英国物理学家洛奇当时所说的，物理学“每月、每星期、甚至几乎每天都有进步”，“旧日习谈的问题用理性的眼光来看，都有一种不可预料的魔力和光芒”。“‘结论’这个字眼现在看来是很荒谬的”，因为科学“时刻都在活跃地跳动着”，“都有人把以前有些恍惚不确定的真理更明了地发挥出来”。
在这个激动人心的年代里，以1895年伦琴x射线的发现，1900年普朗克能量子概念的提出和1905年爱因斯坦“论动体的电动力学”论文的发表为开端，物理学革命在三个领域先后展开了。结果，诞生了两大理论体系——相对论和量子力学。
6.1 真空放电和阴极射线
物理学革命的序幕也许可以说是由x射线的发现揭开的。x射线的发现迅速引起了连锁反应，从此以后，纷至沓来的发现，一下子就在机械论的物质观方面打开了一个大缺口，原子不可分、不可变的教条彻底破产了。而x射线的发现却起源于真空放电和阴极射线的研究。
十九世纪中叶，随着电的知识的积累和真空技术的提高，真空放电及电的本性的研究愈来愈引起人们的兴趣。1836年，法拉第重新注意到被人遗忘了很长时间的真空放电现象，他发现低压放电管阴极周围存在着阴暗部分，即所谓的法拉第暗区。他预言，这种放电现象也许会给以后的电学研究带来极大的影响。
真空放电的正式研究是由普吕克尔开始的。他利用经过改进了的盖斯勒管(该管是盖斯勒l855年制造出来的)和附属仪器(盖斯勒泵、鲁姆科尔夫放电线圈)在1857年进行了一系列实验。他注意到，从铂阴极发出的粒子飞向玻璃管，粒子流打在管壁上发出萤光，萤光斑能够被磁力偏转。1865年，斯普伦格制成了水银流注高真空泵，为进一步开展这项研究提供了技术条件。普吕克尔早先的学生希托夫在1869年发现，如果把各种形状的固体放在阴极和发萤光的玻璃壁之间，物体的影子就明显地映在管壁上，他由此推断射线是直线传播的。
1871年哥耳德斯坦观察到，这种射线与阴极所用材料无关，而且还能引起化学反应。他把普吕克尔发现的这种射线命名为“阴极射线”。
1871年，瓦利根据阴极射线能被磁铁偏转的事实推断，阴极射线是由带负电的物质微粒组成的。1879年，克鲁克斯亲自改良了真空泵，获得了大气压百万分之一数量级的真空度。他通过实验发现，阴极射线能推动放入管内的云母小风车转动，确认阴极射线是一种粒子流，如果使粒子停止，就产生显著的热量。克鲁克斯把阴极射线称为“物质的第四态”或“超气态物质”。
瓦利和克鲁克斯的“粒子流说”也遭到了许多人的反对，其中包括象泰特和赫兹这样的著名人物，他们提出的是“以太振动说”。泰特指出，如果阴极射线是高速运动的粒子，那么这种粒子发出的光就应该显示出多普勒效应。可是在阴极射线的谱线中却看不到这种效应。赫兹也以阴极射线是连续产生的并在电场中不受偏转为理由，极力否认粒子流说。
1892年人们发现一个极有意义的新事实：阴极射线能够穿透薄金属片而发生漫射现象，就象光通过一种混浊介质那样。为此，勒纳得1894年专门制作了—个带有小窗的新型盖斯勒管，阴极射线可以通过窗口漫射。他研究了从小窗飞出的射线(也称勒纳得射线)的性质，确证了漫射的说法。他注意到，射线的荧光作用取决于距离，而与它们射向物体的方向无关。它们能使空气电离，但穿透空气只有很小的距离（大约不超过2cm)。它们还能使照相底片感光。勒纳得把射线的散射状态与最短波长的光的行为进行了比较，从而得出结论：它们一定能够描绘成在分子限度范围内的极为细微的以太运动。但是就在1894年，J.J.汤姆孙利用旋转镜测得阴极射线的速度是190000米/秒，这与光速相比是太小了，他认为把阴极射线看作是电磁波是毫无道理的。1895年，佩兰利用金属箱收集了阴极射线，箱子显示出带负电，这说明阴极射线运载的是负电荷。
围绕阴极射线的争论和探究，导致了x射线的发现和电子的确证。
6.2 伦琴和他的新射线— x射线
伦琴是1895年11月8日在德国维尔茨堡大学实验室研究勒纳得射线时做出惊人发现的，当时他已是该大学的校长了。伦琴是一位诚实的实验家，他十分刻苦地阅读科学文献，经常亲自动手制作实验设备，对于各种名目繁多的社交活动和公开约会，他总是设法躲避。但是，他从未因不好交际的习惯和勤奋好学的天性而影响学校的行政工作。
1894年，当他就任维尔茨堡大学校长时，他明确地表白了自己对职务的态度：“大学是从事科学研究和智力教育的园地，是培养师生的理想场所。就这一点而言，大学的重大意义要比它的实际价值大得多。由于这个原因，就应该尽力挑选有远见卓识的人来填补学校职位的空缺。这些人应该既是出色的教师，又是卓越的科学研究者与开拓者。”
伦琴本人就是一位“有远见卓识的”、“卓越的科学研究者与开拓者”，他很快洞察到自己发现的重大意义，但是他对自己的两个助手和周围的人却只字未提，一心埋头于他的实验研究。在工作最紧张的时候，他就在实验室吃饭和休息。1895年12月28日，他终于完成了题为“关于一种新的放射线”的初步通报，并马上呈交给维尔茨堡市物理学与医学协会主席。该通报在三天之内就发表在《物理学与医学协会会议报告》中。据考证，文章不可能在三天内发表，出版日期大概不是写的准确日期。印刷恐怕是在1895年底进行的，但出版发行却是1896年头几天的事。
在初步通报中，伦琴认为没有必要长篇大论，他只是扼要地叙述了实验结果和一些初步设想。伦琴写道：“在希托夫真空管、高真空的勒纳得管、克鲁克斯管和其他类似的装置中进行鲁姆科尔夫放电时，如果用一张适当的薄黑硬纸紧紧包住放电管，并把整个装置放在一个十分黑暗的房间中，那么每次放电时都可以观察到，放在该装置附近的涂有铂氰化钡的纸屏发出萤光。这样发生的萤光与涂有铂氰化钡的面与没有涂铂氰化钡的面那一面向着放电装置完全无关。即使纸屏距装置两米远，也能够看到这种萤光。”
伦琴注意到，这种射线的显著特征是具有极强的贯穿能力。它不仅能穿透包着放电管的黑纸，而且能穿透约一千页的书籍，数张叠在一起的锡箔，二至三厘米厚的松木板，十五厘米厚的木板，数厘米厚的硬橡胶和玻璃板。更使伦琴感到有趣的是：“如果把手放到放电装置和纸屏之间，那么在微暗的手的阴影中，可以看到较黑的骨骼的影像。”
伦琴还发现，X射线能使照相底片感光，X射线通过的空气具有使和它接触的带电体发生放电的能力。他特别注意到，X射线的行为和阴极射线大不相同，这从下面的事实可以看出：不管我们试验多少次，甚至加上非常强的磁场，可是磁场并不能使X射线偏转。伦琴由此断言：“x射线和阴极射线不是一种东西，x射线是由阴极射线引起的，是在放电装置的玻璃管壁上发生的。”
x射线到底是什么呢？由于它与光存在着共同点——产生阴影、萤光和化学作用一它会不会是一种超紫外线呢？或许它是由以太的纵振动(正好与光的横振动相反)引起的？伦琴提出了这些困惑不解的问题，也许正因为这样，他才给自己发现的神秘射线起了一个奇怪的名字—x射线。
x射线的发现不仅引起了惊讶，而且也引起了轰动。因为在当时的西方世界，一百多个地方都配备有类似的实验装置，可以立即重复和验证伦琴的简单实验；另外X射线在医疗上也具有巨大的实用价值。在美国报纸报道x射线发现的急电后的四十八小时内，至少有六个x射线照相装置在大洋彼岸的实验室建造起来。
伦琴的论文单行本在若干星期内印刷了五版，它还被迅速翻译成英文、法文、意大利和俄文。在伦琴发现公布后的头一年(1896年)内，至少建成了三十二个不同型号的伦琴管，西方国家还接纳了一整批专利。而且，以x射线为内容的书籍和小册子出版了不下五十种，论文超过一千篇。在科学史上，一种新发现能引起这样迅速而强烈的反响实属罕见。
但是，对于报刊不切实际地大吹大擂，伦琴感到由衷的生厌。他抱怨说：“在形形色色的报导中，我的工作被弄得面目全非，连我自己都难以辨认。”“我逐渐习惯了这种喧嚣，但风暴的平息是需要时间的，我整整四个星期不能恢复自己的实验。别人可以工作，唯独我不能工作。”
由于 x射线的发现，使伦琴成为世界上第一个荣获诺贝尔物理学奖的人(诺贝尔奖金于1901年首次颁发)。可是，伦琴平素沉默寡言，从来没有学会必要的讲话技巧，他甚至谢绝了为热情的听众作一次他们期待的获奖演说。伦琴把金钱看得很淡薄，他拒绝了有关专利权，他把得到的奖金也捐赠给维尔茨堡大学。
x射线的发现标志着一个新时期的开始，伦琴幸运地成为这个新时期的开拓者。
其实，早在1876年，克鲁克斯在研究放电管时就发现，放在实验装置附近的一个没有打开的照相底片由于某种说不清的原因变得模糊不清了。他以为底片的质量有问题，还去生产厂家退了货。美国费城的古德斯比德在1890年不仅产生出x射线，而且意外地得到了X射线的照片。可是，直到1896年2月22日，他还在一次讲演中把自己发现的射线当作阴极射线。勒纳得也错过了发现X射线的机会。在伦琴公布其发现的前两年，勒纳得就清楚地指出，他得到的射线能产生感光效应，他还得到一个与伦琴几乎完全相同的阴影照片，尽管在放电管的铝小窗和照相底片之间还插入了纸片和铝片。可是，勒纳得同样也没有认识到这一事实的真正意义。后来，这位成了希特勒帮凶的所谓“德国物理学”首脑极力抹杀伦琴发现X射线的功绩。
显而易见，在当时的历史条件下，即使伦琴未能达到目的，其他人或迟或早地也将会做出这一发现。然而，如果因此而得出结论，说伦琴的发现只是由于交了好运，那可就大错特错了。早在发现 x射线之前，伦琴就发表了十七篇论文。他是一位才能出众、一丝不苟的实验家，他把实验看作是橇开自然秘密的强有力杠杆。而且，他善于思索，能从杂乱的事实和繁琐的数据中找到某种本质的联系。在他的身上，体现了理论家的推断和实验家的技巧的完美统一。这是他取得成功的必然条件。
机遇无疑是存在的，但机遇只偏爱那种有准备的头脑。柏林科学院在致伦琴的贺词中说到：“科学史告诉我们，在每一项科学发现中，功劳和幸运独特地结合在一起；在这种情况下，许多外行人也许认为幸运是主要的因素。但是，了解您的创造个性特点的人将会懂得，正是您，一位摆脱了一切成见的、把完善的实验艺术和最高的科学诚意及注意力结合起来的研究者，应当得到作出这一伟大发现的幸福。”
关于 x射线本性的研究，不少人后来在这方面做了大量的工作。这里只提一下劳厄的贡献。1912年，劳厄提出 x射线通过晶体会出现干涉现象的设想。1913年，他根据干涉现象的实验推断，x射线是频率极高的光波，其波长在0.1埃到1.5埃之间(1埃＝千万分之一厘米)。与此同时，他也证明了晶体的原子点阵结构。为此，他于1914年获得了诺贝尔物理学奖金。
6.3 贝克勒耳和放射性的发现
伦琴的工作开拓了一个奇妙的新领域，它直接导致了放射性的发现，这是一种合乎逻辑的历史继续。
x射线的发现，使公众和整个科学界都陷入极度的激动之中。公众显然被X射线的魔力所吸引，而科学家则在激动之余，冷静地思考一些更深刻的问题。
1896年初，彭加勒收到伦琴寄给他的论文和照片，他在1月20日的法国科学院会议上展示了这些资料。由于x射线的产生与真空玻璃管强烈的磷光有关，这使得彭加勒提出，被日光照射而发磷光的物质也应发出一种不可见的、有穿透能力的、类似于x射线的辐射。彭加勒的报告给他的同事贝克勒耳留下了深刻的印象，会议之后，他立即开始进行这方面的研究，以检验彭加勒的假设。
贝克勒耳的祖父是一个电磁学权威，对磷光研究很有造诣，他的父亲在固体磷光研究方面也在欧洲名列前茅。贝克勒耳本人是法国自然历史博物馆应用物理学教授，他从1883年到1896年发表的关于磷光的论文已多达二十篇，赢得了国际上的声誉。
彭加勒建议后不长时间，他于1896年2月24日向法国科学院提交了“论磷光辐射”的报告。他发现，硫酸钾铀酰在阳光下曝晒几小时后能发出一种射线，这种射线能穿透黑纸而使照相底片感光。在实验中，包底片的黑纸封皮用这种铀盐片压盖了一半，冲洗出来的照片表明，压着的地方比其他各处更黑。当把线圈或带有孔洞图案的金属片放在铀盐和黑纸之间时，便会得到这些金属物件的轮廓的照片。贝克勒耳认为，这种射线类似于X射线，其发射以太阳光对铀盐晶体的激发为条件。
在紧接着的下周的科学院会议上，贝克勒耳提出了不同厚度的铜箔对射线吸收情况的实验报告。他还指出，硫酸钾铀酰能够满意地被反射及折射的日光所激发。
巴黎的冬天有一半的日子都是阴晦的天气，贝克勒耳不得不放慢自己的工作进程。2月26日和27日又是阴天，他把准备好了的几套干板夹和铀盐试验装置随便放到暗室的抽斗内，没有去管它们。
过了几天，到1896年3月1日，贝克勒耳为了向第二天的科学院会议提供感光图象强度和磷光强度及持续时间关系的证据，冲洗了一张底片。使他感到目瞪口呆的是，底片压在铀盐下的部分异乎寻常的黑，而不是象平时晶体经过曝晒后那样的微黑。他又冲洗了一张，依然显示出同样的结果。他然后在暗室内又准备了一张照相底片，一个带有铝隔板的干板夹和一个钮扣形状的铀盐片。五小时后，冲洗出来的照片还是如此。贝克勒耳在3月2日的报告中说：“我于3月1日冲洗出照相底片，希望能发现很微弱的图像。出乎意料的是，图像的轮廓十分强烈地显示出来。”
尽管如此，贝克勒耳并未放弃起初的假说。他解释道，这是由于在磷光现象中产生不可见射线的寿命要比物质发出磷光的寿命长的缘故。贝克勒耳之所以如此固执已见，是由于受到家庭传统思想的影响。实验家为了解开面临的疑团，有必要事先做出某种假设，但任何时候也不要把假设变成偏见，干扰清晰敏锐的判断。
贝克勒耳在暗室中研究了铀硝酸盐处于溶液中或再结晶后的情况。这时铀盐虽然不再发磷光，但是仍能放出射线。而且，在通常光线照射下不发可见磷光的铀盐也能发出与六价铀盐一样的不可见射线。
在新事实面前，贝克勒耳不得不放弃原先的假设，他在1896年5月18日提交的报告“金属铀新辐射的发射”中说：我研究过的铀盐，不论是发磷光的还是不发磷光的，结晶的、熔融的或是在溶液中的，都具有相同的性质，这使得我得到以下结论：在这些盐类中，铀的存在是比其他成分更重要的因素。”
在科学史上，当某一种成果出现的时机业已成熟时，由不同的人做出同一发现的事例是屡见不鲜的。英国的汤普森在贝克勒耳稍前一些时间也发现了铀盐的极强的感光作用，这一事实并未引起他的高度重视，他更感兴趣的是X射线，他只是把这一事实告诉了其他人，没有及时发表他的结果，从而失去了优先权。
在贝克勒耳的发现中，由于天气的意外，偶然性无疑起着自己的作用。但是这种偶然性的背后也有必然性。事实上，当时的感光材料和照相技术都比较成熟，x射线的发现又把人们的注意力引向辐射现象的研究。除了这些有利的外部条件外，加上贝克勒耳训练有素。有能力认识到意外现象的意义，有能力察觉被当时的人们看作是莫名其妙的东西，这种能力比偶然的幸运更为重要。的确，机遇只垂青那些懂得追求它的人。
在1896年上半年，贝克勒耳还进行了关于放射性的持续性的实验(放电实验和吸收实验)，开始持续六天而不减弱，后来持续了十五天、两个月、八个月，最后持续了三年，最后的数字是1899年3月27日在《法国科学院会议录》上报道的。但是此后，他既没有对射线本质进行深入的探讨，也没有对其他放射性元素(“放射性”这个名称是居里夫人在1898年首先使用的)作系统的研究。
贝克勒耳错误地相信，铀射线能够折射和偏振；他也盲目地认为，对铀射线比X射线了解得更为透彻(当时还未发现X射线的这些性质)。他虽然在1896年5月把铀盐发出的射线归因于铀的存在，但是并没有认识到这是铀原子本身的性质。
于是，他觉得这个课题已没有多大搞头了，从而离开了这一领域。这一点从下面的统计数字可以明显看出：1896年他就铀射线发表了七篇文章(其中从3月1日到5月18日共发表了六篇)，1897年只有两篇，而1898年连—篇也没有发表。先驱者落伍了，这是值得深思的。
与 x射线不问，贝克勒耳射线的发现并未引起多大反响，新发现的报道也没有在日报的版面上出现。柏林物理学会直到半年后的8月23日才宣布这一发现。从1896年5月底到1898年初，除了贝克勒耳的论文外，大概只有十余篇原始研究资料，其中关于铀射线的讨论属于次要论题，一部分还描述的是误入歧途的结果。仅有为数不多的人从事铀射线的研究，而且大都没有发现什么新东西，只不过是证实了贝克勒耳的结果而已。贝克勒耳本人和这个时期的研究者主要是进行定性的描述，并未进行系统的定量的测量。
这两年时间，是贝克勒耳射线研究的萧条时期。之所以造成这样的局面，大致有以下两个原因。其一是，X射线的实验设备较为普及，而且具有透视拍片的实用价值；而铀射线当时没有什么实用价值，而且没有几个实验室具备各种发光铀盐，纯铀在1896年才制备出来。客观条件限制了对铀射线的广泛研究。其二是，在新发现的潮流中，泥沙俱下，鱼龙混杂，大大冲淡了铀射线的重要性，使得许多科学家如坠烟雾，无所适从。
这是一个混乱的、迷惘的时期。当然也有一些可靠的发现，例如1896年哥耳德斯坦发现的阳极射线，但更多的却是冒牌货，有些现在听起来简直叫人啼笑皆非。
例如，1895年夏，魏德曼宣布，他从火花放电中发现了一种不可见射线，并煞有介事地称其为“放电射线”。汤普森说什么阴极射线分为两类：顺阴极射线和逆阴极射线，并说刚刚弄清洁的金属表面和其他物质也放出穿透辐射。
1897年，勒•朋声称，有光泽的金属在用光照射后，也会发出射线，他称这种子虚乌有的射线为“黑光”。
更为离奇的是，一位日本物理学家居然异想天开：夏天到处飞舞的萤火虫难道不是类似于x射线的某种射线的来源吗？他一本正经地做了实验，发现萤火虫隔着纸卡片能使照相底片感光。他说这是卡片因某种新射线的作用而引起所谓的“吸力效应”，犹如磁力线穿透其他物质一样。他还若有其事地把第二代萤火虫的详细研究结果于1898年发表在德国的《物理学杂志》上。结果，也有人检查了萤火虫，指出感光作用是由于虫子的湿气(至少是部分地)引起的，这使得那位发现者及其合作者大为丢丑。
在这方面，闹得最热闹的恐伯是N射线了。法国科学院院士、南希大学教授布隆德洛声称，他发现应变状态的固体能发出一种新射线，这种射线能使萤光屏发光，并能穿透许多不透光物质。布隆德洛根据他所在学校的名子把这种新射线命名为N射线。
1903年初，法国科学院年刊公布了这一发现，许多科学家都投入到新射线的研究中去，陆续发现太阳、人体肌肉和脑神经都能发出强烈的N射线。1904年，法国科学院给布隆德洛颁发了五万法郎奖金。不少人还围绕优先权发生了争执。后来人们弄清楚，这纯属心理—生理现象，根本没有什么N射线。看来，缺乏独创性的研究不仅使科学家白费力气，而且也会轻易扼杀一门新的学科。
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