在19世紀末葉，有一個叫開爾文的物理學家，他當時有一個很有名的話，就是“19世紀的物理學，已經把所有的問題都解決了，好像是一片晴朗的天空，但是在晴朗的天空上還有兩朵烏雲”。

這兩朵烏雲指什麼呢，一個是指當時對以太的存在性，光速跟以太有沒有關系的疑問；另外一個是關於黑體輻射的，譜形沒有得到很好的解釋。這兩個理論問題都沒有很好的解決，所以說在晴朗的天空上還留有兩朵烏雲。

這是19世紀物理學家說的話，沒有想到這就成為了20世紀物理學發展的序幕。第一朵烏雲的驅散，導致了狹義相對論的誕生，另外一朵烏雲的澄清。導致了量子力學誕生。這兩朵烏雲一澄清以後，物理學就有飛速發展。

我可以簡要敘述一下狹義相對論的特點。狹義相對論之所以提出來，是針對光速測量產生的。當時有好多實驗，有的證明了以太是靜止不動的，還有的證明了以太是隨著物質的運動而運動的，也有一些證明是以太是隨著物質的運動而部分地帶運動的。所以這個以太就成為了一個“謎”。

愛因斯坦就深入分析了這個問題，從一個科學實驗事實出發，實驗說光的速度和發光物質的運動狀態無關，也就是說光不論在什麼地方發射，光源的速度是多少，觀察者，包括運動中的觀察者，永遠看到的是光的速度，大概是每秒30萬公里在運行。

根據這樣一個奇怪的事情，再加上了空間是均勻的，各向同性的假定，愛因斯坦就提出了狹義相對論，這是人們對事件空間的觀念的一個轉變。

在狹義相對論中發現，牛頓力學需要有修正。牛頓力學中的力等於動量對時間的微分，其中動量就是質量乘以速度，而相對論就是對這個動量作了修正，結果就是就是物體在低速運動的時候仍然符合牛頓力學的規律，而在速度很大，接近光速的時候，運動規律就有很大的修改。同時愛因斯坦的相對論還有一些很特殊性質的發現，比如鐘慢尺縮。

20世紀另外一個重大的發現是量子力學，量子力學的發現是由於黑體輻射問題很難得到一個統一的解決而產生出的問題。這一件事情，當時有一個大物理學家叫做普朗克，他在1900年12月14日發表了一篇很重要的文章來解釋黑體輻射。普朗克引進了一個假說，也就是光的能量的傳播，不是連續的釋放和吸收，而是以一個一個光量子的形態來出現，這個光量子形態也就是普朗克常數乘以光的頻率。

這個假說很好的解釋了黑體輻射問題。這是物理學中第一次引進了光能的吸收和釋放是不連續的概念。愛因斯坦進一步用普朗克假說解釋了光電效應，進一步愛因斯坦又提出光子除了具有能量之外，還具有動量，這個動量就是普朗克常數h乘以振動頻率再除以光速c。

光子就不再簡單看作電磁波的振動，也看作是粒子，這個粒子既有能量又有動量。後來康普頓和吳有訓先生在實驗上證明了這樣一個光子打到電子以後，光子運動的頻率和運動方向都會發生改變，而這樣一個改變的後果就象是光子作為一個具有確定動量的小球，打在一個靜止的電子上面，然後光子再通過彈性散射到另外一個方位上去，這樣的改變完全遵守牛頓力學中的彈性碰撞定律，這樣就讓人們看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，這就是波粒二象性。

進一步，法華人德布洛意提出波粒二象性不僅是光子具有的，而是任何一種粒子都具有的。也就是光子看起來是波，其實也是粒子；而普通稱為粒子的電子，中子，質子3，甚至分子，原子，這些看起來是粒子的也有波動性，因此他把光子的波粒二象性擴展成粒子的波粒二象性。這就是德布洛意波假說。進一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的觀念更加普遍化，變成量子力學。量子力學出來以後，引起了人們對微觀世界認識的一場大革命。我覺得這兩件事情就是20世紀物理的重大發現.

記 者：20世紀三大發現中，這兩大發現都是物理學的。

何祚庥：是的。我可以這樣來評價一下物理學的大發現。物理學的大發現，在歷史上有三次。第一次是牛頓力學。牛頓力學以及當時跟牛頓力學有關系的科學所發現的物理學定律是宏觀的低速運動的規律。因為牛頓力學討論象地球，太陽，月球這些天體運動，即討論對象的運動速度是慢的，物體是宏觀的。

記 者：所以說牛頓力學勾畫的是經典物理學的圖景。

何祚庥：對。到後來，人們研究了電磁相互作用的定律。電磁相互作用定律的一個重要特點就是以光速而運動。電磁波的運動可以說是一種宏觀而高速的運動。到了愛因斯坦的相對論，就把宏觀低速運動和高速運動有機的聯繫在一起，其中，描寫光的高速運動的麥克斯韋方程卻自然而然的滿足狹義相對論。

這就是物理學的第二次突破，愛因斯坦，包括他的前人麥克斯韋就發現了宏觀高速運動的規律。第三次突破是量子力學。量子力學回答的是微觀粒子的運動規律，而薛定鄂，海森堡的量子力學是涉及微觀低速作用下的規律。

這三次突破都引起了生產技術的重大變革。牛頓力學奠定的是機械工程等方面的基礎，麥克斯韋方程，狹義相對論是我們現代電氣化的支撐，至於第三次大突破的量子力學的出現，就涉及化學運動的規律，半導體的規律，原子核運動的規律等。我們現在面臨的原子能時代，電腦時代的技術，都是量子力學的貢獻。物理學每一次劃時代的發現都帶來了劃時代技術的進展。

20世紀的物理學革命大大改變了我們對於空間、時間和物質以及我們自己在宇宙中的存在等問題的思考方式。它對許多諸如事物的終極本質、宇宙如何起源等一些重大問題做出了解答。它動搖了我們關於牛頓宇宙和宿命論的觀念，並提出了有關平行宇宙、時間旅行和萬物起源的問題。同時，我們也目睹了物理學家追求統一理論的令人驚嘆的努力。有了這樣一個理論，眾多物體、所有粒子的類型以及它們的相互作用都可由之推得。本書講述的就是有關這些發現以及做出這些發現的人們的故事，很大程度上是通過講述獲得諾貝爾獎的物理學家們的工作展開的。

該書生動地介紹了20世紀物理學的主要脈絡，旨在激起中學高年級學生、大學生和教師們的興趣，它也會引起對科學真正有興趣的廣大普通讀者的注意。書中也放入了必不可少的數學細節，但對它們的解釋和處理頗具匠心，使得讀者略過它們也能連貫地讀完本書。