1905年,爱因斯坦在《论运动物体的电动力学》一文中系统地提出了后来被称为“狭义相对论”的理论。之所以叫“相对论”,是因为这个理论的出发点是两条基本假设,第一条是“相对性原理”,即在一切惯性系中物理规律都相同;第二条是真空中光速不变,不管在哪个惯性系中,测得的真空光速都相同。这两条假设是不矛盾的,在一切惯性系中,麦克斯韦方程组都相同,就必然在一切惯性系中有相同的真空中电磁波速即光速。狭义相对论摒弃了牛顿的绝对时空观,认为空间、时间与运动有关,得出了质量与能量的简单关系,以及关于高速运动物体的力学规律。这对随后发展粒子加速器技术是至关重要的。
1915年,爱因斯坦创立了广义相对论,从而弥补了经典力学的另一漏洞,即无法解释物体在强引力场中的行为。由牛顿定律计算出来的水星近日点的进动,要比天文观测值小。广义相对论是一种引力理论,认为引力是时空弯曲的结果,它非常好地解释了水星近日点的进动问题。广义相对论预言引力会引起光的频率变化,即引力频移。它同时预言光线在引力场中会弯曲。这些都被天文观察所证实。
广义相对论尽管取得了很大成功,但对地球上的问题很少有影响,同时它用到的数学太复杂,故普通物理学往往不予讨论。广义相对论引入物体的惯性质量和引力质量两个概念。惯性质量和引力质量,它们的值是相同的,在牛顿力学中对此仅加以承认,而无法解释。爱因斯坦基于这两种质量相等,提出了等效原理。承认等效原理,惯性质量和引力质量相等也就是自然的事了。事实上,大量实验证实,在一定精确度(比如10-9)内,二者确实是一样的。相对论使经典物理学达到登峰造极的境地。
1900年德国科学家普朗克提出能量子概念,1925—1926年海森伯和薛定谔最终建立了量子力学,解决了原子物理、光谱等基本问题,取得了巨大成功。
之后,量子力学有两个重要发展方向,一是将量子力学向更小(如原子以下的)尺度应用。原子的中心是原子核,原子核又是由中子、质子构成,因此进一步就是把量子力学用到原子核。原子核有各式各样的衰变,还可以人工蜕变,原子核物理学就是在量子力学指引下发展的。再进一步,就是现代所谓的基本粒子物理学,“基本”这两个字,常常只是在一段时间内被当作基本的。现在认为物质的基本构成单元是最微小的轻子、夸克、胶子和其他中间玻色子。
量子力学的另一个发展方向,就是把量子力学用于处理更大尺度上的问题,比如分子的问题(即量子化学问题)和固体物理或凝聚态物理的问题。从研究对象的尺度看,从固体物理到地球物理、行星物理,再到天体物理和宇宙物理,其研究范围越来越大。奇怪的是,宇宙的研究又和基本粒子的研究联系起来了,两个不同的发展方向,回环曲折,最后又归拢在一起了。
统一理论
在发展过程中,物理学逐步加深了对相互作用的认识。现在归结为四种基本相互作用:引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。引力和电磁相互作用是大家都熟悉的,而弱相互作用和强相互作用是短程的,基本上就是在原子核的尺度上表现出来。在大块物质里,一般来说,看不到弱相互作用与强相互作用的痕迹。
各种相互作用在强度上有差异,如果以强相互作用的强度为1的话,那么比强相互作用稍弱一点的是电磁相互作用,其值约为10-2;更弱一点的是弱相互作用,其值约为10-13~10-19;引力相互作用似乎日常生活都感觉到,但它是最弱的,仅为10-39。