第二章 中已经提到，1666年牛顿对光的性质率先做了一系列重要实验。
他使一束阳光透过百叶窗的细缝进入黑暗的房间，并让光线射到一块长方形三棱镜上。进入三棱镜的光束受到折射，而后从三棱镜的第二个面出来时又向相同的方向进一步折射（这是由于三棱镜的两个边呈一夹角而不像通常的玻璃片那样两边是平行的，因此能使两次折射沿相同方向）。牛顿将这些透过三棱镜射出的光束照射在一白色屏幕上，借以观察增强折射的效果。他发现，所形成的不再是白光点，而是一条分成条状的颜色带，以红、橙、黄、绿、蓝、紫的顺序排列。
牛顿由此推断，一般所谓的白光是由数种不同的光混合而成，这些不同的光会分别影响我们的眼睛而产生不同的色觉。而那些条状的颜色带，看起来虽然是那么具体实在，事实上却是无形的，如同鬼魅一般，牛顿因此命名它为光谱，源自拉丁语“鬼魅”。
牛顿断定，光是由高速运动的微粒组成的。这样就能解释光为什么直线前进并产生明显的阴影。光会被镜子反射是因为微粒被镜面反弹之故，而光在进入玻璃、水等折射物质时路径会曲折，则是因为光在这类介质中的运动速率比在空气中要快。
然而，还是有一些棘手的问题。比如说，为什么绿光微粒比黄光微粒折射得要多呢？为什么两束光能交叉通过却不会互相影响——也就是说粒子为什么不会碰撞呢？
1678年，荷兰物理学家惠更斯（一位多才多艺的科学家，曾制造第一个单摆时钟，在天文学方面也有重要贡献），提出一个相反的理论，他认为光是由小的波动所组成。假如光是由波所组成，只要假设光在折射介质中的运行比在空气中来得慢，那么，解释不同的光透过折射介质而有不同程度的折射就一点困难也没有了。折射的程度与波长有关：波长愈短，折射程度愈大。因此紫光（折射最多者）要比蓝光波长短，蓝光又比绿光短，依此类推。惠更斯认为，正是波长的不同才使眼睛看到不同的颜色。同时，假如光由波所组成，两束光自然能毫无困难地交叉而不互相干扰（人们知道，声波或水波交叉后是不会改变特性的）。
但是惠更斯的理论也并不是非常令人满意的。它并没有解释光为什么以直线前进并投射出清晰的阴影，也无法说明为什么光不能像水波及声波那样绕过障碍物。此外，假如光由波组成，光怎么能在真空中运行？比方说光从太阳和星星发出经过空间而到达地球，又是什么介质使光波动的呢？
上述两种理论几乎僵持了一个世纪。牛顿的微粒理论遥据上风，一方面是因为总的来说它较合逻辑，一方面则是靠牛顿的鼎鼎大名。但是，1801年英国医师兼物理学家T.杨做了一项实验，使人们的观念发生了转变。他让一窄光束穿过距离极近的两个小孔而投向后方的屏幕。假如光真是由粒子组成，那么透过小孔而投射到屏幕上的两束光应该是重叠区域较亮，不重叠区域较暗，但是T.杨发现事实并非如此。屏幕上产生一系列亮带，亮带间则夹有暗带。在这些暗区内，似乎是两束光叠加成了暗色。
波动理论就能轻易地解释这一现象了！亮带表示一束光波为另一束所增加；也就是说，这两组光波是同相的，波峰与波峰叠加而相互加强。换句话说，暗带则是代表反相，波峰被抵消，也就是在该处彼此相互干扰，使净光能为零。
从光带的宽度及两个小孔间的距离，我们就能计算出光的波长——比方说，红光、紫光或介于其间的各色光的波长，后来发现算出来的波长是相当小的。例如，红光波长算出来大约是0.000075厘米。光波的波长以埃为单位，1埃是1厘米的10−8。因此，光谱一端的红光波长约为7500埃；另一端的紫光约为3900埃；而可见光谱的其他色光的波长则介于其间。
光的波长极短是很重要的。光能以直线进行并投射出清晰的影子，就是因为光的波长较一般物体要小得无法相比。只有那些比光的波长大不了多少的障碍物，光波才能绕过去。举例来说，甚至细菌都要比光的波长长得多，这就是为什么我们能用光学显微镜清晰地观察到细菌的原因。只有那些大小接近光波波长的物体（如滤过性病毒或其他亚微观粒子），光才能绕过。
若障碍物足够小，光波确实能绕过去，这是1818年法国物理学家菲涅耳证实的。在这种情形下，光产生了所谓的衍射花样。举个例子来说，衍射光栅面上那些精细刻画的平行线就起着一系列彼此增强的微小障碍物的作用。因为衍射量取决于光的波长，所以产生出光谱。从光谱中任一部分或任一颜色光的衍射程度和从光栅玻璃上刻画的平行线的已知间距，也能计算出光的波长。
夫琅和费是使用这类衍射光栅的先驱者，但这项创举却为自己另一项更为出名的成就所掩盖，那就是他发现了光谱线。美国物理学家罗兰发明了凹面光栅，并发展了在光栅上的刻画技术，使2.54厘米内能刻有20000条线。他的这项成就在光谱学中取代了三棱镜。
由于这些实验的成果，以及菲涅耳系统地解决了波动的数学问题，光的波动论似乎已经确立，而粒子论则一败涂地——这显然已成定局。
不仅光波的存在为人所接受，波长的测量也越来越精确。1827年，法国物理学家巴俾涅建议用光的波长——一项不变的物理量——作为长度的测量标准，以代替当时使用的各种带有随意性的标准，这项建议直到18世纪80年代才有其可行性，当时，德国血统的美国物理学家迈克尔孙发明了干涉计，能非常精确地测出光的波长。1893年，迈克尔孙测出镉光谱中红线的波长为1/1553164米。
在发现元素是由不同的同位素组成，而每种同位素释放的射线波长略有不同时，用光的波长测量仍存在着不确定性。然而，随着20世纪的到来，同位素的光谱线已经可以单独地测量出来了。20世纪30年代，已测得氪-86的光谱线。这种同位素是一种气体，在低温下原子运动缓慢，这时测量，其光谱线才显得锐细不宽粗。
1960年，国际度量衡会议把氪-86谱线定为长度基准。一米重新确定为这一光谱线的1650763.73倍波长。这项标准把长度测量的精确度提高了上千倍。旧的标准米尺棒顶多只能量到10−6米，而光波可以量到10−9米。
光速
很明显，光是以极高的速率前进。假如你随手关掉灯，就会发现四周立刻漆黑一片。声波的运动就没那么快了。假如你看到远方有人在劈柴，你会发现斧头劈下后好一会儿才听到声音。声音显然是经过了一段时间才传到耳中。事实上，声音的传播速率很容易测定，在海平面的空气中，是每秒332米（1090英尺），即每小时1200公里（750英里）。
伽利略是第一位尝试测定光速的人。他和助手分别站在两座山上，开始时伽利略先将自己手提灯笼上所盖的布揭开，助手看到光后也立刻揭开身旁灯笼的布。伽利略以愈来愈长的距离做实验，并假设助手反应时间是始终如一的，那么他揭开自己灯笼再看到助手回应的闪光，这段间隔所增加的时间，就是光要走额外距离的所用的时间。这个想法很好，但是光速实在太快了，伽利略这种粗糙的方法根本测不出任何的差值。
1676年，丹麦天文学家罗默反而成功地以天文距离测出了光速。在观察木星的四个大卫星的星食状态时，罗默发现木卫食的时间间隔随地球在公转轨道上远离木星而依次增长，而随地球接近木星而减短。罗默推测，木卫食的时间差值反映了地球与木星之间距离的差值，换句话说，木卫食的时间差值可以说是光在这段时间里从木星传到地球所走距离的一种量度。罗默将木卫食发生的最大时间差值作为光扫过地球轨道全宽所需的时间，并根据对地球轨道大小的粗略估计，便算出了光速。他的估计为每秒212400公里（132000英里）。就第一次的尝试而言，已是相当接近实际光速了，但是，这个数值已大得使罗默的同代人不敢相信了。
罗默的实验结果经过半个世纪后，从一个完全不同的方面得到证实。1728年，英国天文学家布拉德莱发现恒星的位置似乎因地球的运动而有所偏移——并不是视差之故，而是因为地球绕太阳运动的速度相对光速而言虽然很小，但仍然是可以测量到的。相似的情形可见于大雨中撑伞过街的时候，虽然雨滴垂直落下，但伞仍需向前斜撑，因为人是迎着雨走。走得越快，伞必须倾斜的越厉害。同样的道理，地球也是迎着恒星射来的光线前进的，天文学家必须将望远镜放得倾斜一点，还要随着地球运动方向的改变来调整望远镜的角度。根据倾斜的角度（即光行差），布拉德莱估计出光速约为每秒283200公里（176000英里）——比罗默的数据更大而且更准确，但仍比标准值低了约5.5%。
后来，科学家们改进了伽利略的原始构想，终于获得更为准确的数值。1849年，法国物理学家斐索装了一套设备，使闪光射到8公里外的镜子后再反射到观察者处。闪光在这段往返16公里的旅程所耗的时间仅为1/20000秒，但斐索却有办法量出来。他把一个快速旋转的齿轮放在光束经过的途中。当齿轮以固定速率旋转时，由两齿间通过的闪光被镜子反射回来会碰到下一个齿上，因此在轮子后面的斐索就无法看到反射回来的闪光了。当轮子逐渐加速旋转时，反射回来的闪光就不会被挡住而会通过另外两齿间的空隙（见图8-1）。如此，以这种控制和测量轮子转速的方法，斐索就可获得光来回经过的时间，从而计算出光速。结果，他测出的光速约为每秒315400公里（196000英里），比实际高约5.2%。
图8-1 斐索测定光速的装置。光被靠近光源的半透射镜反射，穿过高速旋转的齿轮的一个齿隙，到达远处的反射镜（图的右边），再反射到相邻的齿或齿隙
一年后，傅科（此时即将进行他的单摆实验，见第四章 ）以一面旋转的镜子代替齿轮，使测量的精确度再度提高。现在光所经过的时间是以快速旋转的镜子的反射角的少许改变而量得的。1862年，傅科所测得一次最好结果——光在空气中的速率是每秒297700公里（185000英里），比实际光速仅低0.7%。此外，傅科还利用他的方法来测定光在不同液体中的速率。他发现光在液体中的速率要比在空气中的光速小得多，这也与惠更斯的波动理论相符。
图8-2 傅科测定光速的方法。他利用旋转的镜子代替了斐索的齿轮，因而通过镜子旋转的角度即可求出光速
光速的测量由于迈克尔孙的努力而更趋精密。他从1879年起改进斐索和傅科的方法，经过了40多年，终于让光通过真空而不是空气（即使空气也会稍微减慢光速）。迈克尔孙用一根长达1.6公里并抽成真空的金属管，测得光在真空中的速度为每秒299710公里（186271英里），比实际光速只低了0.006%。他还证实各种不同波长的光在真空中的速度都是一样的。
1972年，埃文森所领导的实验小组，以更精密的方法测得光速为每秒299728.367公里（186282.3959英里）。一旦如此精确地知道了光速，用光或光的各种形式来测量距离就有可能了（即使对光速还没有如此精确测定时，也是可以这么做的）。①
雷达
假设有一个短的光脉冲向外传播，碰到了某个障碍物反射回来，被瞬间前的发射处接收到。若要满足这些条件，所需的是一种波动形式，这种波的低频能穿透雾、雨及云层，其高频则能有效地被反射。我们发现微波的波段最理想，波长介于0.5厘米～101.6厘米（0.2英寸～40英寸）之间。根据脉冲发射后经反射到接收的时间，就可以估计出与反射物体之间的距离。
很多物理学家曾致力于应用此原理的设备，但是苏格兰物理学家沃森-瓦特却是第一位使之实用的人。1935年，他已能利用微波的反射来追踪飞机，这套系统称为无线电探测与测距，按英文短句的字首缩略而成雷达（目前，世界上使用缩略语愈来愈普遍，特别是在科技方面）。
全世界开始知道雷达是在不列颠战役，当时英国人不论夜晚或云雾都能侦测出纳粹飞机的来袭。所以英国的胜利至少有雷达的一份功劳。
第二次世界大战后，雷达开始有许多和平用途。在天气预报方面，它能用来探测暴风雨。同时还揭开了被称做天使的神秘反射的面纱，原来这些“天使”并不是天上的使者，而是一群鸟，因此，现在雷达也用来研究鸟类的迁移。
而且，如第三章 所述，由金星和水星所得的雷达反射，使天文学对这些行星的运转有了更新的认识，特别是提供了金星表面性质的资料。
穿过空间的光波
虽然光的波动性质日渐明显，物理学家却仍为一个烦人的问题所困扰。光在真空中究竟是如何传播的呢？其他的波，比如声波，需有媒质才行。声波是由媒质的分子或原子前后振动来传播的，通过振动我们才能听到声音（在地球上，我们绝对听不到来自月球或太空的任何爆炸声，声音即使再大都没有用，因为声波无法通过真空的空间）。然而光的传播不需要媒质，甚至没有媒质更容易传播，而且可以从数十亿光年距离外的星系传到地球。而我们知道，太空中是没有媒质可波动的。
经典的科学家对“超距作用”总是感到困扰。举例来说，牛顿就对万有引力能透过空间施力感到烦恼。为了寻求可能的解释，他只好再次提出一个希腊式的想法，认为整个天空充满了以太，并推测万有引力是由以太以某种方式传播的。他避开光的问题，直接假设光是由高速运动的微粒所组成，但当光的波动论逐渐被证实时，他的这个构想就失败了。
为了说明光波能穿过太空，科学家们认定，光波同样必须借助所谓的以太才能传播。他们创造出传光（载光）以太这个名词。但这种说法立刻就陷入困境。光波是一种横波，它的波动与行进方向垂直，好像水面的涟漪；相反的，像声波之类的纵波是沿行进方向前后振动。现在的物理理论认为，只有固态媒质才能传播横波（水面的横波是一个特例，但它不能穿透液体本身）。因此以太必须是固态，既非液态又非气态——而且必须是非常刚硬的固体！要传播光这么快的速度的波，它必须比钢更具刚性。此外，刚性的以太还必须散布于日常的物质中——不仅充满真空，还要渗入气体、水、玻璃以及其他一切光线能穿过的透明物质。最重要的是，这种固态的超刚性的媒质必须是毫无摩擦而易于屈服的，以致它丝毫不干扰最小的小行星运动或是眼睑的眨动！
然而尽管以太这一概念带来很多困难，它似乎还是有用的。法拉第这位没有数学学历但极具智慧的科学家，提出了力线的概念（沿同一力线的磁场强度相同）。他把力线想象为是以太的弹性畸变，因此也用以太来解释磁现象。
在19世纪60年代，极为推崇法拉第的麦克斯韦，致力于以数学分析来说明力线。他导出了四个简单的方程，这些方程几乎描述了所有有关电和磁的现象，而且在1864年改进后，不但可描述电磁现象之间的关系，并证明电与磁是不可分的。哪里有一个电场，则在其垂直方向上必定也同时有一个磁场，反之亦然。事实上，只存在单一的电磁场（这就是对下一世纪的全部工作有极大影响的最初的统一场论）。
麦克斯韦在探讨方程的含义时，发现电场的改变必定引起磁场的改变，而磁场的改变又必定引起电场的改变，依此持续下去。这种交替变化使整个电磁场沿各个方向向外传播，结果产生了具有波形性质的辐射。简言之，麦克斯韦预言了与电磁场变化频率相同的电磁辐射的存在。
麦克斯韦甚至能够计算出电磁波的运动速率。他的做法是，求出方程中与电荷间的力及磁极间的力有关的某些对应值之比值，结果与光速完全相同。麦克斯韦认为这不仅仅是一个巧合。光是一种电磁辐射，此外还有比普通光的波长长得多或短得多的其他辐射，而所有这些辐射都与以太有关。
磁单极
然而，麦克斯韦方程留给我们一个至今尚未解决的难题。方程强调电磁现象是完全对称的：对其一符合的对另一个也必然符合。但在一个基本方面，二者似乎是有差别的，这种差别随着亚原子粒子的发现与研究更加令人困扰。带有正电荷或负电荷但不是同时带有两种电荷的粒子是存在的。因此，电子只带负电荷，而质子只带正电荷。同样的道理，难道粒子不能仅带北磁极或南磁极吗？然而，对于磁单极的寻找，长久以来都是徒劳无功的。每个物体——不论大小，是星系还是亚原子粒子——都同时带有北、南两个磁极。
1931年，用数学的方法研究这一问题的狄喇克断定，磁单极若存在（即使全宇宙仅存在一个），则所有的电荷必须正好是某个最小电荷的倍数——事实上确实如此。既然所有的电荷都正好是某个最小电荷倍数，那么磁单极为什么不能存在呢？
1974年，荷兰物理学家胡夫特和苏联物理学家波利亚柯夫各自从大统一理论推断出磁单极必定存在，并且它们的质量一定很大。虽然磁单极可能比质子还小，但它的质量却可能为质子的1016倍～1019倍。假如全挤入一个亚原子粒子内，它的质量将和细菌差不多。
这种粒子只有在大爆炸时才可能产生，此后再没有一种足够大的富集能量来形成磁单极。这些巨大的粒子可能以每秒240公里（150英里）运行，巨大的质量和微小的体积组合在一起，可以使磁单极穿越物质不留任何痕迹。这种性质可能就是磁单极迄今尚未被探测到的原因！
然而假如磁单极穿过一线圈，它就会使线圈产生瞬间的电流脉冲（这是法拉第首先演示的有名现象，见第五章 ）。假如线圈放在常温中，脉冲闪失太快无法测得。假如此线圈是超导的，那么只要温度足够低脉冲就能维持。
斯坦福大学的物理教授卡伯雷拉做了一个超导的铌线圈，并把它与杂散磁场完全隔离，然后等了4个月。在1982年2月14日下午1点53分时，线圈突然产生一股电流，几乎与磁单极通过时所产生的电流完全相同②。物理学家们正在设法建立能肯定这一发现的装置，要等到他们成功，我们才能说磁单极已被探测到了。
绝对运动
我们再回头看看那无往不克的以太理论，它终于在一项实验中惨遭失败。这项实验是为了证明另一个与超距作用一样困扰的问题——绝对运动而进行的。
19世纪时，事情已经很清楚，太阳、恒星以及宇宙中所有物体都在运动。那么，在哪里才能找到一个静止的参考点，一个能确定绝对运动（牛顿运动定律的基础）的绝对静止的参考点呢？其中有一种可能，牛顿曾提出，空间结构本身（可能是指以太）是静止的，因此人们可以说绝对空间。如果以太是静止不动的，也许人们可以从确定物体与以太的相对运动来找到物体的绝对运动。
19世纪80年代，迈克尔孙提出一个精妙的构想来看到底是否如此。他推理说，若地球真是穿过静止的以太运动，那么一束光沿其运动方向射出再反射回来通过的距离，应比垂直运动方向射出再反射回来为短。为了证实这一构想，迈克尔孙发明了“干涉仪”。这种装置有一面半透射镜，能使迎面射来的光束一半透过，另一半呈直角反射出去。然后再用两面镜子将这两束光反射到光源旁边的目镜中。如果一束光运行的距离比另一束稍长，到达目镜时就会有相位差而形成干涉带（见图8-3）。这个仪器对长度差的测量极为灵敏——事实上灵敏到能测量出植物每一秒钟生长多少，甚至能测出连最大的望远镜看去也仅为一些无线度点的星球的直径。
图8-3 迈克尔孙干涉仪。一面半透射镜（图中央）将光束分为两半，一半被镜面反射，一半穿过镜面一直向前。如果两面反射镜（右边和正前方）反射的光束所行的距离有差别，那么两束反射回来的光到达观察者处就反相位
迈克尔孙的计划是，让干涉仪相对于地球的运动指向不同的方向，再根据分开的光束与反射回来的光束反相位的多少，来检验以太的效应。
1887年，在美国化学家莫利的协助下，迈克尔孙做了一套特别精巧的实验设备。他们把仪器安置在浮于水银面上的石板上，因而仪器能够朝任何方向平滑地随意转动，然后朝着与地球运动不同的各个方向投射光束。结果发现竟然没有任何不同！不论迈克尔孙和莫利把仪器指向什么方向，也不论他们做多少次实验，干涉带都不改变（这里要说明的是，近来人们以同的方法用更精密的仪器进行实验，仍然得到相同的否定结果）。
物理学的基础动摇了。或是以太随地球一起运动，这是毫无意义的；或是也许根本就没有以太这种东西。不管是哪一种情况，绝对运动或绝对空间都不存在。于是牛顿的物理学失去了根基。但在通常的世界里，牛顿物理学仍然适用：行星仍按万有引力定律运动，地球上物体的运动仍然遵循他的惯性定律以及作用与反作用定律。只是他的经典理论不完整，而物理学家也要准备发现与经典“定律”相违背的现象。不论是新观察到的还是以前所观察到的现象，都是不会变的，但是用来解释这些现象的理论却需要扩展和改进。
迈克尔孙-莫利实验可能是整个科学史上最重要的一次“不能证实”的实验。迈克尔孙于1907年获得诺贝尔物理学奖——第一位美国人得到诺贝尔奖，虽然得奖并不特别是因为这个实验的关系。
相对论
洛伦兹-斐兹杰惹方程
1893年，爱尔兰物理学家斐兹杰惹提出一个新奇的解释，说明为什么迈克尔孙-莫利实验会得到否定的结果。他指出所有物体都会沿运动方向收缩，同时收缩量随运动速度而增加。根据这样的描述，干涉仪会在地球的“真正运动方向”上变短，其量恰足以弥补光束运动距离的差距。此外，包括人类感官在内的所有测量器具都有同样的“缩小”现象，因此，假如我们与物体一同运动，就无法测出缩小现象了。斐兹杰惹的见解令人觉得大自然好像为了不让我们测量绝对运动，故意产生一种效应，抵消我们可能用来探测绝对运动的一切差值。
这种恼人的现象被称为斐兹杰惹收缩。斐兹杰惹并由此导出一个方程。一个以每秒11.26公里（7英里）速度飞行的物体（现在最快的火箭大约就是这个速度），在飞行方向上的收缩比约仅为2/108。但是，在真正的高速时，收缩量就相当可观了。每秒150000公里（93000英里）时（光速的一半），收缩量是15%；每秒260000公里（163000英里）时（光速的7/8），收缩量是50%：也就是说，0.3048米（1英尺）长的直尺若以每秒260000公里的速度通过，我们会觉得它只有0.1524米（6英寸）长——前提是我们不随尺子运动以及我们知道尺子通过时如何测量。若在光速时，也就是每秒299784公里（186282英里），尺子在运动方向的长度为零。因为不可能有比零还小的长度，因此得到这样的结论，真空里的光速是宇宙中的最大可能速度。
荷兰物理学家H.A.洛伦兹随即把斐兹杰惹的想法更推进一步。根据当时所研究的阴极射线，洛伦兹推断，若是带电粒子的电荷被压缩到一个较小的体积中，该粒子的质量将增加。所以飞行粒子若是在运动方向有斐氏收缩所引起的缩短，质量就会增加。
H.A.洛伦兹提出一个质量增加的方程，结果与斐兹杰惹的长度缩短方程极为类似。每秒150000公里时，电子质量将增加15%；每秒260000公里时，增加100%（也就是说，质量将加倍）；若为光速时，质量为无限大。我们再一次发现要比光速更快是不可能的，怎么可能有比无限大还要大的质量呢？
斐兹杰惹的长度效应和H.A.洛伦兹的质量效应彼此关系是如此密切，以致他们导出的方程常被合称为洛伦兹-斐兹杰惹方程。
一个静止的观察者测量随速度而引起的质量改变要比测量长度改变容易得多。电子质量与电荷的比值可由它在磁场中的偏转来决定。电子的速度增加，质量也会增加，但是没有理由认为电荷也会增加；因此，电子的质量与电荷的比值应当增加，而其路径将偏转得少。1900年，德国物理学家考夫曼发现，这个比值随速度而增大的方式可以表明，电子质量的增加正好同洛伦兹-斐兹杰惹方程预测的一样。后来更精确的测量证实，两者是完全一致的。
在讨论光速为最大速度时，我们要记住，这是指光在真空中的速度（每秒299784公里），这是非常重要的。在透明媒质中，光运行得较慢。光在媒质中的速度是真空中速度除以该媒质的折射率（光束由真空中倾斜地进入媒质时折射程度的一种量度）。
在水中，折射率约为1.3，光速就是299784除以1.3，也就是约为每秒230603公里。在玻璃中（折射率约为1.5），光速为每秒199856公里；而在钻石中（折射率2.4），光速只有每秒124910公里。
辐射与普朗克的量子论
亚原子粒子在某种透明媒质中的运动速度有可能大于光在该媒质中的速度（当然无法大于光在真空中的速度）。以此方式运动的粒子，会向后抛放浅蓝光的尾迹，如同超音速飞机会向后抛放声波尾流一样。
这些辐射现象是由苏联物理学家切伦科夫于1934年观察到的。1937年，苏联物理学家I.M.夫兰克及塔姆提出了理论上的解释。这三个人于1958年因此分享了诺贝尔物理学奖。
人们为了探测切伦科夫辐射设计了粒子探测器，这种切伦科夫计数器特别适于研究高速粒子，例如构成宇宙射线的粒子。
正值物理学的基础因迈克尔孙-莫利的实验及斐兹杰惹的收缩现象而动摇不稳时，又发生了第二个爆炸性事件。这回令人头痛的问题是物质加热后所产生的辐射。虽然目前所谈的辐射形式皆为光，但科学家们称之为黑体辐射，就是说，他们在设想一种能完全吸收所有的光的理想物体——像黑色物体一样完全不反射光，反过来，也会理想地放出波长范围宽广的辐射。奥地利物理学家斯忒藩在1879年证实，一个物体发射的总辐射仅与其温度有关（与物质特性无关），而且，在理想状态下，总辐射与其绝对温度的四次方成正比；换句话说，绝对温度加倍将使总辐射增大为2×2×2×2倍或16倍（斯忒藩定律）。同时还知道，随着温度的增加，主要的辐射会向较短波长移动。比方说，假如我们加热一块金属，最初放射的主要为不可见的红外线，加热后是暗红色光，再后是鲜红色、橙黄色、黄白色，最后，若是保持不被蒸发，发出的将是青白色的光。
1893年，德国物理学家维恩研究得出一种理论，以数学方法表示黑体辐射的能量分布——即每个特定波长范围释放的能量分布。这个理论提供了一道公式，能把光谱中紫光区域的能量分布描述得很精确，但对红光区域却不佳。维恩由于对热的研究的殊多贡献，而于1911年得到了诺贝尔物理学奖。在另一方面，英国物理学家瑞利勋爵和金斯也导出一道方程。这个方程能适于红光区域的能量分布，但在紫光区域却完全无效。简言之，到现在为止最好的理论只能解释光谱的一半或另一半，但无法完全解释。
德国物理学家普朗克解决了这个间题。他发现，若要让方程与事实相符，必须引用一个全新的观点。他认为辐射是由许多小单位所组成，正如同物质是由原子所组成一样。他把这种辐射的单位称为量子（拉丁原文意指“有多少？”）。普朗克主张，辐射仅能以整数的量子来吸收。此外他还主张，量子的能量由其波长所决定，波长愈短，量子的能量愈大。换句话说，量子的能量与波长成反比。
现在可以把量子和某种辐射的频率（每秒中发射的波数）直接联系起来了。辐射频率和量子能量一样都与辐射的波长成反比。波长愈短，一秒钟内发射的波数愈多。若频率与量子能量皆与波长成反比，那么频率与量子能量将互成正比了。普朗克将这种关系用一方程来表示（此方程现在极为有名）：
e=hv
符号e代表量子能量；ν（希腊字母nu）代表频率；h是普朗克常数。这样就把量子能量与频率的比例关系表示出来了。
h的数值极小，量子也是极小的。辐射的单位小到让人觉得光是连续的，如同日常物质看起来是连续的一般。但在20世纪初，辐射遭到和物质在19世纪初同样的命运：现在人们才承认它们是不连续的。
普朗克的量子论澄清了温度与辐射波长的关系。紫光的量子能量为红光量子的两倍，因此，产生紫光量子自然要比产生红光量子需要更多的热量。根据量子理论推导出来的方程，能够十分精确地解释光谱两端的黑体辐射。
后来普朗克的量子论发挥了更大的作用：它能说明原子、原子内的电子、原子核内的中子等粒子的行为。现在，我们常把量子论之前的物理学称为经典物理学，而把量子论之后的物理学称为现代物理学。普朗克于1918年获得诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦的粒波理论
当普朗克于1900年首次发表他的理论时，并未使物理学家留下深刻的印象。因为这个理论太革新了，人们一下子接受不了。普朗克本人似乎也被自己的发现所震惊。但事隔五年，一位年轻的德国出生的瑞士物理学家爱因斯坦证实了量子的存在。
德国物理学家P.勒纳曾发现，当光撞击某些金属时，会使金属表面放出电子，好像是光的力量把电子从金属表面给赶了出来。P.勒纳将此现象命名为光电效应，并因此项发现于1905年荣获诺贝尔物理学奖。当物理学家们也从事这个实验时，他们惊奇地发现，增加光束强度并不会使被赶出来的电子增加任何能量。但改变波长就有影响了。比方说，蓝光就比黄光更能使被赶出来的电子速率更快些。一束微弱的蓝光确实比一束强烈的黄光赶出来的电子少，但蓝光赶出的电子却总是比黄光赶出的电子速率大。此外，不管是多强烈的红光，对某些金属就是无法把电子赶出来。
所有这些现象都不能用原有的光学理论来解释。为什么蓝光能做的事情，红光却不能？
爱因斯坦从普朗克的量子理论中找到了答案。电子要想吸收足够能量来脱离金属表面的话，撞击它的量子要有某个特定的极小量值。若原子吸持电子的能力很弱（如在艳金属中），红光的量子就够了。若原子吸持电子的能力较强，将需要黄光或蓝光，甚至紫外线。不管是哪一种情况，量子能量愈大，赶出来的电子速度就愈大。
在此，量子理论轻而易举地解释了一种物理现象；而量子理论以前的光学理论却无能为力。量子力学在其他应用上也日益突出，欣欣向荣。爱因斯坦由于对光电效应的解释（不是因为相对论），于1921年获得诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦于1905年提出狭义相对论。这是他在瑞士专利局担任检验员期间利用业余时间研究出来的。他发展了量子理论，提出一个新的宇宙基本观点。他认为光是以量子的形式在空间运行（光的基本单位光子这个词是康普顿于1928年提出的）。于是，光由粒子组成的概念又复活了。但这是一种新的粒子：它兼具波动与粒子的性质，有时表现出波动特性，有时则表现出粒子特性。
这种说法曾经被认为是一种谬说，甚至被认为是一种玄想，好像光的真正性质是完全不可能理解的。事实完全相反，让我举个类似的情形吧：一个男人也有其多面性——丈夫、父亲、朋友、商人，只是看在哪一种情况下罢了。你总不能希望他以父亲的举止来对待顾客，或以商人的举止来对待妻子，而事实上他既不是矛盾体，也不是两个人。
同样的道理，辐射兼具微粒与波动的性质。在某些方面，微粒性质特别明显，在另一些方面，波动性质又特别明显。约在1930年时，玻尔率先提出一项理论，认为测量辐射波动性质的实验绝对无法用来探试其粒子性质，反之亦然。一次只能处理一个问题，无法二者兼顾。他称此为互补原理。这种双重性质比任何一种单一性质更能令人满意地解释辐射。
光的波动性质的发现带来了19世纪所有光学上的成就，其中包括光谱学。但它也迫使物理学家设想出以太的存在。现在爱因斯坦的粒波观点保住了19世纪的全部成就（包括麦克斯韦方程），却不必假设以太的存在了。我们可把辐射能穿过真空归因于其粒子性，于是已被迈克尔孙-莫利实验否定的以太的观点现在可以被埋葬了。
爱因斯坦在他的狭义相对论中还提出了另一个重要的观念：不论光源的运动如何，真空中的光速恒定不变。在当初牛顿的宇宙观中，向着观察者移动的光束看来应比向任何其他方向移动的光束速度要快。而在爱因斯坦的观点中，这是不可能发生的，他并借此假设导出了洛伦兹-斐兹杰惹方程。他证明，H.A.洛伦兹只用于带电粒子的质量随速度而增加的理论，能适用于任何其他物体。爱因斯坦还推论，速度的增加不仅会使长度收缩与质量增加，还能把时间变慢，换句话说，随着直尺的缩短，时钟也会走得慢些。
相对论
爱因斯坦理论的基本点就是否定绝对时间与绝对空间的存在。下面的问题听起来似乎是在说胡话：假如没有一个起点，人类怎样了解宇宙万物呢？爱因斯坦的回答是：只要选择一个参考系，把它同宇宙的事件联系起来就行了。任何参考系（好比说，假设地球、太阳或者我们本身是静止的）都同样有效，我们可以选择最方便的一个。以太阳静止为参考系来计算星球的运行，较以地球静止为参考系要方便，但这并不表示这样做更准确。
因此，时间与空间的测量只是“相对”于某一任意选择的参考系而言——这也是爱因斯坦的理论称为相对论的原因。
为了便于说明，假设我们在地球上要观察某一奇怪的行星（X行星），大小和质量与地球相同，以每秒262300公里（163000英里）相对于地球的速度从我们面前呼啸而过。在冲过的瞬间若是能测量到它的大小，将发现它在运动方向上收缩了50%。它会是一个椭球而非圆球，同时，再经测量，质量将为地球的2倍。
但对X行星上的人来说，似乎他自己的星球是静止的，地球却以每秒262300公里的速度从他的面前冲过，地球会呈椭球形并且质量是他所在行星的2倍。
我们会问，到底是哪一个行星收缩并质量加倍？惟一的答案是，看参考系而定。假如你觉得这样回答不好理解，那么，请你想一想：人比鲸鱼小得多却又比甲虫大得多，要问人到底是大还是小，就要看你是从哪一点来提问了。
由于这些不寻常的结论，相对论对宇宙中所有已知现象解释起来至少与以前的理论一样好。但它却更为深入：用牛顿观点难以解释甚至无法解释的现象，用相对论就很容易解释。因此，人们一直认为，与其说爱因斯坦学说取代了牛顿学说，不如说是改进了牛顿学说。牛顿的宇宙观仍然可以作为一种简化了的近似方法。它在日常生活中甚至于在普通天文学上仍非常适用，如将人造卫星送人轨道。但是在同步加速器中，加速粒子时，我们就必须考虑爱因斯坦的质量随速度而增加的观念，才能使加速器运转。
时间-空间及时钟的佯谬
爱因斯坦的宇宙观把时间与空间如此紧密地结合在一起，使得任一独立概念都变得毫无意义。宇宙是四维的，时间是其中之一维（但性质与通常空间的维长、宽、高不同），这种四维融合常被称为时－空。这个说法是由爱因斯坦的一位老师于1907年首次提出的，他就是H.明科夫斯基，一位俄国血统的德国数学家。
虽然相对论的奇妙提法适用于时间和空间，但爱因斯坦认为时钟会变慢这件事至今在物理学家中仍颇有争议。爱因斯坦认为，运动中的时钟比静止的走得要慢。事实上，所有随时间变化的现象在运动中都比在静止中进行得慢，好像时间变慢了一样。在普通的速率上这种影响根本看不到，但若速率为每秒262300公里，在观察时钟飞过的人看来，时钟看上去走了2秒，才滴答过去1秒。若以光速运行，时间就静止了。
时间效应比长度和质量的效应更使人困扰。物体长度缩短一半再回到原状，或先加倍质量再回到正常状态，我们都无法观察到那瞬间变化的痕迹，所以反对这个说法的也没必要再吵了。
但是时间却是可以累积的。假如X行星上的时钟因高速使它1小时内只走了30分钟，然后让时钟静止，时钟将恢复正常的速率，但表示的时间还是慢了30分钟！那么好吧，如果两艘船相互通过，每条船都觉得对方以每秒262300公里速率运行，对方的钟表会走慢一半，当两艘船再度相会时，船上的人都认为对方船上的钟表要比自己的慢半小时。但两个钟表不可能一个比另一个慢。到底会发生什么情况呢？这个问题就称为时钟佯谬。
事实上，这根本就不是一个佯谬。假如一艘船从另一艘旁飞驰而过，船员们都断言对方的钟表走慢了，但哪一方的钟表“真正”慢了并不要紧，因为这两艘船将永久分开了。我们无法把它们的钟表在同一时间拿到同一地点来校对，这样佯谬就不会发生了。事实上，爱因斯坦的狭义相对论也只能应用于匀速运动，所以我们所说的只能是永久的分开。
假设两艘船互相闪过之后真的又回到一起，因而能够校对时钟。为了发生这一情形，必须增加一些新的因素。譬如至少有一条船要加速。假如B船这样做，那末先要减速，然后绕一个大圈子，把船头掉过来，对着A船方向加速行驶，追上A船。当然，B船可以选取参考系，认为它自己是静止的，于是，A船做所有的相应改变，往后加速向B船靠近。如果对宇宙来说只有这两艘船，则对称性的确会使时钟保持佯谬。
但是对宇宙来说并不是只有A船和B船——这就破坏了对称性。当B船加速时，不仅是对A船加速，而且也是对宇宙的所有其他物体加速。如果B船选择参考系时把自己看成是静止的，那么它必须考虑，不仅A船，而且毫无例外的所有的星系都相对B船本身加速。简言之，正是B船成了宇宙的对立面。在这种情形下，B船上的的时钟最后慢了半小时，而不是A船上的时钟。
这个现象会影响星际旅行的观念。假如宇航员离开地球后加速到接近光速，他们的时间流逝的速率比我们的慢得多。当到达遥远的目的地再回来时，对他们来讲只是数周时间，但在地球上也许已过了好几个世纪了。假如时间真随运动而减慢，人们可以在有生之年到远方的星球去旅行，但却必须和自己那一代的人及他所知道的世界说声再见，因为他回来时已是另一个未来的世界了。
