19世纪末，人类在物理学上的两大发现，让我们在微观尺度上走进了原子核，在宏观层面上看到了相对的时空观，第一个发现就是重元素衰变后的质量缺失，再一个就是光速恒定。今天就说下这两个奠定现代物理基础的伟大发现。原子核衰变后的质量缺失问题

回到20世纪最初的几年，天文学的进展可谓是充满了荣耀和辉煌，它不但改变了人类对宇宙的整体认识，而且让“牛顿物理学定律统御宇宙”的观念深入人心、牢不可破。人们相信物质是由原子构成的，而原子包括一个较重的、带正电荷的原子核，以及围绕原子核运转的、较轻的、带负电荷的电子。

原子核所携带的正电荷的数量不同，使其具有不同的物理性质、化学性质，让我们得以区分各种不同的原子，将其称为各种元素。按照不同元素的性质，我们可以将各种元素列成一个带有周期性规律的表格，即元素周期表。在这个表格中，凡是属于同一纵列的元素，在化学性质是否活泼、与其他元素化合时的具体特点上，都有相似的地方。

不止如此，有一些元素（主要是一些比较重的元素）还呈现一种特殊的性质——放射性（radioactive），它们无须外界干预就会自发地蜕变为其他种类的元素，即衰变。在衰变过程中，会释放出某些微小的粒子，例如氦原子核（α射线）或单个的电子（β射线）。如果“变身”后成为的元素仍是放射性元素，它就会继续衰变，这个衰变链条最终会在成为稳定的元素后停止。

目前已经确定，所有比铅（第82号元素）更重的元素在足够长的时间之后都不稳定，假以时日，它们都会衰变为铅元素或其他比铅更轻的元素。

不过，一个或许要比这些性质更为离奇的问题是：这是不是在违反着“物质守恒定律”这个已被认为不容置疑的铁律？此前人们观察过的所有物质变化，不论是物态的、化学的还是电学上的，全部服从这一定律，即：变化开始前的参与物总量，应等于变化结束后的生成物总量，而且不论变化过程是吸收能量还是释放能量，都会如此。但是，放射性元素在每次衰变之后，所有产物的总质量会比衰变之前轻一点点，这向人们暗示：我们对物质守恒定律的理解可能还不够完美和细致。迈克尔逊莫雷的“无效果”实验

另外，当时人们虽然已经用实验证明了光的速度即使在真空中也不是无限大的，但依然认为光的传播就像其他类型的波的传播那样，一定需要某种介质才能实现。在关于光究竟是一种粒子还是一种波的争论上，当时的人还停留在牛顿（主张粒子说）和惠更斯（主张波动说）的认识层次上，尽管已经有衍射和干涉现象支持惠更斯的主张。

19 世纪60年代，麦克斯韦的电磁学理论指出光只是一种电磁波。既然光是波，那么就像声波需要通过压缩空气来传播，水波需要水本身来传播一样，我们必须找出它的传播介质才能更好地解释它为何能在真空中传播。由于星光无疑能够在穿越了遥远的空间后到达我们的眼睛，所以人们自然会假定在宇宙中有一种使光得以传递的介质——以太。

不过，一旦宇宙中充满这种介质，那么地球的运动必将使地球快速穿过这些介质，因此我们应该能够侦测到以太的存在。如果我们向河流中投入一块大石头，那么石头朝着上游方向一侧的水波传递会变慢，而朝着下游的一侧水波速度会增快，河水的整体运动也将在多个方向上受到影响。

我们已经知道，地球不仅以两极的连线为轴而自转，还在以大约每秒30干米的速度绕着太阳公转，这个速度与光速每秒 300 000千米相比，虽然相对来说仍然很小，但从理论上，只要把实验设计得足够精巧，完全可以侦测到光速数值相对于地球有小小的改变。

尽管以太从未被人直接看到或侦测到，但科学家阿尔伯特·迈克尔孙（Albert A.Michelson）仍然设计出一个绝妙的实验，力求察觉以太造成的影响。这个实验立足于波动现象的一个简单法则：由于波有着干涉特性，那么只要光确实是一种电磁波，就应该能观察到它与其他电磁波相互干涉，由此在波动的幅度上体现出增强或削弱。

他设计的实验装置被称为“迈克尔孙干涉仪”：它可以将一束光线折半，分成相同的两束，使之射向相互垂直的两个方向，经过特定距离的运行后再反射回来，在相同的位置上重新交汇，此时两束光之间必然会产生干涉。假定地球是绝对静止的，也就是说，包括这台干涉仪在内，我们都没有相对于以太发生运动，那么两束光的干涉状态应该始终不变。

而假如地球是在以太中穿行，相对于以太有着速度变化，那么光速的数值至少会有每秒30千米的变化，这将使得两束彼此垂直的光中至少有一束的波长发生改变，从而改变两束光彼此干涉时的波动状态。1881年，迈克尔孙整装齐备，首次进行了这个实验。这时，干涉仪的光路臂只有1.2米长，理论上可以侦测到最小0.02倍波长的变化，而他推算以太的存在应该能在这台仪器上造成0.04倍波长的变化。可事实是，他侦测不到任何变化。

他接着多次重复这个实验，其间地球绕太阳公转的方向已经明显改变过，但光的干涉状态仍然是一成不变的。

“无效果”，这个结果很有趣，但也因为光路太短而不具说服力。在接下来的六年里，迈克尔孙会同爱德华·莫雷（Edward Morley）建造出了更大的干涉仪，其光路臂长是原来的10倍，这也意味着测量精度提高了10倍。1887年，后人所称的“迈克尔孙一莫雷实验”正式进行。仪器的精度已经可以侦测0.01倍波长的变化，而他们估计可以观察到最多达0.40倍波长的变化。但这次的结果更加令人震撼：依然什么变化都没有检测到。也就是说，不论光线在其传播过程中发生了哪些运动，它依然没有借助什么以太作为介质，地球也并未在以太中移动。总结：爱因斯坦的质能方程和光速不变原理

放射性元素衰变中丢失的质量，以及迈克尔孙出乎意料的实验结果，可称是当时的两个物理之谜。而揭开其答案的，是1905年的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）。他指出，放射性元素衰变之后所有产物的总质量略微减少的原因是有一小部分物质变成了能量消散掉了。物质在理论上能释放出的能量有多少，取决于那个蜚声全球的公式 E=mc^2。质量之所以没有守恒，只是因为它遵守了一个处于更加基本层面的法则——能量守恒。如果将衰变过程中损失的质量、衰变产物的质量都换算为能量，就会发现：它们的总和与衰变之前物质总量对应的能量总量完全吻合。

至于迈克尔孙实验的结果，爱因斯坦认为那只能说明以太根本就不存在，光线在真空中无论以什么方向传播，观察者看到的光速都是恒定不变的。这些惊人的想法，正是爱因斯坦狭义相对论的奠基石。狭义相对论彻底改变了人类看待世界的定见，它有下列三个基本命题：1）真空中的光速是恒定的，无论谁来观察、以什么为参照系来观察，都是如此。2）时间、空间，都只是相对的概念；在任何位置以任何速度运动着的任何人，所看到的物理定律，包括光速，都是一样的。3）最后，光的传播不需要任何特定的介质，只要有时间和空间就够了。

接下去的一百年，即从1915年到如今，人类新取得的关于宇宙的知识，又让此前的观念看起来显得十分浅薄与贫乏。在这最近的一百年里，我们的宇宙观又被永久地改写了，其中的新内容包括宇宙在巨大尺度上的结构、在较小尺度上的成分，以及这些结构和成分的成因，当然，还有它最终的命运。

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