在網上隨意瀏覽時，當你打開任何一篇科普類文章的時候，似乎總能夠在下面的評論中找到一堆「天下無敵「得民科。
所謂民科，便是自稱民間科學愛好者的一類群體的簡稱，但又區別於廣義上的科學愛好者和非官方科學家，本質是夢想著不需要學習，只憑藉胡思亂想就推翻科學大廈的「妄人科學家」。自我標榜「民間」是他們認為「官方」都是錯的，只有他們才是真正熱愛科學的。 民科並非指「來自民間的」，大學教授也可能是民科，鑑別民科的關鍵在於有無科學精神，也就是「拿證據來證明』的精神，而不是說空話的精神，站隊的精神，煽情的精神。」
好了，對於民科的討論我們暫時告一段落，以後再談。
不過，對於大部分那個時代的人而言，你們對近代物理學的了解，可能和民科真的不相上下。唯一的區別就只有你們能夠理性地對待科學而已。
先別急，我說的到底是不是實話，等您看完這篇文章就知道了。
PART 1
從有序到無序
萬有引力是怎麼發現的？
有點常識的人都知道，是牛頓被蘋果砸了之後嘎嘣一下想出來的唄。
妥妥的民科思想。
正常人要怎麼「砰」的一下就想出這麼個複雜的式子？
事實上，牛頓根本就沒被蘋果砸過。
而萬有引力定律也不是憑空想像出來的，它的前身是克卜勒三定律。
這個萬有引力定律可不得了啊，在宇宙中，由於天體質量的龐大與相隔距離的遙遠，作為四大基本力之一的長程力引力成為了霸主。
也就是說，計算宇宙中天體的相互作用力時，你完全可以只考慮引力。相對於地球上複雜的情況，這簡直就是天堂般的環境。
其中最為著名的一件事，就是1846年海王星的發現。
海王星在1846年9月23日被發現，是唯一利用數學預測而非有計劃的觀測發現的行星。天文學家利用天王星軌道的攝動推測出海王星的存在與可能的位置，因此，海王星也被稱為「筆尖上的行星」。迄今只有美國的旅行者2號探測器曾經在1989年8月25日拜訪過海王星。
由於海王星是第一顆依靠純計算發現的行星，這在當時大大助長了機械決定論的風頭。一時之間，「人的命運在出生時就早已決定」等奇葩言論在民間混得風生水起。
科普：機械決定論
機械決定論又稱「形上學決定論」。指在古典力學基礎上建立起來的盛行於17—18世紀西歐的一種只承認自然界的因果性、必然性、客觀規律性，否認人的主觀能動性和偶然性的一種形上學觀點，其代表人物為牛頓、拉普拉斯、斯賓諾莎、霍爾巴赫等人。它發端於17世紀的法國，其時哲學家笛卡爾就提出了「動物是機器」的觀點。牛頓力學創立後，認為一個系統的初始條件一旦簡單的確定後，此後的運動都是必然確定的了，它可以不考慮初始條件的複雜性和隨機性。在此基礎上，機械決定論者提出，牛頓力學規律是自然界唯一正確的客觀規律，一切現象在本質上都是力學現象，人和動物都是按力學規律的機制組合起來的機器。這一思想承認了自然規律的客觀性，反對了上帝造世說，反對了宗教神學，因此在人類發展史上發揮過重大作用。
但是，機械決定論只承認必然性，否認偶然性；只承認客觀規律性，否認人的主觀能動性；視機械運動為唯一的因果關係而不懂得因果聯繫的多樣性、複雜性；不懂得因果聯繫、必然性和偶然性的區別和聯繫，認為世界上的一切現象都是由必然的原因決定的；把必然性等同於有原因，把偶然性等同於無原因，把必然性絕對化，視承認偶然性為非決定論。這是機械決定論的根本錯誤。它發展的必然結局就是宿命論，因而無法徹底地貫徹唯物主義決定論。18世紀中葉後康德在《自然通史和天體論》中批判了這種觀點。19世紀以後，隨著自然科學的發展和辯證唯物主義的出現機械決定論開始走向衰亡。
看見沒，延續了4000多年的宗教就這麼被蘋果打敗了。
但很快，人們就發現，牛頓的經典力學體系在很多情況下都是不適用的。
舉個例子：
在遙遠的太空中，有一顆孤單的恆星。由於沒有其他力的作用，它靜靜地呆在那裡一動不動。
突然，第二顆恆星出現了，於是在相互間的引力作用下，它們開始做圓周運動。
然後，第三顆恆星出現了。
…………
沒了。
牛頓的經典力學體系就到這裡了。
現在已知，三體問題不能精確求解，即無法預測所有三體問題的數學情景，只有幾種特殊情況已研究。
也就是說，除了特殊的幾種情況外，三體運動無解。
連三體運動都沒辦法預測，就更別說複雜的自然界了。
於是，機械決定論不攻自破，混沌學登上了歷史的舞臺。
科普：混沌學
混沌學（英文：Chaos）在科學上，如果一個系統的演變過程對初態非常敏感，人們就稱它為混沌系統。研究混沌運動的一門新學科，叫作混沌學。混沌學發現，出現混沌運動這種奇特現象，就是由系統內部的非線性因素引起的。
而最為著名的混沌理論，就是蝴蝶效應了。
1972年12月29日，美國麻省理工學院教授、混沌學開創人之一E.N.洛倫茲在美國科學發展學會第139次會議上發表了題為《蝴蝶效應》的論文，提出一個貌似荒謬的論斷：在巴西一隻蝴蝶翅膀的拍打能在美國德克薩斯州產生一個龍捲風，並由此提出了天氣的不可準確預報性。時至今日，這一論斷仍為人津津樂道，更重要的是，它激發了人們對混沌學的濃厚興趣。今天，伴隨計算機等技術的飛速進步，混沌學已發展成為一門影響深遠、發展迅速的前沿科學。
蝴蝶效應是混沌學理論中的一個概念。它是指對初始條件敏感性的一種依賴現象：輸入端微小的差別會迅速放大到輸出端，蝴蝶效應在經濟生活中比比皆是。
「蝴蝶效應」也可稱「撞球效應」，它是「混沌性系統」對初值極為敏感的形象化術語，也是非線性系統在一定條件（可稱為「臨界性條件」或「閾值條件」）出現混沌現象的直接原因。
混沌不是偶然的、個別的事件，而是普遍存在於宇宙間各種各樣的宏觀及微觀系統的，萬事萬物，莫不混沌。混沌也不是獨立存在的科學，它與其它各門科學互相促進、互相依靠，由此派生出許多交叉學科，如混沌氣象學、混沌經濟學、混沌數學等。混沌學不僅極具研究價值，而且有現實應用價值，能直接或間接創造財富。
看到這裡，你可能會想，這些東西我都知道啊，這有啥奇葩的？
英國著名物理學家開爾文在一篇瞻望20世紀物理學的文章中就曾談到：「在已經基本建成的科學大廈中，後輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了，也就是在測量數據的小數點後面添加幾位有效數字而已。」
你看看這flag立的，太標準了啊。
果然，話音未落，現實就開始啪啪打臉。
廣義相對論的提出，否定了牛頓的經典時空觀。
而另一方面，量子力學的出現，則揭示了經典力學體系在微觀下的錯誤。
沒錯，本文的主題，現在才剛剛開始。
PART 2
無窮小與無窮大
1874年，慕尼黑大學迎來了一名新學生，他就是馬克斯·普朗克。
起先他主修的是數學，但是逐漸他的喜好便轉向了物理。
但是在19世紀中後期，經典物理學的大廈現已根本竣工了。
物理學家能做的頂多便是往這座光輝的物理殿堂掃掃塵土算了，再也不會有啥嚴峻理論被提出了。
當時普朗克地址的慕尼黑大學的一位老師就曾苦口婆心地勸誡普朗克：不要再研討物理了，這一行裡現已沒有任何時機留給年輕人了。
所以普朗克表明非常感動，然後拒絕了他，終究毅然地選擇了物理學。
看見沒，你現在不要覺得你學的東西沒有未來，後人寫文章的時候可能就要用到你的名字。
當然，做好禿頂的準備。（下圖為年少時的普朗克和中年時的普朗克）
習得學士學位後，普朗克轉學到柏林，在著名物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲和古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫以及數學家卡爾·魏爾施特拉斯手下學習。關於亥姆霍茲，普朗克曾這樣寫道：「他上課前從來不好好準備，講課時斷時續，經常出現計算錯誤，讓學生覺得他上課很無聊。」而關於基爾霍夫，普朗克寫道：「他講課仔細，但是單調乏味。」即便如此，普朗克還是很快與亥姆霍茲建立了真摯的友誼。普朗克主要從魯道夫·克勞修斯的講義中自學，並受到這位熱力學奠基人的重要影響，熱學理論成為了普朗克的工作領域。
1878年10月，普朗克在慕尼黑完成了教師資格考試。
1879年2月遞交了他的博士論文《關於熱力學第二定律》。
1880年6月以論文《各向同性物質在不同溫度下的平衡態》獲得大學任教資格。
19世紀末，人們用經典物理學解釋黑體輻射實驗的時候，出現了著名的所謂「紫外災難」。雖然瑞利（1842－1919）、金斯，J.H.（1877－1946）和維恩（1864－1928）分別提出了兩個公式，企圖弄清黑體輻射的規律，但是和實驗相比，瑞利-金斯公式只在低頻範圍符合，而維恩公式(維恩位移定律)只在高頻範圍符合。普朗克從1896年開始對熱輻射進行了系統的研究。他經過幾年艱苦努力，終於導出了一個和實驗相符的公式。
他於1900年10月下旬在《德國物理學會通報》上發表一篇只有三頁紙的論文，題目是《論維恩光譜方程的完善》，第一次提出了黑體輻射公式。12月14日，在德國物理學會的例會上，普朗克作了《論正常光譜中的能量分布》的報告。在這個報告中，他激動地闡述了自己最驚人的發現。他說，為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質輻射（或吸收）的能量不是連續地、而是一份一份地進行的，只能取某個最小數值的整數倍。這個最小數值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數值ε=hν。其中h，普朗克當時把它叫做基本作用量子，後來被命名為普朗克常數，它標誌著物理學從「經典幼蟲」變成「現代蝴蝶」。
等等，普朗克常量是個啥？
科普：普朗克常量
普朗克演講的內容是關於物體熱輻射的規律，即關於一定溫度的物體發出的熱輻射在不同頻率上的能量分布規律。普朗克對於這一問題的研究已有6個年頭了，今天他將公布自己關於熱輻射規律的最新研究結果。普朗克首先報告了他在兩個月前發現的輻射定律，這一定律與最新的實驗結果精確符合（後來人們稱此定律為普朗克定律）。然後，普朗克指出，為了推導出這一定律，必須假設在光波的發射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續的，或者說，物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量，能量值只能取某個最小能量元的整數倍。為此，普朗克還引入了一個新的自然常數 h = 6.626196×10^-34 J·s（即6.626196×10^-27erg·s，因為1erg=10^-7J）。這一假設後來被稱為能量量子化假設，其中最小能量元被稱為能量量子，而常數 h 被稱為普朗克常數。
打個比方，這個世界是由無數磚塊組成的，而最基本的磚就是普朗克常量。
等等，你可別騙我，組成世界最基本的粒子不是原子嗎？
你可能對原子有多大不太了解。
正常原子的直徑大概是10^-10m，也就是0.1納米。而一普朗克長度是10^-35m。
也就是說，一普朗克長度和一個原子相比，就和你和銀河系相比差不多。
在之前的觀念中，人們一直以為能量的變化是連續的。
比如我把手從左邊移到右邊，是連續移動過去的。
但實際上，你的手是一個間隔一個間隔的移動過去的，這個間隔就是普朗克長度。
這和物體由更小的粒子組成不一樣。因為即使你由原子構成，你的運動也是連續的。
而普朗克長度的發現，證明了這個世界是由間斷構成的。
Emmmmmmm
聽起來還不是太難理解。
先別急。
如果把量子力學比作數學的話，這個恆量就是1+1=2的程度。
不過我們先不說這個，因為另一項偉大的發明就要出現了。
PART 3
時間旅行
1905年，瑞士伯爾尼專利局的一個三級技術員發表了五篇文章。這五篇文章分別是：
《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》《分子大小的新測定》 《關於熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》 《論動體的電動力學》 《物體的慣性是否決定其內能》
很平淡無奇，對吧？
其中第一篇文章讓他獲得了諾貝爾物理學獎，剩下的四篇則在其他領域影響了後世。
這個小職員就是阿爾伯特·愛因斯坦。
這一年也因此被人們充滿敬意的稱為「愛因斯坦奇蹟年」。
讓我們來看看這五篇文章講了什麼。
《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》討論光量子以及光電效應《分子大小的新測定》推導出計算擴散速度的數學公式《關於熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》提供了原子確實存在的證明《論動體的電動力學》提出時空關係新理論，被稱為「狹義相對論」《物體的慣性是否決定其內能》建立在狹義相對論基礎上，表明質量和能量可互換，後來推出最著名的科學方程：E=mc2
先來看看第四篇文章。
1905年，愛因斯坦發表了關於狹義相對論的第一篇文章後（即《論動體的電動力學》），並沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學的權威人士普朗克注意到了他的文章，認為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美，正是由於普朗克的推動，相對論很快成為人們研究和討論的課題，愛因斯坦也受到了學術界的注意。
1907年，愛因斯坦聽從友人的建議，提交了那篇著名的論文申請聯邦工業大學的編外講師職位，但得到的答覆是論文無法理解。雖然在德國物理學界愛因斯坦已經很有名氣，但在瑞士，他卻得不到一個大學的教職，許多有名望的人開始為他鳴不平，1908年，愛因斯坦終於得到了編外講師的職位，並在第二年當上了副教授。1912年，愛因斯坦當上了教授，1913年，應普朗克之邀擔任新成立的威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學教授。
在此期間，愛因斯坦在考慮將已經建立的相對論推廣，對於他來說，有兩個問題使他不安。第一個是引力問題，狹義相對論對於力學、熱力學和電動力學的物理規律是正確的，但是它不能解釋引力問題。牛頓的引力理論是超距的，兩個物體之間的引力作用在瞬間傳遞，即以無窮大的速度傳遞，這與相對論依據的場的觀點和極限的光速衝突。第二個是非慣性系問題，狹義相對論與以前的物理學規律一樣，都只適用於慣性系。但事實上卻很難找到真正的慣性系。
從邏輯上說，一切自然規律不應該局限於慣性系，必須考慮非慣性系。狹義相對論很難解釋所謂的雙生子佯謬，該佯謬說的是，有一對孿生兄弟，哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行，根據相對論效應，高速運動的時鐘變慢，等哥哥回來，弟弟已經變得很老了，因為地球上已經經歷了幾十年。而按照相對性原理，飛船相對於地球高速運動，地球相對於飛船也高速運動，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應該年輕了。這個問題簡直沒法回答。實際上，狹義相對論只處理勻速直線運動，而哥哥要回來必須經過一個變速運動過程，這是相對論無法處理的。正在人們忙於理解相對狹義相對論時，愛因斯坦正在繼續完成廣義相對論。
1907年，愛因斯坦撰寫了關於狹義相對論的長篇文章《關於相對性原理和由此得出的結論》，在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理，此後，愛因斯坦關於等效原理的思想又不斷發展。他以慣性質量和引力質量成正比的自然規律作為等效原理的根據，提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照系。愛因斯坦並且提出了封閉箱的說法：在一封閉箱中的觀察者，不管用什麼方法也無法確定他究竟是靜止於一個引力場中，還是處在沒有引力場卻在作加速運動的空間中，這是解釋等效原理最常用的說法，而慣性質量與引力質量相等是等效原理一個自然的推論。
1915年11月，愛因斯坦先後向普魯士科學院提交了四篇論文，在這四篇論文中，他提出了新的看法，證明了水星近日點的進動，並給出了正確的引力場方程。至此，廣義相對論的基本問題都解決了，廣義相對論誕生了。
廣義相對論說了什麼？
這些你我不需要知道，因為我們看不懂。
我只說幾個簡單的推論。
1. 光速不變推論
在正常情況下你在一輛列車裡奔跑，列車的時速是100千米每小時，你的速度是10千米每小時，這時候列車外的人看你的速度就是110千米每小時。
但如果這時有一道光在車外，你看光的速度是多少呢？是光速減去110千米每小時嗎？
答案仍然是光速。
如果這輛列車以99%的光速行駛，窗外的光的速度是多少呢？
還是光速。
至於原理，我在這裡就不闡述了，簡單來說，與參照系的選取有關。因為在經典力學和相對論中，參照系的定義是不同的。
2.速度與質量
在牛頓的經典力學體系中，速度和質量是不會相互影響的。你跑的再快，你的體重也不會改變。
但在愛因斯坦的理論裡，你跑得越快，你的質量就會變得越大。
為什麼呢？
通俗的解釋的話，我們知道，在牛頓力學裡，物體的質量是一個固定的值，是物體最基本的屬性。
但是在相對論裡面物體的質量是會變化的，他會隨著物體速度的增加而增加，這樣當物體的速度越來越大的時候，物體的質量就也會越來越大，質量越大給物體加速所需要的力就越大。
相對論裡運動物體的質量公式是這樣的：
其中 u 表示物體的速度， m0 表示物體的靜止質量， c 代表光速。
我們注意到，如果物體的速度達到光速，式子的分母就會變成0，結果的值就會接近無窮。也就是說，宇宙中有靜止質量的物體都無法超過光速，否則它的質量會變得無窮大。
你可能會問了，那電影裡那些超光速飛船是怎麼實現的呢？
別急，還有第三個推論呢。
3.速度與時間
我們的常識告訴我們，時間與空間是互相獨立的兩個部分，互不影響，互不幹擾。
這似乎是天經地義的事，因此這種觀念也被稱為經典時空觀。
但你還記得光速不變推論嗎？
當你以29萬公裡每秒的速度飛行的時候，你測量一束光的速度，它仍然是光速。
但問題來了，在靜止的人看來這束光的速度就已經超過了光速。
但前面也說了，光速不可能超越，哪怕是光自己也不行。
也到底怎麼辦呢？
相對論告訴我們，這不是個悖論。
因為你的時間會變慢。
此時，你的一秒，就等於靜止的人的30秒。
光速比你快1萬公裡/秒，在你認為的一秒鐘裡，別人已經過了30秒，所以你測量的速度是(30個靜止人的秒)*1萬公裡/(你的1秒),測量結果仍然是30萬公裡/秒。
同理，如果你更接近於光速，你的時間將會變得更慢，因此你認然認為光速是30萬公裡/秒。
設想一下，人類研製出了可以以光速的99.99999999……（很多個9）%的速度飛行的飛船，開始了時空旅行。
那麼，飛船上的人覺得過了一個小時的時候，在靜止的人看來，他們可能已經走了幾百萬年。
你就是神仙，天上一日，地下一年。
當飛船到達目的地的時候，旅行者並沒有衰老。
但這個世界已經衰老了。
接受不了？
別急，後面說的東西，愛因斯坦也接受不了。
PART 4
上帝不會擲骰子
光是粒子還是波？你可能一下回答不出來。
沒關係，這世界上沒幾個人能回答出來。
事實上，這個問題引發了科學家們幾百年的爭吵。
那太長了，這次我們就不討論了。
你只要知道，在19世紀後期，波動說取得了巨大的勝利，而人們根據這些理論製造了電磁通訊等許多改變時代的技術，應用十分廣泛。
看起來光就是一種波了，對吧。
有的人不這麼想。
愛因斯坦就是其中之一。
還記得那幾篇文章嗎？
我們這次來看看第一篇。
《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》討論光量子以及光電效應。
在這篇文章中，愛因斯坦引進光量子（光子）的概念，並給出了光子的能量、動量與輻射的頻率和波長的關係，成功地解釋了光電效應。其後，他又提出固體的振動能量也是量子化的，從而解釋了低溫下固體比熱問題。
要知道，光的波動學說是沒法解釋光電效應的。
於是科學家們又吵了一架，就差打起來了。
在現在，我們知道，光既是一種高頻的電磁波，又是一種由稱為光粒子的基本粒子組成的粒子流。因此光同時具有粒子性與波動性，或者說光具有「波粒二象性」。光粒子（Photon）原稱光量子（light quantum），是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規範玻色子。光粒子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光粒子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子（如電子和夸克）相比，光粒子的靜止質量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光粒子具有波粒二象性：光粒子能夠表現出經典波的折射、幹涉、衍射等性質；而光粒子的粒子性則表現為和物質相互作用時不像經典的波那樣可以傳遞任意值的能量，光粒子只能傳遞量子化的能量，即： 這裡是普朗克常數，是光波的頻率。
還是那句話，不用看懂。
但我們得說一下波粒二象性。
科普：波粒二象性
波粒二象性（wave-particle duality）指的是所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術語來描述，也可以部分地用波的術語來描述。這意味著經典的有關「粒子」與「波」的概念失去了完全描述量子範圍內的物理行為的能力。愛因斯坦這樣描述這一現象：「好像有時我們必須用一套理論，有時候又必須用另一套理論來描述（這些粒子的行為），有時候又必須兩者都用。我們遇到了一類新的困難，這種困難迫使我們要藉助兩種互相矛盾的的觀點來描述現實，兩種觀點單獨是無法完全解釋光的現象的，但是合在一起便可以。」 波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一。
發展歷程：
惠更斯、牛頓
按照惠更斯原理，波的直線傳播與球面傳播。
較為完全的光理論最早是由克裡斯蒂安·惠更斯發展成型，他提出了一種光波動說。使用這理論，他能夠解釋光波如何因相互幹涉而形成波前，在波前的每一點可以認為是產生球面次波的點波源，而以後任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡。從他的原理，可以給出波的直線傳播與球面傳播的定性解釋，並且推導出反射定律與折射定律，但是他並不能解釋，為什麼當光波遇到邊緣、孔徑或狹縫時，會偏離直線傳播，即衍射效應。惠更斯假定次波只會朝前方傳播，而不會朝後方傳播。他並沒有解釋為什麼會發生這種物理行為。稍後，艾薩克·牛頓提出了光微粒說。他認為光是由非常奧妙的微粒組成，遵守運動定律。這可以合理解釋光的直線傳播和反射性質。但是，對於光的折射與衍射性質，牛頓的解釋並不很令人滿意，他遭遇到了較大的困難。
由於牛頓無與倫比的學術地位，他的粒子理論在一個多世紀內無人敢於挑戰，而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘。直到十九世紀初衍射現象被發現，光的波動理論才重新得到承認。而光的波動性與粒子性的爭論從未平息。 [3]
楊、菲涅爾、麥克斯韋、赫茲
在雙縫實驗裡，從光源傳播出來的相干光束，照射在一塊刻有兩條狹縫的不透明擋板 。在擋板的後面，擺設了攝影膠捲或某種偵測屏 ，用來紀錄到達 的任何位置 的光束。最右邊黑白相間的條紋，顯示出光束在偵測屏的幹涉圖樣。
十九世紀早期，託馬斯·楊和奧古斯丁·菲涅耳分別做出重大貢獻。託馬斯·楊完成的雙縫實驗顯示出，衍射光波遵守疊加原理，這是牛頓的光微粒說無法預測的一種波動行為。這實驗確切地證實了光的波動性質。奧古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理，在惠更斯原理的基礎上假定次波與次波之間會彼此發生幹涉，又假定次波的波幅與方向有關。惠更斯－菲涅耳原理能夠解釋光波的朝前方傳播與衍射現象。光波動說並沒有立刻取代光微粒說。但是，到了十九世紀中期，光波動說開始主導科學思潮，因為它能夠說明偏振現象的機制，這是光微粒說所不能夠的。
同世紀後期，詹姆斯·麥克斯韋將電磁學的理論加以整合，提出麥克斯韋方程組。這方程組能夠分析電磁學的種種現象。從這方程組，他推導出電磁波方程。應用電磁波方程計算獲得的電磁波波速等於做實驗測量到的光波速度。麥克斯韋於是猜測光波就是電磁波。電磁學和光學因此聯結成統一理論。1888年，海因裡希·赫茲做實驗發射並接收到麥克斯韋預言的電磁波，證實麥克斯韋的猜測正確無誤。從這時，光波動說開始被廣泛認可。 [3]
普朗克黑體輻射定律
1901年，馬克斯·普朗克發表了一份研究報告，他對於黑體在平衡狀況的發射光波頻譜的預測，完全符合實驗數據。在這份報告裡，他做出特別數學假說，將諧振子（組成黑體牆壁表面的原子）所發射或吸收的電磁輻射能量加以量子化，他稱呼這種離散能量為量子。
其中，h是離散能量， 是普朗克常數。
這就是著名的普朗克關係式。從普朗克的假說，普朗克推導出一條黑體能量分布定律，稱為普朗克黑體輻射定律。 [3]
愛因斯坦與光子
光電效應示意圖：來自左上方的光子衝撞到金屬表面，將電子逐出金屬表面，並且向右上方移去。
光電效應指的是，照射光束於金屬表面會使其發射出電子的效應，發射出的電子稱為光電子。為了產生光電效應，光頻率必須超過金屬物質的特徵頻率，稱為其「極限頻率」。舉例而言，照射輻照度很微弱的藍光束於鉀金屬表面，只要頻率大於其極限頻率，就能使其發射出光電子，但是無論輻照度多麼強烈的紅光束，一旦頻率小於鉀金屬的極限頻率，就無法促使發射出光電子。根據光波動說，光波的輻照度或波幅對應於所攜帶的能量，因而輻照度很強烈的光束一定能提供更多能量將電子逐出。然而事實與經典理論預期恰巧相反。
1905年，愛因斯坦對於光電效應給出解釋。他將光束描述為一群離散的量子，現稱為光子，而不是連續性波動。從普朗克黑體輻射定律，愛因斯坦推論，組成光束的每一個光子所擁有的能量 等於頻率 乘以一個常數，即普朗克常數，他提出了「愛因斯坦光電效應方程」，其中， Wo是逃逸電子的最大動能， 是逸出功。
假若光子的頻率大於物質的極限頻率，則這光子擁有足夠能量來克服逸出功，使得一個電子逃逸，造成光電效應。愛因斯坦的論述解釋了為什麼光電子的能量只與頻率有關，而與輻照度無關。雖然藍光的輻照度很微弱，只要頻率足夠高，則會產生一些高能量光子來促使束縛電子逃逸。儘管紅光的輻照度很強烈，由於頻率太低，無法給出任何高能量光子來促使束縛電子逃逸。
1916年，美國物理學者羅伯特·密立根做實驗證實了愛因斯坦關於光電效應的理論。從麥克斯韋方程組，無法推導出普朗克與愛因斯坦分別提出的這兩個非經典論述。物理學者被迫承認，除了波動性質以外，光也具有粒子性質。
既然光具有波粒二象性，應該也可以用波動概念來分析光電效應，完全不需用到光子的概念。1969年，威利斯·蘭姆與馬蘭·斯考立（Marlan Scully）應用在原子內部束縛電子的能級躍遷機制證明了這論述。 [3]
德布羅意與物質波
在光具有波粒二象性的啟發下，法國物理學家德布羅意（1892～1987）在1924年提出一個假說，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質子、中子，都具有波粒二象性。他把光子的動量與波長的關係式p=h/λ推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質量m 和速度v 的運動粒子也具有波動性，這種波的波長等於普朗克恆量h 跟粒子動量mv 的比，即λ= h/（mv）。這個關係式後來就叫做德布羅意公式。
三年後，通過兩個獨立的電子衍射實驗，德布羅意的方程被證實可以用來描述電子的量子行為。在阿伯丁大學，喬治·湯姆孫將電子束照射穿過薄金屬片，並且觀察到預測的幹涉樣式。在貝爾實驗室，柯林頓·戴維森和雷斯特·革末做實驗將低速電子入射於鎳晶體，取得電子的衍射圖樣，這結果符合理論預測。 [3]
海森堡不確定性原理
1927年，維爾納·海森堡提出海森堡不確定性原理。
海森堡原本解釋他的不確定性原理為測量動作的後果：準確地測量粒子的位置會攪擾其動量，反之亦然。他並且給出一個思想實驗為範例，即著名的海森堡顯微鏡實驗，來說明電子位置和動量的不確定性。這思想實驗關鍵地倚靠德布羅意假說為其論述。但是現今，物理學者認為，測量造成的攪擾只是其中一部分解釋，不確定性存在於粒子本身，是粒子內秉的性質，在測量動作之前就已存在。
實際而言，對於不確定原理的現代解釋，將尼爾斯·玻爾與海森堡主導提出的哥本哈根詮釋加以延伸，更甚倚賴於粒子的波動說：就如同研討傳播於細繩的波動在某時刻所處的準確位置是毫無意義的，粒子沒有完美準確的位置；同樣地，就如同研討傳播於細繩地脈波的波長是毫無意義地，粒子沒有完美準確的動量。此外，假設粒子的位置不確定性越小，則動量不確定性越大，反之亦然。 [3]
大尺寸物體的波動行為
自從物理學者演示出光子與電子具有波動性質之後，對於中子、質子也完成了很多類似實驗。在這些實驗裡，比較著名的是於1929年奧託·施特恩團隊完成的氫、氦粒子束衍射實驗，這實驗精彩地演示出原子和分子的波動性質。近期，關於原子、分子的類似實驗顯示出，更大尺寸、更複雜的粒子也具有波動性質，這在本段落會有詳細說明。
1970年代，物理學者使用中子幹涉儀（neutron interferometer）完成了一系列實驗，這些實驗強調引力與波粒二象性彼此之間的關係。中子是組成原子核的粒子之一，它貢獻出原子核的部分質量，由此，也貢獻出普通物質的部分質量。在中子幹涉儀裡，中子就好似量子波一樣，直接感受到引力的作用。因為萬物都會感受到引力的作用，包括光子在內（請參閱條目廣義相對論的實驗驗證），這是已知的事實，這實驗所獲得的結果並不令人驚訝。但是，帶質量費米子的量子波，處於引力場內，自我幹涉的現象，尚未被實驗證實。
1999年，維也納大學研究團隊觀察到C60 富勒烯的衍射富勒烯是相當大型與沉重的物體，原子為720 u，德布羅意波長為2.5 pm，而分子的直徑為1 nm，大約400倍大。2012年，這遠場衍射實驗被延伸實現於酞菁分子和比它更重的衍生物，這兩種分子分別是由58和114個原子組成。在這些實驗裡，幹涉圖樣的形成被實時計錄，敏感度達到單獨分子程度。
2003年，同樣維也納研究團隊演示出四苯基卟啉（tetraphenylporphyrin）的波動性。這是一種延伸達2 nm、質量為614 u的生物染料。在這實驗裡，他們使用的是一種近場塔爾博特-勞厄幹涉儀（Talbot Lau interferometer）。使用這種幹涉儀，他們又觀察到C60F48.的幹涉條紋，C60F48.是一種氟化巴基球，質量為1600 u，是由108 個原子組成。像C70富勒烯一類的大型分子具有恰當的複雜性來顯示量子幹涉與量子退相干，因此，物理學者能夠做實驗檢試物體在量子-經典界限附近的物理行為。2011年，對於質量為6910 u的分子做實驗成功展示出幹涉現象。2013年，實驗證實，質量超過10,000 u的分子也能發生幹涉現象。
在物理學裡，長度與質量之間存在有兩種基本關係。一種是廣義相對論關係，粒子的史瓦西半徑與質量成正比；另一種是量子力學關係，粒子的康普頓波長與質量成反比。
大致而言，康普頓波長是量子效應開始變得重要時的系統長度尺寸，粒子質量越大，則康普頓波長越短。史瓦西半徑是粒子變為黑洞時的其所有質量被拘束在內的圓球半徑，粒子越重，史瓦西半徑越大。當粒子的康普頓波長大約等於史瓦西半徑時，粒子的質量大約為普朗克質量，粒子的運動行為會強烈地受到量子引力影響。
普朗克質量為2.18*10^-8次方kg，超大於所有已知基本粒子的質量；普朗克長度為1.62*10^-35次方m，超小於核子尺寸。從理論而言，質量大於普朗克質量的物體是否擁有德布羅意波長這個問題不很清楚；從實驗而言，是無法達到的。這物體的康普頓波長會小於普朗克長度和史瓦茲半徑，在這尺寸，當今物理理論可能會失效，可能需要更廣義理論替代。
2009年，伊夫·庫德（Yves Couder）發布論文表示，宏觀油滴彈跳于振動表面可以用來模擬波粒二象性，毫米尺寸的油滴會生成周期性波動，對於這些油滴的相互作用會引起類量子現象，例如，雙縫幹涉、,不可預料的隧穿、軌道量子化、塞曼效應等等。
需要注意的是，上面的許多理論剛剛提出來的時候都是為了反駁量子力學的，最後卻都成為了支持它的例子。
還記得光從波變成粒子這回事嗎。
1923年路易·德布羅意（Louis de Broglie）在他的博士論文中提出光的粒子行為與粒子的波動行為應該是對應存在的。他將粒子的波長和動量聯繫起來：動量越大，波長越短。這是一個引人入勝的想法，但沒有人知道粒子的波動性意味著什麼，也不知道它與原子結構有何聯繫。然而德布羅意的假設是一個重要的前奏，很多事情就要發生了。
德布羅意的假設告訴我們，任何物體都具有波粒二象性。
而它的形態又和是否有觀察者有關。
打個比方，這是一個電子，你作為一個觀察者正在看著它。
這時候你把眼閉上了，它就不在那裡了，它變成了一個波。
電子可能在這個波的任何一個位置，但它到底在哪裡，我們不知道。
只有當你睜眼的時候，這個波函數會迅速坍縮，它又變成了一個電子。同時，它會出現在這個波的任何一個地方。
但它很有可能不在原來的地方了。
而這只是因為你眨了一下眼。
別想用攝像機拍下來，因為攝像機也是一個觀察者。真真正正的「看不見就不存在」。
是不是有點唯心主義？
而且世上萬物都具有這個性質。
也就是說，在你閉上眼的一瞬間，你面前的景物會從物質迅速變成一個波。
而當你睜眼時，它們又變了回來。
包括你自己。
那為什麼我的位置沒變呢？因為你太大了，越大的物體，他的德布羅意波長就越小。
當物體的長度大於2.18*10^-8次方時，德布羅意波長就可以忽略不計了。
大概是分子那麼大吧。
所以這個性質只對微觀粒子有用。
這個理論有個很著名的實驗就是光的雙縫衍射實驗。
有一個發射器，擋板和兩條細縫（只有一個粒子寬）
如果我們發射經典粒子的話，它們會在牆上留下這樣的圖案。
如果我們發射經典波的話，則會留下這樣的圖案。
但實際上，當我們發射一個粒子時，如果沒有觀察者，它會變成一個波。
但在碰到板子的一瞬間，粒子的狀態被確定下來。
這樣的話，我們得到的結果會是由粒子組成的波函數圖像。
現在我們添加一個觀察者。
粒子剛射出時，仍然是概率波的狀態。
但在經過觀察者時，波函數迅速坍縮，它又變回了一個粒子，並隨機通過了一條縫。
經過觀察者之後，它又變成了一個波。
到達擋板後，仍然變為一個粒子，但由於只從一條縫中通過，沒有產生波長相消，因此最終結果會變成經典粒子形態。
（以上圖片來自 toutestquantique.fr 的量子物理科普視頻）
這裡有一個需要注意的點就是在經過觀察者時，粒子會隨機從兩個縫中的一個穿過，因為這兩個點上波函數坍縮的概率相等。
因此你永遠不知道粒子會從哪個縫隙穿過，即使你把這個粒子朝著其中一個縫隙的方向發射。
愛因斯坦不相信這種無法解釋的事情，於是他說出了那句著名的名言：
上帝不會擲骰子。
不，別誤會，人家可沒有反對量子力學，別忘了，光量子可就是他提出來的。
至於這句話背後的含義，此為後話，按下不表。
PART 5
希格斯玻色子——理論學家的困難時期
看了這麼多，是不是覺得世界觀完全被顛覆了？
別忘了，這篇文章的標題可是近—代—物—理—學。
近代是什麼時候？
中國近代史可以分為兩個階段。第一個階段是從1840年鴉片戰爭到1919年五四運動前夕，是舊民主主義革命階段；第二個階段是從1919年五四運動到1949年中華人民共和國成立前夕，是新民主主義革命階段。
愛因斯坦發表廣義相對論的時候也不過是1915年而已。
這個時候中國在幹嘛？
這時的祖國還在飽受戰亂的摧殘。
也就是說，當歪果仁點滿了高級科技開始研究專屬技能的時候，我們的遊戲還沒下載完。
不過這都是過去的事了，現在我們國家的科技水平處於世界頂尖的位置。
畢竟我們人多，錢也多。
其實，相對論這玩意早就過時了。
那物理學家現在在研究什麼？
量子糾纏通訊與量子比特計算機；
光學拓撲絕緣體；
在超冷混合物中出現的磁單極子類似物；
還有一個叫做標準模型的東西。
科普：標準模型
在粒子物理學裡，標準模型（英語：Standard Model, SM）是一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。它隸屬量子場論的範疇，並與量子力學及狹義相對論相容。到目前為止，幾乎所有對以上三種力的實驗的結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是一套萬有理論，主要是因為它並沒有描述到引力。
打住。
這個東西不會講的。
2012年7月4日，科學家發現了標準模型的最後一種粒子——希格斯玻色子。
經過實驗驗證，該粒子的性質與標準模型預測的完全一致。
是不是覺得科學家會很高興？
不，他們氣炸了。
因為這套理論還不完整，例如，它沒有包括引力。
但科學家們對提出新的理論沒有任何思路。
本以為希格斯玻色子能出現點預料之外的性質，好為提出下一個更全面的理論提供線索。
結果呢？
這其中還有一個問題，物理界確實太久沒有新理論出現了。現代物理學的研究，似乎進入了一個死胡同。
悲觀的人甚至預言，人類已經發展到了物理學的盡頭。
但大多數人還是抱有樂觀態度，畢竟這種情況出現也不是一次兩次了。
在牛頓提出經典理論之前，人們不可能想出相對論；在愛因斯坦發現光量子之前，人們無法理解量子力學，在量子力學發展之前，標準模型沒有任何理論基礎。
科學的發展永遠不是一帆風順的。
但我們要堅信，科學永無盡頭。
終有一天，烏雲散去，陽光普照大地。
（全文完）