“我唯一知道的是我什么都不知道——苏格拉底”。
最近我听到一种说法，就是说现代社会人文学科已经到头了，很难再出现颠覆性的理论。殊不知19世纪末到20世纪初，人们曾经也有过相似的念头，那个时候人们倾向于认为人类已经解开了物理学上的大部分谜团，诸多学科已经建立完善。一大堆普遍规律被发现，物理学上的空缺已基本被填满，基础也已经很牢靠。许多人认为科学家已经没多少事可以干了——物理学的重大问题都已经得到解决，20世纪只是巩固和提高，似乎不大可能再出现革命。不过，1887年的一个实验让这种看法出现了缝隙。
19世纪末科学界的主流观点认为光是一种波，所以必然需要一种媒介（例如水波必须有水、声波必须有空气），人们假设这种媒介称作“以太”(19世纪以前，人们认为光以太是一种稳定、看不见、没有重量、没有摩擦的东西，宇宙中充满这种媒质)。在牛顿物理学中，光传播就像池塘表面上水波。地球就像一艘在“以太水面"上运动的小船，在小船上的乘客看来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向扩展的速度，要比向后扩展的速度慢。因为在前一种情况下要从涟漪原来的速度减去小船的速度，而在后一种情况下却要把两个速度相加，这叫做速度相加定理，这个定理一直被看做是不证自明的。因此，在穿过以太运动时，光的速度同样应该随着它相对于地球运动的方向的不同而不同。
1887年，经过几年的精心测量，迈克耳逊和莫利得出了一个令他们本人和整个科学界都吃惊而沮丧的结论：地球的运动对光速根本没有任何影响，不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的，这个奇怪的结果违反了速度相加定理。如果说有某种实验结论违反了某个定律，那么只可能有两个结论，要么这个实验室错的，要么这个定律是错的，如果说这个定律——速度相加定理是有瑕疵的，那么牛顿物理学这座坚固光滑的大厦毫无疑问就出现了某种裂痕，如此建筑在这座大厦之上的所有东西就都无法断言为毋庸置疑了。于是这实验结论“就像一股发霉的味道”一样。当时的人们还不敢这样想象——这是古典物理学统治的终结的，牛顿定律并不是在任何时候、任何地方都适用。
1905年，德国物理学杂志《物理学年鉴》发表了一系列论文，作者是一位年轻的瑞士专利局三级技术审查员，名字叫做阿尔伯特爱因斯坦，那一年他向《物理学年鉴》递交的五篇论文，其中的一篇概述了狭义相对论。狭义相对论用最简单的话来说就是：质量和能量是等价的，它们是同一种东西的两种形式，能量是获得释放的质量，质量是等待释放的能量。由此，他得出著名的质能公式E=mc²（E是能量、m是质量、c是光速）。1998年，霍金在《时间简史》序言中写道：“我朋友有建议我书中不要写公式，那样会吓跑至少一半读者，所以我考虑过不写，不过后来我还是决定写且仅写爱因斯坦的一个公式"E=mc²"。这足见质能公式的地位。爱因斯坦断言在真空中，光速不变，它是个常数，由此可以完美的解释宇宙性质的一些核心问题。狭义相对论也解决了光以太的问题，爱因斯坦的宇宙中不需要“以太”，这种假想出来的东西不存在。那么光速为什么在相同的介质中不变呢？答案是不知道，我们可以反证它，又或者这是实验测得的结果，不过我们没有定理在解释光速为何不变。
狭义相对论是一项深刻而重要的成就，但这只是开始，狭义相对论之所以称为“狭义”，是因为它研究的是完全无障碍（比如引力的作用）下的运动。爱因斯坦的思考并没有停止。1917年，爱因斯坦发表了题为《关于广义相对论的宇宙学思考》的论文，这个划时代的理论彻底改变了物理学以及人们对宇宙的认知。简单来说，广义相对论的内容是：空间和时间不是绝对的，而是既相对于观察者，又相对于被观察者。广义相对论彻底超出了人们大脑的想象。据说最初爱因斯坦想为引力问题找个答案，他思考的问题是，要是一个运动中的东西，比如光，遇到了引力这样的问题会怎么样？
在广义相对论众多概念中，最具挑战性的，最直觉不到的是关于时间与空间的阐述。时间是空间的组成部分，时间不是绝对的，它可以改变，甚至是不断变化的。时间甚至有形状。用霍金的话来说：“一份时间与三份空间无法解脱的交织在一起，形成一份“时空”。爱因斯坦的宇宙不是空的，也不是平坦的，是弯弯曲曲的。我们看不到空间，但我们知道它不是平坦的。所以与其说物体（从天体到钢笔无所不包）处于空空荡荡的太空，还不如说所有的物体（所有有质量的东西）处于一个看不见的“果冻”中。常用的对这个概念通俗的解释是这样的：想象一块柔软的地毯或类似的垫子，上面放个又圆又重的铁球，铁球的重量使垫子伸展和下陷。这大致类似于庞大天体（比如太阳）对时空的作用，凡是有质量的物体都能在时空底垫上造成一个凹坑，当你用一个小球滚过这个底垫的时候，当小球接近底垫下陷的部分，它就会滚向低处。所以对物理学家来说，万有引力“不是一种力，而是时空弯曲的副产品。”或者“在某种意义上，引力并不存在，使行星和恒星运动的是空间和时间的变形。”所以就广义相对论，我对万有引力的解释是：天体的弧形轨道并不是由于被某种力牵引的缘故，而是天体在弯曲的时空表面滚过或滑过的自然趋势。需要说明的是，这种说法并不确切，只是为了便于理解。
广义相对论可以推导出很多见解，其中之一是宇宙是膨胀或者收缩的。但当时的主流的看法是宇宙是固定的，永恒的，于是爱因斯坦为了这种“正确”的看法，给自己的理论中加上了一个常数，以使广义相对论与宇宙学理论相符。几乎于此同时，埃德温哈勃正在花时间观察宇宙星系的光谱。哈勃于1926年发布了他令人惊奇的结果：大部分星系是红移的，而且红移的大小也不是随机的，而是与星系离开我们的距离成正比。换而言之，根据多普勒效应，星系之间的距离在增加，也就是说宇宙不是静止的，而是在膨胀。
可见光由电磁场的起伏或波动构成，光的波长极其微小，而光的不同波长正是人们肉眼看到不同颜色的原因。可见光范围内，最长的波是红色的，最短的波是蓝色的。多普勒效应是指，当波源向我们靠近时，波的频率就越高波长也越短，当波源反方向离开我们时，波的频率就越低波长也越长。这个原理最常见的例子是我们在马路上遇到拉响警笛的警车或者救护车，当它驶向、经过以及驶离我们的时候，我们听到的警笛声是不一样的，所以我们可以只通过警笛声的频率来判断警车是驶向我们还是在远离我们。
至此，哈勃的观察与爱因斯坦的理论完全相符了，几十年后以此为基础的“宇宙大爆炸”理论成为现代宇宙学中最有影响的一种学说。
在爱因斯坦和哈勃就宇宙大尺度结构方面成果累累的时候，另一些人在努力搞懂微观世界的科学规律，这就是量子理论。1910年，科学家卢瑟福发现原子内部主要是空无一物的空间，只有当中密度很大的核，比喻一下的话如果把一颗原子扩大到人民大会堂那么大，原子核大约只有一只苍蝇那么大。但这马上产生一个问题，传统原子的假象图是一两颗电子围绕着原子核转动，就像行星绕着太阳转动，但事实上这种假想是错误的，因为根据所有传统物理学的全部定律，这样状态的原子就不应该存在。那么如果用量子力学来描述呢？由于量子理论的基础是能量的传输是一份一份的整体，所以电子就根本不可能像轨道上运行的行星，而是像幽灵一样的跳跃式，它会从一处消失，在另一处出现，就像瞬间转移，这就是著名的“量子跃迁”，但是这种描述事实上还不确切，那只是为了迁就我们只管理解能力的说法，更加合乎量子力学的描述是：电子在所有地方同时出现，也在所有地方不出现，它出现或不出现没有精确的值，只有概率。
电子的另一些古怪表现也让科学家绝望，它有时候表现的很像粒子，有时候又像是波，这种难以置信的双重性让科学家抓狂。薛定谔偏重于电子波的属性提出波动力学，海森伯偏重电子粒子的属性提出矩阵力学。于是微观领域就出现了两种相互冲突的却得出同样结论的理论。最后一种妥协的办法“不确定原理”，解决了这个问题，它说电子是一种粒子——不过是一种可以用波来描述的粒子。
古怪的事情继续层出不穷。根据量子理论中的原理，某些成双结对的亚原子粒子，即使被分开很远的距离，一方如果旋转，另一方马上以相反的方向、相等的速率开始自动旋转，这就是“量子纠缠”理论。这好比你有两个台球，一个在北京，一个在华盛顿，当你旋转其中一个的时候，另一个马上以相反的方向旋转，而且速度完全一样。这个理论现象于1997年得到了证实。而这种超距作用，即一个粒子可以在几万亿公里之外影响另一个粒子，完全违反了狭义相对论，因为这种超距离瞬间的传递速度远远超越了光速。迄今为止，对于粒子是怎么办到这件事的，谁也解释不清楚。
量子力学在一定程度上打乱了物理学，结果是现代物理学有两套规则，一套用来解释小世界，一套用来解释大宇宙，各过各的日子。
应该说21世纪的科学已经得到长足发展，科技极大的改变了我们的生活，但迄今为止我们对我们生活的这个宇宙还几乎一无所知，“它的年龄我们算不大清楚，我们与周边的天体以及它们之间的距离我们并不完全知道，宇宙中充满我们无法识别的东西，宇宙在按照物理学的定律运行，但这些定律的性质我们并不真正了解。”从某种角度来说，这就是我们所知道的宇宙知识的全部。
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