数百千米，犹如洋底的脊梁，故名洋中脊。全世界大洋底部的洋中脊互相连接，构成了一个完整的体系。洋中脊两侧的地层是对称的，越近洋中脊处地层越年轻。地磁测量发现洋中脊两边的地磁情况也是对称的，地热测量又发现洋中脊是洋底热流量最大的地方。
根据海洋地质学的这些重大发现，有地质学家于20世纪60年代初提出了海底扩张说，认为洋中脊是由于地幔物质从地壳裂缝处上升而形成的；由于洋中脊处不断形成新的地壳，使得两边的地壳受挤压而不断向外移动，海底是在不断扩张之中。
海底扩张说是大陆漂移说的继续与发展，到20世纪60年代未之后又发展为板块构造学说。板块构造学说认为，地球岩石圈是由若干板块构成的，洋中脊与转换断层、俯冲带和地缝合线是板块的边界，是构造运动最剧烈的地方，全球地壳构造运动的基本原因就是板块的运动和板块之间的相互作用。板块构造学说是海洋地质学与大陆地质学研究的综合成果，它告诉我们大陆不是固定的，大陆有分有合；海洋不是自古至今永远不变的，海洋有生有灭。板块构造学说给我们描绘的地球是一个不断发展变化的地球，开创了人对地球认识的新阶段，有人将之称为地质学上的革命，犹如哥白尼日心说的提出对天文学的影响。
染色体的发现和分子遗传学的建立
细胞学说为遗传学的发展奠定了理论和实验基础，进化论也波及生命科学领域，孟德尔（Gregor Johann Mendel，1822—1884）提出了“遗传因子”的概念，指出由于遗传因子的作用，生物在进化过程中并不是连续地变异。
1909年，美国生物学家、哥伦比亚大学生物学教授摩尔根（Thomas Hunt Morgan，1866—1945）开始以果蝇为材料做遗传学研究，真正解开了遗传因子的奥秘。摩尔根就出生在孟德尔发表豌豆遗传论文的1866年，青少年时代的摩尔根喜欢游历，多姿多彩的大自然吸引他走上了探索生物奥秘的道路。1886年，摩尔根考取霍普金斯大学研究院的研究生，主要从事生物形态学的研究，最终获得博士学位。后来，因为发现了染色体的遗传机制，创立了染色体遗传理论，成为现代实验生物学奠基人。1933年由于发现染色体在遗传中的作用，赢得了诺贝尔生理学或医学奖。
摩尔根在攻读博士研究生期间和获得博士学位后的10多年里，主要从事实验胚胎学的研究。1900年，孟德尔逝世16年后，他的遗传学说才又被人们重新发现。摩尔根也逐渐将研究方向转到了遗传学领域。摩尔根起初很相信这些定律，因为它们是建立在坚实的实验基础上的。但后来，许多问题使摩尔根越来越怀疑孟德尔的理论，与此同时，德弗里斯（Hugo Marie de Vrier，1848—1935）的突变论却越来越使他感到满意，他开始用果蝇进行诱发突变的实验。他的实验室被同事戏称为“蝇室”，里面除了几张旧桌子外，就是培养了千千万万只果蝇的几千个牛奶罐。
1910年5月，在摩尔根的实验室中诞生了一只白眼雄果蝇。摩尔根把它带回家中，把它放在床边的一只瓶子中，白天把它带回实验室，不久他把这只果蝇与另一只红眼雌果蝇进行**，在下一代果蝇中产生了全是红眼的果蝇，一共是1240只。后来摩尔根让一只白眼雌果蝇与一只正常的雄果蝇**。却在其后代中得到一半是红眼、一半是白眼的雄果蝇，而雌果蝇中却没有白眼，全部雌性都长有正常的红眼睛。摩尔根对此现象解释说：“眼睛的颜色基因（R）与性别决定的基因是结在一起的，即在X染色体上。”或者像我们现在所说那样是连锁的，那样得到一条既带有白眼基因的X染色体，又有一条Y染色体的话，即发育为白眼雄果蝇。这就是“伴性遗传”。
摩尔根及其同事、学生用果蝇做实验材料。到1925年已经在这个小生物身上发现它有4对染色体，并鉴定了约100个不同的基因。并且由**试验而确定连锁的程度，可以用来测量染色体上基因间的距离。1911年他提出了“染色体遗传理论”。果蝇给摩尔根的研究带来如此巨大的成功，以致后来有人说这种果蝇是上帝专门为摩尔根创造的。摩尔根发现，代表生物遗传秘密的基因的确存在于生殖细胞的染色体上。而且，他还发现，基因在每条染色体内是直线排列的。染色体可以自由组合，而排在一条染色体上的基因是不能自由组合的。摩尔根把这种特点称为基因的“连锁”。摩尔根在长期的试验中发现，由于同源染色体的断离与结合，而产生了基因的互相交换。不过交换的情况很少，只占1%。连锁和交换定律，是摩尔根发现的遗传第三定律。他于20世纪20年代创立了著名的基因学说，揭示了基因是组成染色体的遗传单位，它能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。但基因到底是由什么物质组成的，这在当时还是个谜。
摩尔根的基因学说建立以后，许多生物化学家致力于确定基因的物质基础。“分子生物学”这一术语最早出现于20世纪30年代，但真正蓬勃发展起来是从20世纪50年代开始的，1953年DNA双螺旋结构的建立是分子生物学诞生的标志。20世纪40年代末，DNA结构与功能的研究越来越引起学术界的重视，有两组科学家的研究工作特别引人注目。一组以鲍林（L.C.Pawling，1901—1994）为首，在美国加州理工学院；另一组以维尔金斯（M.Wilkins，1916—2004）和富兰克林（R.Franklin，1920—1958，女）为首，在英国伦敦皇家学院。他们对DNA晶体做的X射线衍射分析卓有成效。然而最后提出DNA双螺旋结构的是在英国剑桥大学合作研究的沃森（J.Watson，1928—）和克里克（F.H.C.Crick，1916—2004）。他们综合了各方面的实验数据，再加上自己作出的深刻分析，取得了划时代意义的成果。
按照双螺旋结构模型，DNA分子是由两条走向相反的多核苷酸链组成，链的主体是糖基和磷酸基，碱基位于两条链之间；两条链上的碱基之间靠氢键相互吸引，使两条链结合成一体；两条链又像转圈楼梯扶手的上下边一样，围绕着一个中心轴盘旋，形成双螺旋结构。四种碱基之间有固定的配对关系，否则无法形成氢键。所以一个DNA分子两条链的碱基顺序有互补关系。在提出DNA双螺旋结构模型后不久，沃森和克里克又提出遗传信息包含在DNA分子的碱基顺序之中，一个基因就是DNA分子的一段。他们还设想了DNA分子复制的方式：两条链互相分开，各以自身为模板，按照碱基互补关系形成一条新链，这样，一个DNA分子就变成了两个DNA分子，其结构与母体完全一样。基因复制这样一个复杂的生物学问题，就这样以DNA的分子结构为基础得到了解释，生物学问题转化成了物理与化学问题。
DNA双螺旋结构模型的提出就像一剂发酵剂，使得以遗传信息的复制与表达问题为中心的分子生物学研究空前活跃起来。在20世纪60年代，人们就基本阐明了遗传信息复制、转录与指导蛋白质合成的全过程，破译了全部遗传密码。
关于遗传密码，一个非常重要的发现是：从最简单的生物——病毒，到最高等的生物——人，所使用的遗传密码是一样的。这表明所有生物有共同的起源，为进化论提供了新的有力的证明。传统生物学是以生物体、活细胞为研究对象，分子生物学是以生命大分子为研究对象，在分子水平上揭示生命之谜。分子生物学家的研究方式与研究手段，与传统生物学家有根本性的不同。“生命科学”这一术语取代了传统的“生物学”，成为对生命现象研究的最高概括。从技术方面来说，这是基因工程的客观基础，也为分子生物学的应用提供了广阔天地。