电磁理论的发现
英国剑桥大学的世界知名数学家霍普金斯教授连续几天来都感到很烦躁：接连几次到图书馆去借数学期刊和专著，都被人借走了。这些书刊很艰深，学生是不会借的。问过同事，也都说没有借。最后问到图书管理员，才知道被一名叫做詹姆斯麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831～1879，伟大的英国物理学家，建立了电磁理论，将光、电、磁现象统一起来）的学生借走了。
霍普金斯由烦闷转为惊异，他要去见见这个学生。来到学生宿舍，科学家特有的直觉使霍普金斯对这位学生产生了浓厚的兴趣，他正埋头于作业，笔记本摊了一桌子，教授想借而没有借到的书刊展开在桌子上。
“小伙子，这些书不好啃呢，小心啃掉牙齿。”教授风趣地说。经过这次交谈，教授和学生成了忘年交。麦克斯韦的非凡才能引起了教授的重视。
1831年6月13日，詹姆斯麦克斯韦生于苏格兰古都爱丁堡。幼时随父乡居，在父亲的诱导下学习科学，不满10岁就随父到爱丁堡皇家科学院听演讲。9岁那年，母亲不幸得了重病，扔下小麦克斯韦撒手归西。从此以后，小麦克斯韦和父亲相依为命，度过了艰难困苦的少年时代。他自幼对数学、物理学产生了浓厚兴趣，尤其喜欢钻研数学。当麦克斯韦还不满15岁时，他写的一篇数学论文就发表在《爱丁堡皇家学会会报》上，并且获得了行家们的好评。这是一门数学和物理学相互交叉渗透的学科，运用数学理论来解决物理方面的问题。
麦克斯韦16岁时进入爱丁堡大学，3年后转入剑桥大学投师霍普金斯教授门下研习数学。霍普金斯教授是剑桥的著名科学家，他学识渊博，功底深厚，培养过不少世界知名的学者、科学家，在科学技术上有多方面成就的威廉汤姆逊（即著名的开氏温标的创始人开尔文勋爵）和著名数学家斯托克等人，都出自霍普金斯教授的门下。霍普金斯教授对麦克斯韦要求极其严格，对他进行了系统的训练。俗话说，名师出高徒。麦克斯韦的学习和科学研究进步很快，仅仅3年时间就掌握了当时欧洲所有先进的数学物理方法。
1854年以优异成绩毕业于该校三一学院数学系，留校任职两年。一次，他阅读了法拉第的《电学的实际研究》一书，读着读着就被书中的奥秘给迷住了。它记录了法拉第一生从事电磁学研究的全部实验结果，其中也包含了法拉第深邃的思考。
麦克斯韦受到这位电磁学先驱的深刻启示，日夜刻苦研读法拉第的著作，通过与法拉第著作的思想交流，麦克斯韦悟出了电磁力线思想的宝贵价值，同时也看到了法拉第定性表述电磁现象方面的弱点。初出茅庐的青年数学家麦克斯韦决心用数学定量表述来弥补这一缺陷。
1855年，24岁的麦克斯韦发表了学术论文《论法拉第的“力线”》。这是麦克斯韦第一篇关于电磁学理论方面的论文，麦克斯韦向电磁学理论的纵深领域挺进。
这年秋季，因公来到伦敦的麦克斯韦特意前来拜访法拉第，这是一次历史性的会见。年轻的物理学家恭敬地递上名片，连同他4年前发表的学术论文交给了仆人。过了一会儿，法拉第满脸笑容地走了出来。这时，这位电磁学实验大师已年届70岁，两鬓斑白，智慧的眼睛闪着和善的目光。虽然宾主二人年龄相差40多岁，在性情、爱好、志趣、特长等方面也迥然各异，但是在探索自然科学之谜上，他们却产生了共鸣。
法拉第和麦克斯韦一见如故，很快就亲切热烈地交谈起来。这对奇妙的一老一少，彼此堪称天造地设、相得益彰。法拉第快活、和蔼，麦克斯韦严肃、机智。老师待人如一团温暖的火，学生处事像一把锋利的剑。麦克斯韦说话不善辞令，但一针见血；法拉第演讲娓娓动听，却主题鲜明。一个不很懂数学，另一个则应付自如。
1856年，麦克斯韦到苏格兰阿伯丁的马里沙耳学院任自然哲学教授，两年后和院长的女儿K。M。杜瓦结婚。1860年向其母校爱丁堡大学申请自然哲学教授职位未成，同年秋季去伦敦任国王学院的自然哲学及天文学教授，并和M。法拉第时有往来。
麦克斯韦最大的功绩是建立了电磁理论，将光、电、磁现象统一起来。1864年12月8日，麦克斯韦在英国皇家学会的集会上宣读了题为《电磁场的动力学理论》的重要论文，在这篇论文中，他为他的力学模型，找到了明确的电磁学依据，对前人和他自己的工作进行了概括，位移电流作为和电荷守恒定律相容的一个前提。在此基础上提出了联系着电荷、电流和电场、磁场的基本微分方程组。他用一组方程表示电磁场的连续性，另一组方程表示电磁场变化及其相互影响，使电磁学以优美的数学形式表达出来。这一方程组经过后人的整理和改写，成为经典电动力学主要基础。
正是通过这样的数学推论，麦克斯韦预见了电磁波的存在：电磁场的变化以波的形式在空间传播。他还运用方程组推算出电磁波的速度和光速大体相同。
按照麦克斯韦的理论，电磁波在真空中的传播速度，是仅仅通过电磁学的测量就能确定下来的一个恒量。测量的结果表明这一恒量和真空中的光速十分接近。在这种量值符合性的启发下，麦克斯韦提出了光的电磁理论，即认为光是频率介于某一范围之内的电磁波。这是光的波动学说的一种新形式，它避免了旧的光学理论中一些根本性的困难，而且在很大范围内得到了实验的证实。因此，尽管新理论也还有它自己的困难，但是这种理论的提出却被认为是人类在认识光的本性方面的一大进步。正是在这样的意义上，人们才说麦克斯韦把光学和电磁学“统一”起来了。这一发展被认为是在19世纪科学史上最伟大的综合之一。
1865年他辞职回乡，专心治学和著述。1871年受聘为剑桥大学实验物理学教授，负责筹建该校的第一所物理学实验室——卡文迪许实验室，1874年建成后担任第一任主任。1873年，麦克斯韦出版了集电磁学大成的划时代著作《电磁学通论》，全面总结19世纪中叶以前对电磁学的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可与牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》相媲美的里程碑式的不朽名著。
由于这部著作一般人读不懂，而且十几年间一直没有人证实电磁波的存在，所以许多物理学家怀疑麦氏的理论。
1879年11月5日，麦克斯韦在剑桥逝世。他的功绩生前未受重视，直到1888年，即他逝世九年以后，物理学家赫兹通过一系列实验证实了电磁波的存在，人们开始惊羡麦克斯韦的天才预想。至此，由法拉第开创、麦克斯韦完成的电磁理论终于取得了决定性的胜利！
相对论的发现
一次不寻常的日全食观测
1919年5月29日，发生了人类历史上一次不寻常的日全食观测。
两支日食观测队，一支由天文学家爱丁顿带队，一支由天文学家克劳姆林带队，从英国出发，飘洋过海，分别来到了非洲西部的普林西比岛和南美的索布腊尔，他们严阵以待，等待着一个盼望了多年的庄严时刻的到来。
中午，太阳一点点被月亮遮住了，天渐渐暗了下来。天文学家们用早已准备好的精密照相设备，抓紧302秒的日全食机会，一张接着一张紧张地拍照。不过，他们不是像通常那样拍摄日食时太阳的日珥、日冕的照片，而是拍摄太阳及其附近星星的照片。
还在1911年，爱因斯坦根据相对论预言，由于太阳的引力场作用，星光在接近太阳表面时将发生偏转，1915年，他又更精确地把偏转角度更正为1.7秒角度。
怎样才能检验爱因斯坦的预言呢？白天，阳光照耀，看不见星星，夜晚，星星出来了，太阳又下山了，只有在日全食时，才有可能看到紧挨着太阳的星光。现在这个时刻来了。如果观测的结果真的像爱因斯坦预言的那样的话，那么200多年以前，伟大的科学家牛顿所提出的万有引力定律就必须修正了，难怪科学家们如此激动。
11月6日，英国皇家学会和皇家天文学会在伦敦举行联席会议，听取两支日食队的正式报告。他们的观测结果表明，星光在路过太阳附近时真的拐弯了，一个队的观测结果是偏转了1.61±0.30秒，另一个队的结果是偏转了1.98±0.12秒，与爱因斯坦的预言相当吻合。
整个会场沸腾了。英国皇家学会会长、电子的发现者汤姆孙致词，他说：“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一……这不是发现了一个孤岛，而是发现了新的科学思想的新大陆。”
这一评价毫不过分。爱因斯坦的相对论结束了牛顿经典物理学的统治，开创了现代物理学的新纪元。它从根本上改变了人们对空间、时间和宇宙的认识。相对论已成为现代物理学的两大基石之一，对现代科学的发展产生了巨大的影响。
爱因斯坦是怎样发现相对论的呢？
物理学上空的两朵乌云
19世纪末，在许多物理学家的眼中，物理学已发展到了登峰造极的地步，不会再有什么大的突破了。在迎来20世纪第一个春天时，久负盛名的物理学家、英国的开尔文爵士在他的《新年献辞》中就踌躇满志地宣布：“科学的大厦已经建成，后辈物理学家能做的仅仅是一些零星的修补工作”。
不过，开尔文毕竟是一位有眼力的科学家，他指出：“在物理学晴朗上空的远处，还存在两朵令人不安的小小乌云。”他所指的两朵乌云与当时用经典物理学无法解释的两个实验有关，一个是黑体辐射实验，一个是迈克耳逊——莫雷实验。
在开尔文的心目中，这两朵乌云很快就会散去，他完全没有料到，竟是这两朵小小的乌云酿成了物理学上的大革命，前一个促成了量子论的诞生，后一个迎来了相对论的问世。
提起迈克尔逊——莫雷实验，我们还要从寻找神秘的以太谈起。
以太这个词是古代希腊人创造的。他们认为天空和宇宙中充满着以太。随着元素说的兴起，以太说渐为人们所淡忘。
17世纪，法国科学家笛卡尔把以太这个词引到了物理学中。他认为宇宙空间充满着以太，物体之间的相互作用就是通过以太为媒介传递的。
光的波动学说的成功使以太说更加兴盛起来。声波要靠空气才能传播，水波要靠水来传播。太阳光穿过宇宙空间照到地球上也要靠媒质来传递，这个媒质就是以太。
法拉第和麦克斯韦建立的电磁理论中又一次引入了以太，电磁波要靠以太来传递。
那么以太究竟是什么样的呢？谁也没有见过。科学家们赋予了以太种种奇特的性质：它是无色、透明、静止的，充满整个宇宙空间；由于光波是一种横波，而只有固体媒质才能传播横波，因此以太必须是固态的；行星在以太中运行，没有受到任何影响，因此，以太是没有任何质量和摩擦阻力的……
这些性质本身就是相互矛盾的，看来以太简直是太玄了。可是科学家们仍然不愿意放弃以太，不仅因为它是光和电磁波传播的媒质，而且因为它是牛顿绝对空间的化身。
牛顿认为，存在一个与外界事物无关，永远相同和不动的绝对空间。宇宙万物包括太阳系、银河系等等都相对于这个绝对空间而运动。以太是静止的，充满了整个宇宙空间，它正是牛顿绝对空间的化身。
物理学家们做了种种实验和天文观测，想要验证以太的存在，并确定它的属性，但是都没有能够得到确切的结论。
迈克尔逊实验引起的风波
1879年3月，在美国航海历书局进行合作研究的美国年轻物理学家迈克尔逊偶然看到了麦克斯韦写来的一封信。信中提到的测量地球相对以太运动的想法给了他很大启示。迈克尔逊想出一个巧妙的办法来测定地球相对于以太的运动：既然地球绕着太阳以每秒约30公里的速度运转，那么朝地球运动的方向和与它垂直方向同时各射出一束光，从离光源相同距离的反射体反射回来，前者走过的路程将比后者短一些，两束光相遇应当形成干涉条纹。迈克尔逊用他发明的干涉仪做了多次实验，始终没有看到他预期的干涉条纹。
1887年，迈克尔逊在化学家莫雷的帮助下，进一步改进了实验装置，他们把干涉仪安装在一个很重的石板上，石板悬浮在水银液面上，仪器可以十分平滑地随意转动。这个仪器是那样灵敏，甚至可以测出植物每一分钟的生长量，一根条纹百分之一的移动变化。
实验开始了，为了免除种种可能因素造成的误差，他们使光束射出的方向与地球运动的方向成各种角度，在一年中的各个季节、白天和黑夜的不同时间进行了许多观测，结果每一次都没有出现干涉条纹，也就是说，地球相对于以太的运动是零。
实验的零结果公布后，在物理学界引起了震动，它表明了根本不存在以太。那么牛顿所说的绝对空间也不复存在，经典物理学面临着严重的危机。
为了拯救岌岌可危的以太，以支撑行将倒塌的经典物理学大厦，物理学家们提出了各种各样的假说。
爱尔兰物理学家斐兹杰惹提出了收缩说，认为当物体在以太中运动时，它的长度会在运动方向上发生收缩，这样迈克尔逊的仪器在指向地球方向时会缩短，正好抵消了互相垂直的两束光的光程差。
荷兰物理学家洛仑兹不仅提出了收缩论，还推导出了后来相对论中使用的基本公式洛仑兹变换公式。不过洛仑兹是以以太这一绝对空间的存在为前提，为了弥补旧理论和新的实验事实之间的裂纹，他不得人为地提出了好几个假设。
法国物理学家彭加勒更激进，他大声疾呼，应该建立一门崭新的力学，在这门力学中光速将成为一个不可逾越的障碍，物理定律对于洛仑兹变换应具有不变的形式。
这一切表明产生狭义相对论的历史条件已经成熟了。洛仑兹、彭加勒已经走到了相对论的大门口，但是由于他们没有摆脱牛顿绝对时空观的束缚，因而没能叩开相对论的大门。
1905年，一个默默无闻、既无名师指点，又不在专门研究机构工作的26岁的年青人打开了相对论的大门，他就是后来被人们誉为20世纪哥白尼、牛顿的伟大科学家爱因斯坦。
爱因斯坦为什么能战胜许多物理学界的前辈而捷足先登呢？让我们循着他的成长道路看一看吧。
另类学生
爱因斯坦于1879年3月14日诞生在德国南部的一个古老小城乌尔姆。他的父母都是犹太人，父亲和叔父一起开了一家小工厂。
爱因斯坦小时候不但不是一个神童，而且还被人看作是一个笨拙的、反应迟钝的孩子。他4岁才学会说话，小学时功课也不出色。有一次他的父亲问校长，这孩子长大应该选择什么职业，校长回答：“干什么都一样，反正他决不会有什么成就。”
爱因斯坦的叔叔是一个精明的工程师，曾把毕达哥拉斯定理（勾股定理）告诉爱因斯坦。12岁的爱因斯坦虽然从没学过几何，但他苦思冥想，竟然独立地把这个两千多年前哲人提出的定理证明出来了，他第一次尝到了发现真理的快乐。
中学时代，爱因斯坦的数学和物理知识远远超过了同年级的孩子们，其他各科却成绩平平。他特别讨厌德国中学那种把人当做机器、强迫训练的教学方式，他的许多知识都是靠家庭中自学学到的。有一个叫塔尔梅的大学生，非常喜爱这个长着棕色大眼睛的小弟弟，经常和他讨论问题，并借给他许多自然科学与哲学的书籍。爱因斯坦发现，在人类之外，有一个巨大的独立的世界存在着，它像一个永恒的谜，吸引着爱因斯坦去探索。
17岁时，爱因斯坦进入了瑞士苏黎士联邦工业大学。他的兴趣由数学转向了物理学。他利用课余时间，阅读了当时的物理大师基尔霍夫、亥姆霍兹、赫兹、洛仑兹、麦克斯韦的主要著作，还学习了著名哲学家马赫、休谟、斯宾诺沙的著作，他们的怀疑批判精神深深影响了爱因斯坦的哲学思想。
爱因斯坦不是一个循规蹈矩的好学生，他常惹得老师大发雷霆。一次上实验课，大家都在按部就班地操作，突然“砰”的一声响，爱因斯坦的手被炸伤了。原来，他又是把写有规定操作步骤的纸揉成一团塞在衣袋里，按照自己的想法去做。有的课，爱因斯坦认为不重要就不去听，而是自学他自己认为重要的东西。因此，他的物理老师韦伯曾批评他：“爱因斯坦，你绝顶聪明，可惜你有一个缺点，你不让人教你！”数学老师闵克夫斯基因他常缺课，骂他是“一条懒狗”。
幸亏爱因斯坦有一个好朋友格罗斯曼，他与爱因斯坦的不修边幅相反，是一个兢兢业业的好学生，笔记记得非常详细。爱因斯坦靠借他的笔记，才应付了许多考试。
奥林匹亚研究院院长
尽管爱因斯坦才华横溢，成绩优异，但由于他是犹太人，更因为他的直率、不谙事故和独立性格，讨不到老师和权威们的欢心，因此他大学毕业就失业了。
还是他的好朋友格罗斯曼帮助了他。格罗斯曼的父亲介绍他去伯尔尼专利局工作。在等待专利局位置空出来的一段时间，爱因斯坦不得不当家庭教师。
1902年，爱因斯坦登了一则广告，招收听物理学的学生。在伯尔尼大学学哲学的索洛文找到爱因斯坦。他们一见如此，谈起哲学、物理学，是那样投机，早把教课、挣钱的事一古脑儿忘了。
以后每天晚上，他们都聚在一起，读书、讨论和研究。后来另外两个年青人哈比希特和贝索也加入进来。他们轮流到各人家里聚会，有时也到一家叫奥林匹亚的小咖啡馆聚会，因此，开玩笑地把他们这个小团体叫奥林匹亚研究院，“院长”自然是学识超人的爱因斯坦。
他们的活动往往从吃晚饭开始，一边吃着简单的食品，一边就开始闲谈马赫、斯宾诺沙、黎曼、彭加勒的著作，哲学、数学、物理学、文学无所不包。有时，一本书刚念不到一页，就展开了热烈的讨论。爱因斯坦讨论起来是那样专注，有一次朋友们为他准备了他早就想吃的鱼子酱，爱因斯坦一边吃，一边大谈牛顿的惯性定律，鱼子酱吃完了，同伴们问他刚才吃的是什么，爱因斯坦回答：“不知道呀。”当别人告诉他那是鱼子酱时，爱因斯坦好惋惜呀，连味都没有品出来。
这样的活动持续了三年半。正是这种不同思想的碰撞、共振，引发出一系列创造性思维的火花，爱因斯坦的许多科学思想，都是在奥林匹亚研究院孕育和形成的。
那时，爱因斯坦已在伯尔尼专利局担任三级技术员。对付专利局的工作，爱因斯坦的才能绰绰有余，他有许多时间可以驰骋在他所喜爱的物理学天地中。在伯尔尼的岁月，是爱因斯坦科学生涯中最富有创造性，成果也最多的几年。就在1905年3月到9月的短短半年中，爱因斯坦在量子论、分子运动论、相对论三个领域齐头并进，同时取得了重大突破。
3月，他提出了光量子论，阐明了光电效应的理论，爱因斯坦1921年就是因此而获得诺贝尔物理奖。
4月，发表《分子大小的测定方法》，5月完成了布朗运动理论的研究，从理论上解释了布朗运动，提出测定分子大小的新方法。
6月，发表《论动体的电动力学》，正是这篇不到9000字的论文，宣告了狭义相对论的诞生。
9月，提出质能转换公式，为40年后的原子能的利用开辟了道路。
他的学生兰佐斯评论说，爱因斯坦一生理应获得5个诺贝尔奖，指的就是以上4项成果再加广义相对论。在这些成就中，影响最大的还是相对论。
创立狭义相对论
爱因斯坦建立狭义相对论依据了两个基本原理，一是相对性原理，即在任何惯性参考系中，所有的自然规律都相同；二是光速不变原理。
早在17世纪，伽利略就发现了相对性原理。比如，在一个匀速行驶的火车上向上抛出一个小球，小球将垂直落地，与在地面上向空中抛出一个小球的情况一样，也就是说在没有受到外力作用的惯性系中，所有的力学定律都相同。伽利略还提出了伽利略变换，通过这一变换，不同惯性系描写力学规律的方程式都具有相同形式。
可是，电磁学的发展向相对性原理发出了挑战，描写电磁运动的麦克斯韦方程，用伽利略变换去套，不再保持不变的形式。结论只能是麦克斯韦方程只适合于静止的以太坐标系。
电磁学的实验事实与经典物理学的矛盾也深深困惑着爱因斯坦，难道真的存在一个特殊优越的以太坐标系吗？难道相对性原理对电磁规律就不普遍适用了吗？爱因斯坦的哲学思想使他坚信，世界不是杂乱无章的，而是简单的、和谐的、有规律的，应该可以找到一些规律，对世界加以统一的描写。
爱因斯坦综观了当时有关以太和光速测定的实验，毅然否定了以太这个特殊优越坐标系的存在，确认相对性原理不仅对力学规律，而且对任何自然规律，包括电磁规律也是适用的，这就是狭义相对论的第一个原理。
但是，要确定电磁规律满足相对性原理，就必须引出光速不变的原理，即光在真空中传播的速度与光源的速度无关，与观察者的速度也无关。这显然和经典力学相矛盾。在经典力学中，一个人站在以速度V0行驶的火车上，向着列车行进的方向开枪，子弹速度为V，那么地面上观察者看到的速度应是V0+V。何以解释光速与光源速度无关呢？这成了横在爱因斯坦前的一大难关，使他大伤脑筋。
1905年暮春的一个夜晚，爱因斯坦正躺在床上，突然一个思想闪过他的脑海：“对于一个观测者来说是同时发生的事件，对另一个观测者不见得是同时。”他一骨碌从床上爬起来，抓住这个灵感不放，终于找到了解决问题的钥匙，那就是时间的相对性。
爱因斯坦设想了这样一个实验，有一列匀速行驶的火车开进车站，当车头A′和车尾B′分别通过A柱和B柱时，有两道闪电击中了A柱和车头A′，B柱和车尾B′。那么怎么知道这两个闪电是不是同时发生的呢？如果站在AB（或A′B′）的中点，同时看到从A和B（或A′和B′）传来的光信号，那么这两道闪电就是同时发生的。对于站在站台AB中间的铁路工人来说，他看到两个光信号同时到达中点，因此，他说这两道闪电是同时发生的。可是对坐在火车中点的乘客来说，由于火车是从B开向A的，那么他将先看到A′闪电的光，后看到B′闪电的光，假如火车是以光速前进的话，那么他将永远也看不到B′闪电，因为B′闪电发出的光永远也追不上乘客。对乘客来说，这两个闪电不是同时发生的。我们把这个火车叫爱因斯坦火车。
可见，同时性的概念是相对性的，每一个惯性系有它自己的同时时间。这是对牛顿绝对时间观念的大胆挑战。牛顿认为，世界上有一个绝对时间，它均匀的流逝着，与任何事物无关。全宇宙只有一个标准“时钟”，两个事件的发生时间与这个标准时钟比是同时的，这两个事件就是同时发生的。
爱因斯坦正是从大家认为没有问题的“同时性”中看出了问题，以此为突破口，引入了全新的空间和时间观念，通过数学推导，推出洛仑兹变换，经这个变换，无论是力学方程还是麦克斯韦方程在不同惯性系中都可以保持形式不变了。狭义相对论建立了。
几个重要的结论
根据狭义相对论，爱因斯坦还得出了一系列重要的结论：
1.一把高速运动的尺子与静止状态相比，在运动方向上缩短了。比如一列长100米的火车，以12光速前进，地面上的人就会发现它的长度只有85米。
2.快速运动的钟，会走得慢了。比如一个乘高速宇宙飞船到太空旅行一年的人，回到地面时会比他的孪生兄弟年轻得多。
钟慢尺缩效应被称为相对论的两个著名佯谬。的确，用常人眼光来看这两个结论简直不可思议，荒诞无稽。关键是因为我们生活在低速世界中，而爱因斯坦讲的是高速世界的情况。
事实已为这两个结论做出了验证。1977年，欧洲原子核研究中心的一个小组发现，近光速飞行的μ介子寿命比静止的μ介子寿命长。还有两个美国人，把原子钟放到喷气飞机上，绕地球飞行一周后回到地面，与地面静止的原子钟相比，时钟变慢效应与相对论预言在10%精度内相符。
狭义相对论还有两个重要结论：物体的质量会随着速度增加而变大。这已由加速器中高速运动的粒子所证实，并用在了加速器的设计中。
另一个是质量和能量能够互相转换，物体的能量等于其质量乘以光速的平方，即著名的质能转换公式E=mc2.它也已为实验所验证，正是这个关系式为人类打开原子能利用的大门提供了依据。
相对论发表后，许多物理学家，包括一些著名的物理学家对爱因斯坦的崭新时空观无法接受。洛仑兹这位曾在狭义相对论酝酿阶段起过重要作用的科学家，直到晚年还表示对没有以太无法理解。而迈克尔逊则说，没想到他的实验会引出相对论这个怪物。
但是，也有一批物理学家意识到了相对论的重大革命性意义。量子论的创始人之一普朗克赞誉爱因斯坦是20世纪的哥白尼，他指出，这篇论文发表后将要发生的战斗，只有为哥白尼学说进行过的战斗才能和之相比拟。
曾在联邦工业大学任过爱因斯坦数学老师、骂过爱因斯坦懒狗的闵可夫斯基深深为这一学说所打动，他不仅热情宣传相对论，而且对此进行了深入研究，引进了第四坐标即时间，赋予了相对论更完美的数学形式。
创立广义相对论
爱因斯坦建立狭义相对论，废除了以太这一特殊优越的参照系，可是却保留了一类特殊优越的参照系，这就是惯性系，只有在惯性系中，所有的物理定律才能成立。这太不符合爱因斯坦的哲学思想了。他坚信，相对性原理不仅对惯性系成立，对作加速运动的非惯性系也应当成立。他朝着这一目标开始了新的攀登。
那么，怎样才能把相对性原理从惯性系推广到非惯性系呢？爱因斯坦又是从大家习以为常的事实中受到了启示，那就是惯性质量和引力质量相等。
惯性定律告诉我们，任何物体在不受外力的情况下，都将始终保持静止或匀速直线运动。例如汽车加速时，坐在车中的人后背会紧贴在椅子靠背上，汽车一拐弯，人的身体又会向相反方向倾斜，量度物体惯性大小的量就是惯性质量。
人在地球上，还有一种与人体质量相等的力，把我们拉向地球中心，与此相关的就是引力质量。
几百年来，人们理所当然地认为惯性质量等于引力质量，并且不加区别地把它们统统称为质量。可是爱因斯坦偏偏要刨根问底，为什么惯性质量和引力质量恰恰相等呢？这是否意味着惯性与引力之间有着某种内在联系呢？
这次爱因斯坦又设计了一个实验，人们管它叫爱因斯坦升降机实验。他假设有一个人，站在密闭的电梯中，当电梯静止或作匀速运动时，这就是一个惯性系，由于人受到地球引力的作用，这个人双脚和地板的压力正好等于他的体重。假设这个电梯脱离了地球的引力场，比如把它搬到太空中，让这个电梯以与重力加速度数值相等的加速度向上运动，此时电梯是一个加速系，人的双脚与地板之间的压力仍等于它的体重。在电梯中的人，无法判断他到底是在地球上作匀速运动还是在太空中作加速运动，也就是说，这两种状态是等价的。而当电梯的绳索断了时，电梯将在重力场中自由下落，此时电梯中的人将感不到引力的存在，处于失重状态，也就是说，可以通过选择某种坐标系，在一定范围内使引力完全消除了。
这是爱因斯坦一生中最高兴的时刻，他终于找到了解决问题的关键，那就是等价原理。在一个小的时空范围内，一个加速系可以等价于引力场中的惯性系，这样就有可能把相对性原理从惯性系推广到非惯性系了。
不过，从等价原理到建立广义相对论，还有漫长的路要走。爱因斯坦发现他的数学工具不够用了，在他的老同学、数学家格罗斯曼的帮助下，他找到了合适的数学工具——黎曼几何。1915年，爱因斯坦提出了广义相对论引力方程的完整形式，1916年3月完成了总结性论文《广义相对论基础》。历经10年的艰苦探索，相对论大厦的第二层楼房——广义相对论建成了。
爱因斯坦把建立广义相对论看作他毕生最重要的成就。他曾说过，建立狭义相对论的历史条件成熟了，即使不是他，别人也会建立狭义相对论。而建立广义相对论的情况却不是这样。的确，广义相对论的建立与爱因斯坦本人是一位天才科学家有很大关系。如果没有他的革命批判精神、敏锐的物理直觉和高超的数学技巧，是不可能建立广义相对论的。因此，有的科学家评论，没有爱因斯坦，我们也许还要在黑暗中摸索。
广义相对论给人们带来了对物质运动、时空、引力的全新概念。
在牛顿力学中，物体之间存在着万有引力，而且这种力是瞬时、超距作用的，两个星体无论相隔多远，它们相互之间的引力传递不需要任何时间。而狭义相对论指出，任何物体的运动速度都不可能超过光速，那么如何解释引力呢？
爱因斯坦的广义相对论给了引力之谜一个全新的解答。在这里牛顿假设的万有引力不再存在了，广义相对论认为物质和它的运动决定了时空的几何形式。物质分布得越密，时空弯曲得就越厉害，物质周围的引力场就越强。地球和其他行星之所以绕着太阳旋转，是由于太阳的巨大质量使太阳周围的空间发生了弯曲。
与传统的时间和空间观念完全不同，空间和时间是运动着的物质的存在形式。有一位记者曾问爱因斯坦什么是相对论，爱因斯坦半开玩笑地说：“如果把所有的东西都从世界中运走，人们过去认为残留下来的就是时间和空间，那么，现在人们知道了，单独的空间和时间根本不存在。”这表明了物质、运动、空间和时间的不可分割的关系。
三大验证
爱因斯坦在世时，曾有人说，世界上懂相对论的人不到几个人。的确，人们从日常经验出发，很难理解相对论。但是，这一学说很快便为实践所证实。
1915年，爱因斯坦应用广义相对论，成功地解决了历史上的一个悬案——水星近日点近动。
早在1845年，法国天文学家勒维烈发现，水星的近日点在不断前移。根据牛顿万有引力定律，在排除了金星和其他种种因素之后，每100年仍有43秒差异无法解释。于是勒维烈预言，还存在一颗尚未发现的星，正是这颗星的万有引力造成了这43秒差异。他给这颗星起名为火神星。勒维烈曾利用万有引力定律成功地发现过海王星。
可是，天文学家们花了几十年时间都没有找到这颗神秘的火神星。爱因斯坦用广义相对论最终揭开了火神星之谜。原来，由于太阳的巨大质量，使周围时空发生了弯曲，水星是离太阳最近的一个星，受这种影响最大，根据广义相对论计算，恰好每个世纪应该有43秒的近动，根本不存在什么火神星。其他行星离太阳较远，那里的时空性质相对改变较小，因此仍可以用万有引力定律较好描述。
火神星的错误预言暴露了牛顿万有引力的缺陷，证明了广义相对论是正确的。
广义相对论的第二个验证是光线在引力场中的偏移。1916年，英国天文学家爱丁顿得到了一本《广义相对论基础》，他一眼就看出了这篇论文的伟大意义。在其中，爱因斯坦预言光线在经过太阳边缘时会发生1.7秒的偏转。为了验证这一理论，爱丁顿苦苦等了4年，终于等到了1919年5月29日的日全食机会，这就是本文开场那一幕。
广义相对论的第三个验证是引力频移。爱因斯坦预言，在引力场中，光的谱线将向红端移动。因为引力场越强，时空弯曲越厉害，时间就会变慢，光的频率也就会变慢，而红光是可见光中频率最低的，所以，光的谱线要向红端移动。1925年，美国天文学家亚当斯对天狼伴星光谱线的观测证实了引力频移。
60年代以来，脉冲星的发现、黑洞的探索、河外星系的红移、大爆炸宇宙理论的提出，都表明了广义相对论是指导人们认识世界的有力武器。
但是，爱因斯坦当年预言的引力波，至今还没有找到，相对论是否真正是引力之谜的谜底还有待科学的验证。可以肯定的是，广义相对论把人们对引力的认识大大提高了一步。
爱因斯坦的预言
当科学界还在努力理解狭义相对论和广义相对论时，爱因斯坦已经对这两种理论感到不满意了。虽然狭义相对论把经典力学与电磁理论从基础上统一起来了，广义相对论又进一步把相对性原理从惯性系扩大到非惯性系，但是引力和电磁两大相互作用却没有统一起来，而爱因斯坦追求的目标是世界的统一性。
爱因斯坦又向新的更高目标攀登了。在完成广义相对论之后，他立即着手建立统一场论，试图把引力场与电磁场统一起来。他把建立统一场论看作是发展相对论的第三阶段。
爱因斯坦从1923年开始到1955年去世，把后半生的主要精力都投入到建立统一场论的工作中，但是最终没有成功。
不是统一场论的大方向错了，也不是爱因斯坦的个人智慧不够，而是客观历史条件还不具备，还缺乏经验和事实作为向导。
狭义相对论的建立依据了两个基本事实，即相对性原理和光速不变原理，广义相对论有惯性质量和引力质量相等的基本事实为依据。统一场论却没有事实作根据，爱因斯坦只能作一些数学上的简单努力，因而失败了。
当爱因斯坦孤独一人、埋头于统一场论研究的时候，从他身边奔驰而过的是量子物理学、原子物理学、固体物理学的时代洪流。许多科学家对爱因斯坦脱离了物理学的发展主流深感惋惜，但爱因斯坦却始终坚持对统一场论的研究是有意义的。他在晚年时对他的老朋友索洛文说：“我完成不了这项工作了，它将被遗忘，但是将来会被重新发现。”
历史正像爱因斯坦所预言的那样。
人们后来发现，宇宙中不只有电磁相互作用和引力场相互作用，还有强相互作用和弱相互作用。1961年到1968年，物理学家格拉肖、温伯格和萨拉姆提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一模型，并得到了实验的验证，他们因此获得了1979年诺贝尔物理奖。
四种相互作用的大统一研究，今天重新成为理论物理研究的前沿课题之一，人们正在朝着大统一的目标不懈地努力。
发现原子核
原子是由电子和原子核组成的，原子核又是由质子和中子组成的，利用原子核能还可以发电。这在今天已是中学生们都知道的常识了。可是过去，在很长很长的时间中，人们并不知道这一点，人们一直以为，原子是组成物质的最小的不可分的微粒。
原子的概念最早是由2500多年以前古希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特提出来的。他们认为宇宙万物都是由看不见的，不可再分的微粒组成的，这种微粒就叫原子。在古希腊文中，原子一词的原意就是不可分的。当然，那时谁也没有看到而且也无法证明原子是存在的，原子只不过是先哲们头脑思辨的产物。
是英国化学家道尔顿第一个把原子论建立在了科学的基础上的。1808年，道尔顿提出，物质是由不可分割的最小微粒——原子组成，同一种元素是由同一种原子组成，而化合物则是由不同原子按不同比例组成的。无数的化学反应都证明了他的原子学说：不管化学反应怎样千变万化，原子始终是不变的，不同原子组合在一起，组成了千千万万不同的化合物。
从此，人们对原子学说深信不疑，原子是组成物质的最小微粒在几乎整整一个世纪的时间中，都被科学家们当做是无可怀疑的真理。
那么，人们是怎样发现原子是可分的，是由更小的粒子组成的呢？又是怎样把隐藏在原子核内的巨大能量释放出来的呢？
打开通往基本粒子物理学的大门
19世纪，随着电磁学的兴起，人们对电发生了浓厚的兴趣。电的本质是什么？要是能把电流从导线中取出来看一看就好了。
人们发现，当电路断开，中间有一个小空隙时，电流依然可以通过，并打出电火花，发出劈啪声。不过亮光和声音本身并不是电，那是电流与空气作用的结果。要想真正探测到电，应该让电流通过一个真正空无一物，连空气也没有的间隙。1836年，法拉第曾做过真空放电管的实验，可惜他的放电管真空度不高。
1855年，德国波恩大学的仪器工人盖斯勒利用托里拆利原理制成了一种水银真空泵，用它可以把玻璃管抽到接近真空的程度，这样，世界上第一个真空度比较高的低压放电管诞生了。当在它的两端加上足够电压时，电流就可以跳过真空了。这种管子叫做盖斯勒管。
德国物理学家普吕克尔在用盖斯勒管做实验时，发现了一个奇怪的现象，当让电流通过低压气体放电管时，对着阴极的那一端管壁出现了绿色荧光。物理学家德斯坦认为，产生荧光的原因是某种射线从阴极发出，打在了对面的管子上，他给这种射线起名为阴极射线。
神秘的阴极射线顿时成了科学家们研究的热点。有的物理学家发现，把物体放在阴极射线经过的途径中，管壁上会出现这个物体的阴影，这表明阴极射线像光一样，是直线传播的。因此，他们提出阴极射线是一种类似光的电磁波。
还有的物理学家发现，当在放电管旁边放上一块磁铁时，阴极射线会随着磁体偏转。更有趣的是，让阴极射线打在一个小风车的叶轮上，小风车就会旋转起来，因此，他们认为阴极射线是一种带电粒子。
科学家们为此争论不休。1897年英国物理学家约瑟夫汤姆孙以发现电子结束了这场旷日持久的争论。
汤姆孙28岁就成为英国皇家学会的会员，并担任了世界著名的卡文迪什实验室的主任。他原来主要是研究电磁理论，神秘的阴极射线把这位杰出的科学家也吸引到了研究低压放电现象的行列中来了。
为解开阴极射线之谜，汤姆孙设计了许多巧妙的实验，他测出了阴极射线的传播速度远远小于光速，显然，阴极射线不是电磁波。汤姆孙用磁场把阴极射线引到了一种可以测电荷的接收器中，证明阴极射线是一种带负电荷的粒子流。更重要的是，他测出了这种带负电荷的粒子的荷质比（电荷与质量之比），氢离子的质量和所带电荷是已知的，通过与氢离子的荷质比相比，汤姆孙确定这种粒子的质量还不到氢离子质量的千分之一（后来精确测定为1/1837）。也就是说，它是一种比最小的原子——氢原子还要小得多的粒子。
汤姆孙把各种不同气体充入管内，以不同的金属材料做阴极，所测出的阴极射线粒子的荷质比都一样，这就表明这种粒子是所有物质的共有组成部分。
1897年4月30日，汤姆孙在英国皇家研究院报告了他的研究成果，他断定在物质内部有比原子小得多的带电粒子存在，并且认为它就是法拉第当年曾暗示过的电的单元。后来人们把阴极射线粒子改称为电子（电子一词是1891年爱尔兰物理学家斯托尼提出用来表示电荷最小单位的）。
电子被发现了，它不仅向人们揭示了电的物质本质，而且宣告，原子不再是组成物质的最小粒子。
其实，在汤姆孙之前，英国的舒斯特和德国的考夫曼也都测出过阴极射线的荷质比，甚至比汤姆孙测得还要准，但是他们不敢相信世界上会存在比原子小得多的粒子，因而错过了发现电子的良机。汤姆孙冲破了传统观念的束缚，勇敢地迈出了这一步，终于成为“一位最先打开通往基本粒子物理学大门的伟人”。
1906年，汤姆孙因在气体导电方面的理论和实验研究，获得了诺贝尔物理奖。
拉开20世纪物理学革命的序幕
在汤姆孙发现电子之前，人们对阴极射线的研究还沿着另一个方向前进，由此也引发出一系列重大的发现。
1895年10月，德国物理学家伦琴也在对阴极射线进行研究。他的主要兴趣不是阴极射线本身，而是射线打在管壁上所放出的绿色荧光。
为了更好观察这种荧光，他用硬纸板和锡箔把放电管包起来，并把整个房间弄黑，当他接通电源刚要进行实验时，突然发现放在一米外的小工作台上那个涂有铂氰化钡的荧光屏发出了微弱的荧光。
这一现象使他非常惊奇，一般荧光物质要受到太阳光照射后才会发光，现在屋子中是黑的，会不会是阴极射线的作用呢？他很快否定了这个想法，因为阴极射线顶多只能在空气中行进几个厘米远，况且现在放电管是被包在硬纸板中，阴极射线是透不过去的。
伦琴顾不上吃晚饭，立即进行了更细致的观察和实验。他把荧光屏一步步移远，即使移到了2米远的地方，当接通放电管时，荧光屏也会发光。伦琴断定，这种看不见的射线是一种完全不同于阴极射线的新射线。
此后整整7个星期，伦琴把自己关在实验室中，夜以继日地对这种神秘的射线进行研究。为了不中断实验，甚至吃饭、睡觉都不离开实验室。他初步搞清了这种射线是从阴极射线撞击玻璃壁产生辉光的地方发出来的，它直线传播，穿透能力特别强，不随磁铁偏转。由于这是一种人们尚不知道的新射线，伦琴用X射线来命名它。后人为了纪念伦琴，也称这种射线为伦琴射线。
伦琴还详细地研究了X射线的穿透能力。他发现X射线能容易地穿透纸、木片、铝片等轻质物质，不容易穿透像铅那样的致密物质。射线被吸收的数量与吸收体的厚度和密度大致成正比。由于骨骼的密度比肌肉大，因此用这种射线照射人体时，便留下骨骼的阴影。伦琴用X光拍摄了他夫人的手指骨骼照片，这是历史上的第一张X光片。他还拍摄了放在盒子中的砝码、缠在木柄上的金属线等。
就在这年的圣诞节刚过，伦琴公布了他的新发现，1896年1月，他又向他的朋友们寄出了论文的副本及照片。
整个世界为之轰动了，特别是伦琴拍摄的穿透人的衣服、肌肉的X光片，引起了人们疯狂的好奇心。许多实验室都在重复伦琴的实验，有关X射线的论文大量发表。就在纽约日报报道X射线消息后的第4天，有人便用X射线检查出了受伤者足部的一颗子弹。这一新发现很快便被当作新技术应用到医学诊断上。
伦琴曾说过：“我是偶然发现射线穿过黑纸的。”其实，在伦琴之前，也有好几位科学家偶然发现过这种现象。英国物理学家克鲁克斯在研究低压放电现象时，就发现放在装置附近的照相底片跑光了。他没有想到这是射线作用，而以为是底片的质量有问题，到工厂退货了之，错过了发现X光的机会。伦琴抓住偶然发现的现象，穷追不舍，透过偶然性的层层迷雾，寻找事物的必然性，因而获得了伟大的发现。
伦琴因为发现X射线，1901年，成为世界上第一个获得诺贝尔物理学奖的人。
在X射线被发现后，一系列具有划时代意义的重大发现接踵而至，X射线就像神话中的领路鸟一样，把人们引向了通往微观世界的道路，20世纪物理学革命的序幕被拉开了。
神秘的放射现象
伦琴的发现传到法国后，深深打动了一个人，这个人就是贝克勒尔。他想，既然X射线发生在荧光现象特别强烈的地方，那么是不是有强烈的荧光的物质，都能发出X射线来呢？他决定试一试。
贝克勒尔出生在一个科学世家。他的祖父、父亲都是法国科学院的院士，并以研究荧光物质而闻名，因此，在他的实验室中，收集了许多荧光物质。
贝克勒尔选中了他和他父亲都曾用过的一种铀盐——硫酸铀酰钾，把这种盐放在一个用黑纸包得严严实实的底片上，然后放在太阳底下晒，看底片会不会感光。因为太阳光和荧光都不能穿过黑纸，只有X射线才能穿透黑纸使底片感光。
果然，如他所料，底片显影后上边有铀盐感光造成的灰白色的斑纹，贝克勒尔兴冲冲地向科学院报告了他的发现，可惜，这是一个错误的报告。
贝克勒尔是一个受过严格训练的科学家，他准备继续实验，取得更多的事实，以便再过几天在科学院例会上做正式报告。可是偏偏天公不做美，一连几天都是阴天。他只好扫兴地把铀盐和包着黑纸的照相底片都收到抽屉中，焦急地等待着太阳出来。
天一直阴着，开会的日子就要到了，贝克勒尔等不及了，他想上次照射的荧光总不会完全消失吧，也许会有轻度的曝光，于是他把底片冲洗出来。结果令他大吃一惊，底片比任何一次实验的曝光都要强烈！
贝克勒尔多次重复这个实验，不管铀盐在黑暗中放多久，它们都能使底片感光。他又换用其他荧光物质，结果含钙、含锌的荧光物质都不能使底片感光。
谜底终于揭穿了，使底片感光的原因是铀原子自身作用造成的，铀和铀盐能放出一种不同于X射线的新射线，这就是天然放射性。
贝克勒尔的发现虽然不像X射线的发现那样引起轰动，但也有一些杰出的科学家对此很感兴趣，并继续进行研究，其中有一位就是来自波兰的年轻女科学家玛丽居里。
玛丽居里出生在波兰一个中学教师的家庭。她勤奋、聪慧，中学毕业获得金质奖章，掌握了5门外语。由于家境贫寒，玛丽16岁时不得不去当家庭教师。后来她进入了法国有名的索尔本大学（即巴黎大学）学习。她住在冬天水能冻得结冰的亭子间，经常食不果腹。就在这样艰苦的条件下，她以优异的成绩取得了大学文凭。艰苦的环境培养了玛丽吃苦耐劳、坚韧不拔的品格。
大学毕业后，玛丽和因发现低压电现象而在物理学界小有名气的皮埃尔居里结为夫妇。1897年，她刚刚生下女儿伊伦，就马上选择了当时还很少有人研究的放射性作为自己的博士论文题目。
居里夫人在研究放射性的时候，发现了一个非常奇怪的现象：沥青铀矿的放射性反而比纯铀还要强。她猜想很可能在沥青铀矿中还存在着比铀的放射性还要强得多的未知元素。
这个想法一提出，立即遭到了一些人的讥笑，认为这是异想天开。性格坚毅的居里夫人没有动摇。她的丈夫皮埃尔居里也意识到这项工作的重大意义，放下了手头的工作，投入了对新元素的寻找。
他们的条件如此简陋，一间破棚子是他们的实验室，没有排放有害气体的通风装置和必要设备。为了将不同元素分开，他们将沥青铀矿装入大桶，加入化学试剂和酸一起煮沸。居里夫人用一根几乎和她一样高的沉重铁棒不停地搅拌着这些沸腾的粘稠液体，反应中放出的烟雾刺激着她的眼睛、喉咙，这种“男子汉的工作”累得居里夫人筋疲力尽，人消瘦了，手烧伤了。
1898年7月，他们终于从矿石中分离出一种黑色粉末，它的放射性比铀强400倍，化学性质和碲很相似，居里夫人为了纪念她的祖国波兰，把这种新元素起名为钋（在拉丁文中，钋的字头和波兰的字头是一个）。
但是钋的放射性还不足以说明沥青铀矿何以有这样强烈的放射性。于是，他们继续寻找，终于在同年12月又分离出了一种新的放射性更强的元素，他们给这种新元素起名为镭，在拉丁文中，镭的原意就是放射。
居里夫妇最初得到的还不是纯的镭，因此许多化学家对是否有镭元素表示怀疑。为了得到纯的镭，并进一步弄清镭的性质，居里夫妇付出了更加艰巨的劳动。4年中，他们进行了几十万次提炼，1902年，终于从12吨沥青铀矿中得到了大约0.1克纯的氯化镭，测出了镭的原子量是225，放射性比铀强二百多万倍。
1903年，居里夫人发表了她的博士论文，获得了巴黎大学物理学博士学位，这篇论文堪称历史上最伟大的一篇博士论文。她和她的丈夫皮埃尔居里以及贝克勒尔因发现放射性，一起共享了1903年诺贝尔物理奖。1911年，居里夫人又因发现钋和镭获诺贝尔化学奖，成为历史上惟一两次获诺贝尔奖的女科学家，也是惟一同时获得物理和化学两种诺贝尔奖的科学家。
追踪放射性之谜
铀和镭等放射性元素放出的射线是什么？它们为什么会放出射线？许多科学家纷纷投入这一研究。其中有一位后来居上的佼佼者，他就是卢瑟福。
卢瑟福出生在新西兰穷乡僻壤的一个小农家庭。他从小就表现出非凡的创造才能，把一只报废的钟修好了，还自制过一架照相机。凭着出色的才华，他连续获得三次奖学金，从高中升入大学，最后进入久负盛名的英国剑桥大学卡文迪什实验室，成为约瑟夫汤姆孙的研究生。
放射性铀的发现，立刻引起了卢瑟福的注意。为了研究铀发出的射线的穿透本领，他用厚薄不同的铝箔进行试验，结果发现铀发出的射线不是简单的一种，而是两种。有一种穿透本领比较小，只能穿透比较薄的铝片，他把这种射线叫α射线，还有一种能穿透较厚的铝片，贯穿本领比α射线大100倍，他把这种射线称作β射线。
法国科学家维拉尔德从放射性物质发出的射线中，又发现了第三种射线，它的贯穿本领更强大，这就是γ射线。
当让放射性元素发出的射线通过强磁场时，这三种射线便分道扬镳成为三股，朝一个方向弯曲得最厉害的是β射线，与它方向相反，稍稍弯曲的是α射线，而径直穿过磁场的是γ射线。这表明α、β射线都是由带电粒子组成的，且所带电荷方向相反，γ射线是不带电的。
贝克勒尔首先证明，β射线是由高速运动的电子流组成的。α射线则要复杂得多，卢瑟福花了整整6年时间，直到1908年，才搞清α粒子实质上是氦的原子核。γ射线是一种波长比X射线还要短的电磁波。
卢瑟福是一位物理学家，为了更好研究放射性物质，他和年轻的化学家索迪结为搭档。来自两个不同学科的科学家取长补短，很快就获得了累累硕果。
在研究放射性元素钍的时候，他们发现已经提纯了的氢氧化钍放置一段时间，放射性会增强，也就是说钍变成了放射性更强的元素，他们称之为钍X，钍X也不稳定，又会变成放射性不同的另一种元素……
这是什么原因呢？卢瑟福和索迪抓住这一现象不放，进行了深入研究。1902年，他们提出了元素衰变的理论，指出放射性元素是不稳定的，它不断放出射线，由母元素变成子元素，又由子元素变成孙元素……直至最后变成稳定的、没有放射性的元素为止。他们还找到了铀、钍等放射性元素的衰变系列。
元素衰变理论揭示了放射性现象的本质，打破了自古以来一直认为的原子是不可创生也不能毁灭的观念，有力地证明了一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。
1908年，卢瑟福因发现放射性衰变和在放射化学方面的成就，获得了诺贝尔化学奖。索迪也因发现放射性同位素的成就获1921年诺贝尔化学奖。
然而，卢瑟福的更伟大的发现则是在获得诺贝尔奖以后取得的，那就是提出了原子的有核模型。
原子结构的行星模型
电子的发现，放射性现象的发现都启示人们，原子内部一定有十分复杂的结构。
那么，原子内部的结构是什么样的呢？物理学家们提出了许多有关原子结构的模型，其中最有名的就是汤姆孙的果子面包模型。
汤姆孙认为，原子是由一个带正电荷的实体组成的，带负电荷的电子有规则地镶嵌在上边，就像葡萄干镶在面包上一样。电子一方面受到正电荷的吸引，一方面受到它们之间相互排斥的作用，而维持着平衡。这个模型能较好地解释许多化学现象。
开始卢瑟福也赞同这种无核模型。为了检验原子的结构，卢瑟福与他的两名助手盖革、马斯顿做了一个历史上非常有名的实验，那就是α粒子散射实验。
他们把一个放射源放在开有小孔的铅盒中，这样从这个小孔中就会射出一束很细的α粒子流，然后，让这束粒子流打在一块很薄的金箔上，金箔的后边放着一块硫化锌荧光屏，穿过金箔的α粒子打在上边会出现一个闪耀，因此用它可以记录α粒子的轨迹。
按照汤姆孙的模型，α粒子穿过金箔时应当发生小角度的散射，可是实验结果完全不是这样，大多数α粒子都畅通无阻地通过了金箔，径直打在荧光屏上；只有少数粒子发生了散射，而且都是大角度散射；个别的α粒子甚至被反弹了回来。
卢瑟福惊奇万分，他形容当时感到“就好像对着一张纸放了一发炮弹，而炮弹却被反弹回来打在自己身上那样难以置信”。卢瑟福为此苦苦思索了几个星期，从实验结果只能得出这样的结论，那就是原子内部有很大的空隙，因而绝大部分α粒子都能径直通过；少数α粒子发生大角度偏转，甚至被反弹回来，一定是碰到了质量远大于α粒子的、带正电荷的极小粒子的结果。因为α粒子是带正电的，同种电荷的粒子相互排斥。他通过精密实验和理论计算，得出原子的半径在100皮米左右，而原子核的半径为10-2～10-3皮米，也就是说原子核的半径只有原子半径的十万分之一到万分之一。
在大量实验的基础上，1911年卢瑟福提出了原子行星模型，那就是原子中有一个极小的核，它几乎集中了原子的全部质量和所有正电荷，原子核带有多少正电荷，核外就有多少个电子，它们就像太阳系中的行星绕太阳旋转一样绕着原子核运动。
卢瑟福的行星模型很好地解释了α粒子散射实验以及一系列化学、物理现象，因此很快为人们所接受。不过，卢瑟福的模型也不是尽善尽美的，后来，他的学生、著名的丹麦物理学家玻尔，应用量子力学，使这一模型变得更加完善了。
原子核的结构
原子是由电子和原子核组成的，那么原子核还可不可以再分呢？它又是由什么组成的呢？
既然一个电子带有一份电荷，人们自然想到，原子核很可能也是由带一份正电荷的粒子构成的，氢的原子核是最轻的原子核，它只带有一份正电荷，是否原子核就是由它们组成的呢？
1919年，卢瑟福用α粒子作炮弹，去轰击氮的原子核，结果发现，氮原子俘获了α粒子变成了氧原子，并且产生了一种新的射程很长、质量比α粒子更小，带一个正电荷的粒子，研究证明，这种粒子就是氢的原子核，人们把它称作质子。
这是在人类历史上第一次用人工方法实现了核反应，把一种元素变成了另一种元素，实现了炼金术士们“点石成金”的梦想，同时，也证实了原子核中存在着质子。
在卢瑟福之后，人们用α粒子轰击硼、氟、钠等轻原子，也都发生类似的核反应，放出一个质子。而周期表上所有元素的原子核的质量大体上都为质子的整倍数，因此，有人猜想原子核是由带正电的质子组成的。
但是这种猜想有着明显的矛盾，除了氢元素之外，所有元素原子核中的电荷数目并不等于它们的质量，例如氦的原子核质量是氢的4倍，可是只带有2个正电荷。于是有人提出，原子核是由质子和电子组成的，电子中和了一部分质子的电荷，使剩下的正电荷正好与核外电子数相等。但是这一假说也碰到了困难，它不能解释原子核自旋等现象。
科学家们在思索着，寻找着。
1920年，卢瑟福在圣诞节给儿童讲科学知识时提出了一个大胆的假说，原子中有带负电的电子，带正电的质子，为什么不可以有不带电的中性粒子呢？他还预言了这种中性粒子的性质——它能很容易地穿过物质。
大多数人对卢瑟福的预言抱着怀疑态度，有一个人，就是卢瑟福的学生查德威克却对此坚信不疑。他立即着手进行种种试验来捕捉这种中性粒子。但是10年过去了，这种中性粒子还是毫无踪影。
1930年，德国物理学家玻特和贝克尔在用α粒子轰击锂、铍等轻元素时，发现了一种贯穿力很强的辐射线，能穿过2厘米的铅板，他们认为这是γ射线。
1931年，法国物理学家约里奥居里夫妇，也即居里夫人的女儿与女婿，对这一实验做了进一步研究，发现当这种射线射入含大量氢原子的物质石蜡时，会放出质子。实际上他们已经走到了发现中子的大门口，但由于囿于前人的研究成果，认为只有γ射线才是中性的，一个重大发现令人惋惜地失之交臂。
查德威克看到了约里奥居里夫妇的研究报告，立即意识到这就是他寻找已久的中性粒子，他分析γ射线要想打出质子必需有高到难以想象的能量才行，只有质量和质子相近的中性粒子才能把质子轰击出来。他立即投入了紧张实验，终于证明这种不带电的中性粒子质量和质子十分相近，中子终于被发现了。
查德威克因发现中子，1935年获得了诺贝尔物理奖。
中子被发现后，德国物理学家海森堡和苏联物理学家伊凡宁科都提出，原子核是由中子和质子组成的。这种模型圆满地解释了原子质量与原子序数的关系、同位素现象及原子核的自旋现象，很快得到了人们的公认。
骇人的原子能
早在1901年，居里夫妇就发现，含有镭的放射性物质，温度比周围环境要高，这表明，镭在衰变的过程中放出了能量。居里还对这种能量进行了测定，一克镭一小时释放的能量为136卡。初看起来，这个能量不大，但是它能日复一日、年复一年地释放，镭的半衰期是1617年，如果把一克镭一万年放出的热量加在一起，将是一克木柴燃烧时放出热量的60万倍，可见这个能量之大！
卢瑟福和索迪在研究放射性元素衰变时，也注意到了放射性发生时伴随着能量的产生，他们指出，这种能量来自原子的内部，不仅放射性元素，普通元素的原子中也蕴藏着巨大的能量，只不过放射性元素内部的能量缓慢地泄漏出来。
小小的原子中怎么可能会蕴藏着这样巨大的能量呢？它们是从哪里来的？这个问题不久就在爱因斯坦提出的质能转换公式中找到了答案。
1905年，爱因斯坦在研究相对论时提出了著名的质能转换公式：E=mc2，其中E表示能量，m表示质量，c代表光速，为3×1010厘米/秒。
这个公式告诉人们，质量和能量是可以相互转换的，质量是能量的密集形式，一点点质量就可以转换为巨大的能量，因为光速的平方是一个很大很大的数值。这样我们就不难理解原子中为什么会蕴藏有那样大的能量了。
事实上，在我们今天利用核能的核裂变和核聚变反应中，都伴随着质量的亏损，而在化学反应中，质量亏损小到难以测定出来，也就是为什么核反应产生的能量比化学反应大得多的原因。
爱因斯坦的质能公式为核能的开发利用提供了理论依据，然而怎样让核能为人们所利用却不是一件轻而易举的事。
原子的质量集中在核上，因此要获得其中的能量就必须打开原子核。卢瑟福第一个用α粒子为炮弹去轰击原子核，实现了人工核反应。发现质子后，科学家们又用质子作为炮弹去轰击原子核。1930年，美国科学家劳伦斯发明了“原子大炮”——回旋加速器，可以把质子等炮弹加速得能量更大，从而对原子核的轰击更加强有力。1932年，查德威克发现了中子，它不带电荷，更容易打进原子核，因而为人们轰击原子核提供了一个更加有力的炮弹。
然而，一直到1938年以前，核能库的大门始终紧闭着。人们虽然用人工办法引起了核反应，释放出一些能量，但是这些能量仅仅相当于实验中所消耗的能量的一个零头，得不偿失。
许多科学家，包括卢瑟福、玻尔、爱因斯坦这样著名的大科学家，一时都对核能利用的前景表示不甚乐观。卢瑟福在一次演讲中说：“把原子衰变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已。”爱因斯坦在回答记者提出的原子能何时能有效利用时说：“那不过是在黑夜里鸟类稀少的野外捕鸟。”玻尔在1936年还写道：“我们关于核反应的知识越多，离原子能可用于人类需要的时间越远。”
山重水复疑无路，柳暗花明又一村。1938年，核裂变的发现，终于把核能库紧闭的大门给打开了。
发现核裂变反应
事情还要追溯到1934年，约里奥居里夫妇用α粒子轰击铝，得到了自然界中所没有的放射性元素磷，他们因发现人工放射性现象获得1935年诺贝尔化学奖。
意大利物理学家费米对约里奥居里夫妇的实验非常感兴趣。他想中子不带电，更容易进入原子核，为何不用中子为炮弹去轰击原子核呢？费米领导的小组按照元素周期表上的顺序，从氢开始对63种元素的原子核逐一用中子去轰击，果然旗开得胜。他们一共获得了37种放射性同位素，同时还发现了慢中子效应——中子速度变慢以后反而更容易被原子核所获得。费米因此获得1938年的诺贝尔化学奖。
费米开始轰击当时排在元素周期表上最后的一个元素铀，按照通常规律，原子核吸收一个中子后，放出β粒子，变成元素周期表中下一个位置的元素的原子核。费米推测，铀吸收中子后，很可能会变成周期表中尚未有的超铀元素。果然，在他们得到的产物中，有一种新的放射性元素，费米称它为铀X，认为它很可能是一种超铀元素。
铀X的发现立即引起了轰动，许多物理学家、化学家纷纷投入这一角逐，试图解开铀X之谜。其中最著名的有约里奥居里夫妇和他们的合作者、南斯拉夫化学家萨维奇；德国化学家哈恩和他的亲密合作伙伴、奥地利籍女物理学家迈特纳。
1938年9月，伊伦居里和萨维奇应用放射化学方法仔细分析了中子轰击铀以后生成的产物，发现其中有一种放射性元素性质很接近镧，而镧的原子序数只有57，与超铀元素相去甚远。可惜的是，他们没有抓住这个矛盾深追下去，而是匆匆忙忙发表了实验结果，又一次错过了一个重大发现。
12月17日，哈恩的助手斯特拉斯曼在办公室翻阅新到的期刊，看到了伊伦居里的实验报告，立即递给哈恩。开始哈恩因学术上成见对论文不屑一顾，斯特拉斯曼只好口述了论文最重要的地方，聪明的哈恩立即意识到，铀X之谜就要解开，他连一支雪茄烟都没有抽完，就和斯特拉斯曼一起向实验室跑去。
哈恩和斯特拉斯曼一连几天做用中子轰击铀的实验，经过反复精密的实验，都表明核反应产物中没有靠近铀的元素，而是两种大小相当的元素，其中之一是钡。
12月22日，他们把实验报告寄给了德国《自然科学》杂志。哈恩的心情十分矛盾，一方面感到这是一个很重要的事实，有必要很快宣布，一方面又感到实验得出的结论与以往核物理实验相矛盾，他甚至在把报告投入邮筒后，还想把它取出来。
此时，哈恩想起了与他共事三十多年的迈特纳，她才华横溢，有敏锐的批判眼光。由于她有犹太血统，在德国占领奥地利后不得不逃到瑞典避难。哈恩把实验结果连同他的疑问全都写信告诉了迈特纳。
迈特纳接到信后，立即意识到哈恩工作的重大意义。当时，她的侄子、在玻尔实验室工作的弗立希正好来看望她，两人对这个实验进行了热烈的讨论，他们从玻尔不久刚提出的原子核的液滴模型受到启发，得出结论，铀的原子核受到中子轰击后，分成了两半，并用爱因斯坦的质能公式估算出核裂变时放出的能量大得惊人。
弗立希回到哥本哈根后，把哈恩的实验和迈特纳的解释告诉玻尔，玻尔听后，拍了一下自己的前额，遗憾地说：“我们怎么能这么久没有发现这一点呢！”
当时，玻尔正动身去美国参加理论物理讨论会。当他把这个消息在会场公布后，整个会场沸腾了，会议原定的议题是讨论低温物理，现在一下都转向了核裂变。物理学家们纷纷打电话通知自己的实验室安排实验，结果都得到了证实。就这样，核裂变的实验和理论在几个小时内就得到了世界的公认。
哈恩因发现核裂变获得1944年诺贝尔化学奖。
点燃原子之火
核裂变现象的发现所以令科学家们激动不已，不仅是因为在裂变反应中放出巨大的能量，而且因为在裂变中会放出二三个中子，引起链式反应。
当费米得知核裂变的消息时，他一方面为自己对铀X的错误判断而深感遗憾，一方面敏锐地从中意识到更深远的意义，他立即着手思考裂变中产生的中子能否引起链式反应。
经过详细计算，费米提出，当一个中子打碎铀核时，会放出2个中子，这2个中子又可以打碎另外两个铀核，放出2倍的能量和4个中子，这4个中子又可以击碎4个铀核，放出4倍的能量，并再放出8个中子……这样一连串的裂变反应就可以自发地持续下去。
不仅费米、约里奥居里夫妇，逃亡到美国的匈牙利物理学家西拉德也都在思考着这个问题。他们投入了紧张的实验，在不到2个月的时间里，分别证实了链式反应不但可能，而且速率极高，两次反应间隔的时间仅为五十万亿分之一秒，也就是说核裂变链式反应一旦实现，在极短的时间内就会有巨大的能量释放出来。如果能控制它的速率，核能就能作为一种稳定的能源为人们所用。而如果对反应速率不加控制，它就有可能发生猛裂的爆炸，成为杀人武器。
核链式反应的发现为人们利用核能提供了可能，但要真正实现链式反应，还有许多困难需要克服。第二次世界大战的爆发把它提上了议事日程。
1939年9月1日，德、日、意法西斯发动了第二次世界大战。一大批逃亡到美国的科学家意识到核裂变将有可能被用来制造威力巨大的原子弹，他们说服爱因斯坦，联名写信给美国总统罗斯福，敦促美国抢在纳粹德国之前，造出原子弹。1942年，以制造原子弹为目标的浩大而又绝密的“曼哈顿工程”开始了。
首先必须论证实现链式反应的实际条件，美国决定先建一座可以控制裂变反应进行的装置，因妻子是犹太人避难到美国的费米受命领导研制这一原子反应堆。
1942年12月2日，建造在芝加哥大学操场上的原子反应堆开始试运转。它是由一层石墨，一层铀相间堆成的蜂窝状装置，共有57层，高6.5米，长近10米，呈扁球形。上午9点45分，费米下令开动反应堆，当控制棒被抽出一点时，人们听到了计数器的咔嗒声。下午3时20分，费米果断下令：“把控制棒再往外抽出一英尺！”计数器的咔嗒声快得分辨不清，最后变成了稳定的响声，试验成功了。人类第一次有控制地释放了来自原子核内部的能量。
芝加哥大学教授康普敦给在哈佛大学等候消息的康南特用事先约好的暗语通了一次著名的电话：“那位意大利航海家已经在新大陆登陆了。”
1492年，意大利探险家哥伦布登上了美洲新大陆，1942年，又一位意大利探险家费米，登上了原子新大陆，点燃原子之火。
遗憾的是，核能并没有首先作为能源用到发电上，而是被用于战争。1945年，美国把两颗原子弹投到了日本的广岛和长崎。
原子能用于发电比原子弹要晚得多。1954年，前苏联建成了世界上第一座向工业电网供电的核电站。
随着化石燃料的短缺和燃煤、燃油造成的污染，核电作为一种安全、清洁、经济的新能源日益受到人们的重视，在人类能源中所占的比例越来越大。现在，核电已占到了全世界总电力的1/5，预计到本世纪末，这个数字还得上升到23%左右。
要解决人类面临的能源短缺难题，根本途径是实现受控核聚变。氘和氚聚变时放出的能量比裂变能还要大，而且氘和氚来自海水，可以说是取之不竭、用之不尽。全世界的科学家正在努力，向着实现受控热核聚变，建成热核电站的目标努力。
湍流理论的发现
钱学森、郭永怀、钱伟长、林家翘等人的名字，海内外中国同胞都非常熟悉，他们都是世界知名的科学家。其中钱学森、郭永怀主持了我国航天事业和核弹、导弹的研制，为中国科学技术的发展作出了巨大的贡献。而这几位科学家全都师出于一位科学家，他就是西奥多冯卡门（1881～1963）。冯卡门，美国航空工程学家，开创了数学和基础科学在航空、太空和其他技术领域中的应用，从而获得美国总统授予的第一枚国家科学勋章）。
1963年2月18日上午，瑞雪初晴，晶莹的雪片在阳光下闪出奇异的光芒，粉妆玉砌般的积雪把大地变幻成银色的世界。美国白宫玫瑰园里宾客云集，这是华盛顿难得的雪后晴天。美国第一枚“国家科学勋章”的颁发仪式即将在这里隆重举行。
美国自建国以来，涌现出众多的科学大师，各级政府部门和民间团体曾颁发过无数科学奖章。然而，由美国总统代表国家亲自颁发的科学勋章，却还是头一次。获得这一崇高荣誉的就是现代航空大师西奥多冯卡门。
军乐队奏起了欢迎曲，宾客们急切地将目光转向通往白宫的礼仪门，人们都想先睹获奖者的风采。门开了，卡门和美国总统并肩步入白宫，向玫瑰园走来。
八旬高龄的冯卡门，由于患有严重的关节炎，在走下高高的台阶时，显得力不从心、步履蹒跚。年轻的美国总统赶忙上前搀扶他，老人点头报以感激之情，轻轻地摆脱了总统伸出的手，淡然一笑说：“总统先生，下坡行路的人无需搀助，惟独举足高攀的人，才求一臂之力。”
当总统把金灿灿的勋章挂在卡门老人的脖子上时，人群中响起了热烈的掌声，军乐队高奏贝多芬不朽的名曲《英雄颂》。
白宫授勋仪式之后不久，老人的心脏衰竭，终于在82岁寿辰的前5天，离别了人间。这位一代传奇人物结束了他多彩的人生，但是，在那日益增多的飞行工具上，却铭刻着他征服天空的不朽业绩。
卡门1881年5月11日生于匈牙利，父亲是教育学教授，他受到了良好的早期教育。儿童时代的卡门，很早就显露出数学天赋。卡门的数学天赋着实使父亲感到惊奇，但是卡门的父亲从全面教育出发，不得不采取措施，抑制他在数学方面的智力发展，让他多学些人文科学知识。
9岁那年，卡门进入了被人们誉为“明星摇篮”的匈牙利明达中学。17岁的卡门，作为一名中学优等生，进入了当时匈牙利惟一的工科大学约瑟夫皇家工艺大学。25岁的卡门争取到了匈牙利科学院的奖学金后，便前往当时世界的科学圣地——哥廷根。
20世纪初，哥廷根的人口不足3万，然而，这是一座智力之城、学院之城，哥廷根在近代科学文明中颇有名望。古老的建筑，迷人的花园，幽静的街巷，一派静悄悄地庄严气氛，世纪的墙垣环抱着郁郁葱葱的林阴，哥廷根大学哥特式建筑的尖形塔，更使这里具有中世纪修道院的风格。
哥廷根大学是1734年创建的一所古老的普鲁士大学，当时是世界理论科学的中心。哥廷根也是近代流体力学的发祥地，被誉为“空气动力学之父”的路德维希普朗特此时正在这里主持工作。
普朗特十分注意研究从复杂的工程问题中抽出基本的物理过程，再用简化的数学方法加以分析，这与卡门的想法十分吻合。
在普朗特的指导下，卡门利用哥廷根良好的实验条件，对一系列机械工程问题进行了研究。这为他日后的飞机结构设计，提供了重要的技术保障。
1903年，卡门通过了博士学位答辩，而后赴巴黎学习考察。不久，普朗特从哥廷根寄邀请信，要卡门回去担任实验室的助手，参加哥廷根第一个风洞的筹建及“齐柏林号”飞艇的设计。卡门愉快地接受了这一邀请，从此他开始了作为航空科学家的生涯。
哥廷根风洞是为“齐柏林号”飞艇设计服务的；卡门协助普朗特完成了德国第一批空气动力学实验。同时，他还担任力学课的教员。哥廷根的学习、研究和生活对于卡门说来是十分珍贵的。
当时，一批科学明星荟萃于哥廷根。卡门置身于这些科学大师之中，眼界大开。尤其是希尔伯特与克莱因这两位各有所长的数学大师，对卡门产生了深远影响，使卡门横跨两个基本学科——纯粹数学和应用数学。
卡门投入科学研究初期，正是物理学的革命时期。放射性的发现正在揭开原子奥秘的帷幕。
1911年到1921年间，普朗特正在研究边界层分离现象。他设计了一个水槽，用以观察流体经过圆柱体后面的分离现象。水槽里的水流不断发生摆动，普朗特对此并不注意。卡门思想敏捷，善于洞察事物本质，当他插手这一实验之后，立即加以深入研究。
实验显示，流水在圆柱后形成两排交叉的涡旋。卡门对此进行了数学分析，从理论上证明只有交叉排列的涡旋才是稳定的。他在三个星期内完成了两篇出色的论文，这两篇论文成为流体力学中一次重大发现的标志。
流体经过一个障碍物，会在它后面留下两排交叉的涡旋，这一现象早已为人们所知，但是，卡门第一次从理论角度阐明了这一现象的实质。由于这两排交叉的涡旋好像是大街两旁的两排街灯，于是人们把这一现象叫做“卡门过街”。
在人类的建筑史上，因忽视“卡门过街”的作用，曾发生过一起惊心动魄的事件。事情是这样的：在美国西雅图附近有一座横跨塔科马海峡的大桥，它是一位著名建筑师设计的“艺术杰作”。1940年11月7日，8级狂风大作，在强烈的“卡门过街”的作用下，大桥发生了急剧的扭曲、振动，结果在不到一个小时崩塌殆尽。人们最终意识到建筑设计必须考虑“卡门过街”的效应，因为一切建筑物都处于空气这一流体之中，风速过快时都会产生“卡门过街”现象。
卡门离开哥廷根前往亚琛任教时，已经奠定了他的基本流体力学理论权威的基础。不久，他担任亚琛工学院空气动力研究所所长。他在亚琛工作期间，组织并主持了三次国际应用力学会议。卡门和他的老师普朗特合作研究，突破了如今仍被人们视为流体力学最大难题的“湍流”问题，虽然这个问题至今仍困扰着人类，但“湍流”问题的研究在这一时期获得了第一次重大进展。卡门和普朗特的湍流理论，现在仍是工程湍流计算中的重要依据，成为流体力学的经典理论。
1929年卡门出任加州理工学院航空实验室主任时，美国的航空工业正处于蓬勃发展阶段。从1930年到1942年，经过12年的努力，卡门领导的加州理工学院航空实验室，已经成为国际流体力学研究中心。卡门在整个流体力学领域，指导了两代科学家和工程师，开拓了新领域，为航空技术奠定了扎实的科学基础。
1945年，卡门起草了一份关于航空工业发展必须依靠科学技术的报告。报告分析了两次世界大战中的人力、武器、科学技术的作用，还具体探讨了超音速飞行和火箭的技术问题，这篇报告对美国当局产生了非常深刻的影响。
在卡门的倡导、呼吁下，美国逐步成立了一些研究机构。1947年超音速无人驾驶飞机发展中心成立；1948年著名的智囊机构——兰德公司成立；1952年阿诺德航空工程公司成立；1957年成立了国家原子能委员会。到1957年，卡门的计划大多已付诸实施，火箭、导弹已经大量生产，超音速飞机横越大洋，人造卫星也已经围绕着地球运行。
第二次世界大战战火熄灭之后，卡门全心地致力于发展国际航空事业。50年代，卡门主持了两次国际航空会议，创建了国际宇航科学协会，成立了国际宇航科学院，推动了国际宇航事业的发展。
当时十分脆弱的中国航空事业也得益于卡门的指点。1929年，卡门路经中国，建议在清华大学开设航空课程。抗战爆发后，清华大学创办航空系，卡门派他的弟子、航空技术专家沃登道夫来华担任该系的科学顾问。
卡门在加州理工学院时期，还培养了一批出色的中国科学家，他们之中有众人熟知的钱学森、郭永怀、钱伟长，以及美籍华人林家翘等。其中钱学森在30年代末期火箭技术还处于摸索阶段就与其他几位年轻科学家看到了这一技术的发展远景，成立了一个名叫“火箭俱乐部”的研究小组。这一小组后来发展为加州理工学院喷气推进实验室，成为全世界火箭喷气技术的一大中心。
卡门在漫长的科学生涯中，对流体力学、空气动力学，尤其是以此为基础的航空技术贡献卓著。他不仅是宇航工业技术的研制者，更是国际航天事业的组织者，他同时涉足理论和应用科学两大领域。直到70岁时，卡门还集中精力研究一门他所生疏的学科——燃烧学，他把燃烧化学与流体力学结合起来，奠定了现代燃烧理论的基础。
泡利不相容原理的发现
1900年4月25日，伏尔夫岗泡利（1900～1958）生于奥地利首都维也纳。他的父亲做过医生，是一个有名的学者，后来担任维也纳大学胶体化学教授。泡利出生后接受过天主教的洗礼，教父是物理学家和哲学评论家厄恩斯特马赫，因此泡利自幼就受到了良好的科学环境的熏陶。他在念小学时，学习成绩始终名列前茅。上中学后，课堂教学已经满足不了他的需要，他广泛阅读课外书籍，尤其喜欢自然科学。
中学快毕业时他得知，爱因斯坦发表了广义相对论，这在当时是一门崭新的学科，是物理学的前沿。他对此表现了极大兴趣，甚至在课堂上也在偷偷地阅读。他那时已掌握了高等数学，所以读过爱因斯坦的著作后，他感到眼中的翳障突然消失，一下子对广义相对论能够心领神会了。
中学毕业后，泡利决定攻读理论物理学。他进了慕尼黑大学，跟随良师益友索末菲。索氏当时在德国以至世界上都可以算得上一位最有声望的理论物理学导师，许多杰出的科学家，包括海森堡、贝蒂在内都出自他的门下。
在这里，泡利在索末菲教授的指导下，他的理论分析技术更臻成熟，他的非凡才华得以显露。在为《数学百科全书》撰写相对论综述之前，尽管泡利当时还不到20岁，可是已经发表过好几篇相对论的论文了，因此深得索末菲的赏识。
1921年，泡利以论文《论氢分子的模型》取得博士学位，从慕尼黑大学毕业。他的论文被认为是对于玻尔-索末菲量子理论应用问题的卓有见地的文章。
1922年，泡利离开慕尼黑大学，来到哥廷根大学——当时由玻恩和弗兰克领导的世界理论物理研究中心，担当玻恩的助手。在此期间，他结识了尼尔斯玻尔。一学期后，他接受了玻尔的邀请，来到了哥本哈根理论物理研究所工作。这里自由的学术空气和讨论方式，加之名师的指导，使泡利学到了科学的思维方法，锻炼了纯熟的数学技巧，弥补了他不擅长实验、动手能力不足的弱点。此后不久，他又去了汉堡大学担任编外讲师。
从1923年到1928年这5年中，泡利一边进行教学工作，一边开始从事量子物理学的研究。他专攻的首要课题就是反常塞曼效应。反常塞曼现象深深地迷住了他，在他的宿舍里，桌子上、床上到处都是演算的草稿，窗台上老是放着未吃完的面包，他从早到晚不上运动场，也不去音乐厅，总是写啊，算啊，可是却一直没有头绪，因此他总是整天愁眉苦脸的。
当然，泡利没有把反常塞曼效应的问题完全解决。事实上，当时波动力学还没有发展起来，要想完全解决这个问题也是不可能的。但是，他把塞曼效应的研究用来正确地解释光谱线的精细结构，这是电子所具有的一种在经典力学中找不到的新性质。为了解释这种精细结构，泡利用一个新的只能取两个值的量子数来描述电子，这个新量子数就是电子自旋的投影，他后来因此发现了电子自旋。这个新量子数的存在和泡利所做的解释都得到了证实。
新量子数的发现为泡利最重要和最著名的发现做了准备。1925年，这方面的研究终于使他发现了自然界的一条基本规律——泡利不相容原理。在泡利提出这个原理之前，朗德、索末菲和玻尔等人都相信碱金属原子中被价电子围绕的那部分组成，具有角动量，这角动量是磁反常的原因。至于这部分组成为什么具有角动量和磁矩，则谁也说不出道理。
泡利不相容原理认为：一个原子中不能有两个或更多的电子处在完全相同的量子状态。应用这个原理可以很好地解释原子内部的电子分布状况，从而把由玻尔的原子理论不能圆满解释的元素周期表的分布规律说得一清二楚。这个重要发现使泡利在20年后，即1945年，获得了诺贝尔物理学奖。
从1928年起，他担任了慕尼黑联邦工业大学的理论物理学教授，他在这里一直工作到去世。近30年的时间里，他一直坚持不懈地刻苦钻研，他以自己非凡的智慧，凭借科学的预想和不断创新的精神攀登着一个又一个的科学高峰。
20世纪20年代物理学家们发现：在原子核放出电子的β衰变过程中，放射出来的电子所携带的能量，并不和原子核所损失的质量相对应。经测定，放出电子所带走的总能量要小一些，也就是说，在β衰变过程中有能量“亏损”的现象。
那么，这一部分亏损的能量到哪里去了呢？大家都知道，能量是不能创造也不能消灭的，只能由一种形式转化为另一种形式。面对这种情况，人们犹豫、彷徨。1930年，玻尔甚至准备放弃能量守恒原理，因为他认为，能量守恒在微观粒子作用过程中不一定成立，这样就可以解释β衰变中的能量亏损现象了。
玻尔是泡利的良师益友，两人之间有着深厚的友情。可是泡利并未因此而放弃自己的观点，他不相信在自然界中惟独β衰变过程违反守恒定律。为了“挽救”能量守恒原理，找到能量亏损的真实原因，他思索着，钻研着……终于，在1931年他大胆地提出了自己的科学假想——
他假设存在一种新的粒子，它伴随β粒子从核中发射出来，但此种粒子质量很微小，不超过电子质量的万分之一，不带电，稳定，由此满足每次β衰变事件中能量守恒。并且为了使β衰变中自旋守恒，他还假设这种粒子的自旋为1/2.1932年，费米把这种粒子称为“中微子”，意思就是“微小的中性小家伙”。
泡利的中微子假说提出以后，令人信服地说明了β衰变中失踪能量的去向，圆满地解决了这个矛盾。然而由于中微子没有电荷也没有质量，就像个“幽灵”般神秘莫测，许多物理学家忧虑地认为，这不过是泡利为了维护能量守恒定律，使能量在数值上达到平衡而想像出的不切实际的幻影。
在巨大的压力面前，泡利没有屈服，仍以科学的态度严肃认真地进行着科学研究。经过漫长的25年后，1956年，美国洛斯阿拉莫斯科学实验室终于第一次直接观测到中微子，证实了中微子的确是存在的。泡利比此前许多伟大的科学家幸运得多，他终于亲眼看到了自己的科学假说变成了现实，他欣慰地笑了。
泡利在量子力学、量子场论和基本粒子理论方面的卓越贡献，特别是他的不相容原理和β衰变中的中微子假说等，在理论物理学的发展史册上谱写了辉煌的一页。他的名字与相对论、量子力学和量子场论紧紧地联系在一起，人们称赞他为“当之无愧的理论物理学家”、“理论物理学的心脏”。
作为一个理论物理学家，泡利的最后一项重要工作是研究场论中的各种分立对称性，他证明了每个洛仑兹不变拉格朗日场论，在CTP（电荷共轭、时间反演、宇称）操作下是不变的，而C、T和P不必分别是对称的。不久之后泡利就发现，在弱相互作用中，例如在β衰变中，对称是不守恒的，即P单独是不守恒的，这一发现使他激动万分。
正当他在科学的高峰上奋力攀登的时候，却不幸患了重病，1958年12月14日在瑞士苏黎世逝世，享年58岁。