20世纪是物理学的世纪，物理学在20世纪取得了突破性的进展，改变了世界以及人们对世界的认识。19世纪末，经典物理学已经有了相当的发展，几个主要部门——力学、热力学和统计物理学、电磁学以及光学已经建立了完整的理论体系，在应用上也取得了巨大成果。 这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。
然而，客观事实确打破了物理学家的乐观，实验陆续发现一系列经典物理学难以解释的事实，把人们的注意力引向更深广的求知世界，从1895年伦琴发现X射线，到1905年爱因斯坦创建狭义相对论，具有重大意义的物理实验发现相继出现： 1896年贝克勒尔发现放射性，塞曼发现磁场使光谱分裂，1897年汤姆生发现电子，1898年卢瑟福发现α、β射线，居里夫妇发现放射性元素钋和镭， 1899至1900年卢梅尔和鲁本斯等人发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布律，1900年维拉德发现γ射线，1901年考夫曼发现电子的质量随速度增加， 1902年勒纳发现光电效应基本规律，1902年理查森发现热电子发射规律，1903年卢瑟福和索迪发现放射性元素蜕变规律……，这一系列发现引致的物理学革命，集中在19、20世纪之交不是偶然的，是生产和技术发展的必然产物，有其深刻的社会背景和历史根源。
X射线、放射性和电子的发现，是世纪之交物理学的三大实验发现，它们都直接或间接地与阴极射线的研究有关。 19世纪是电的世纪，发电机、变压器和高压输电线路在生产中应用，然而漏电和放电损耗非常严重，成为极待解决的问题。电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体放电现象。于是，人们竞相研究与低压气体放电现象有关的问题，从中发现了阴极射线，并且引起一场旷日持久的科学争论。主张以太说的多数是德国人，主张微粒说的多数是英国人，双方激烈争论持续近20年。这一争论促使人们做了许多实验和理论研究，引出了一系列重大成果。
德国维尔茨堡大学的伦琴教授1895年11月8日在研究阴极射线的过程中发现了x射线。 1895年底，他发表了题名《一种新射线(初步通信)》的论文。伦琴在这篇论文中还描述了x射线的一些性质，如直线传播、不产生干涉现象、在磁场中不受偏转等等，他猜测x射线可能是以太中的纵振动。 伦琴宣布x射线发现之后不久，很快就被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具。后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。更重要的，这一热潮吸引了许多科学家研究x射线和阴极射线，从而导致了放射性、电子以及α、β射线的发现，为原子科学的发展奠定了基础。
伦琴发现X射线后，贝克勒尔开始试验荧光物质会不会辐射出一种看不见却能穿透厚纸使底片感光的射线。他试来试去，终于找到了一种物质具有预期效果. 这种物质就是铀盐。贝克勒尔拿两张厚黑纸，把感光底片包起来，包得那样严实，即使放在太阳底下晒一天，也不会使底片感光。然后，他把铀盐放在黑纸包好的底片上，又让太阳晒几小时，就大不一样，底片显示了黑影。为了证实是射线在起作用，他特意在黑纸包和铀盐间夹一层玻璃，再放到太阳下晒。如果是由于某种化学作用或热效应，隔一层玻璃就应该排除，可是仍然出现了黑影。又过了几天，贝克勒尔正准备进一步探讨这种新现象，巴黎却连日天阴，无法晒太阳，他只好把所有器材包括包好的底片和铀盐都搁在同一抽屉里。出于职业上的某种灵感，贝克勒尔想看看即使不经太阳照晒，底片会不会也有变黑的现象。他把底片洗了出来。底片上的黑影十分明显。他仔细检查了现场，肯定这些黑影是铀盐作用的结果。
他继续试验，终于确证这是铀元素自身发出的一种射线。他把这种射线称为铀辐射。铀辐射不同于X射线，两者虽然都有很强的穿透力，但产生的机理不同。他在法国科学院报告说：铀辐射乃是原子自身的一种作用，只要有铀这种元素存在，就不断有这种辐射产生。后来的研究表明,天然放射性的射线由α、β、γ射线组成,它们都来自原子内部，并且任何一个放射性过程都伴随着元素的蜕变。贝克勒尔发现放射性是人类第一次接触到核现象，居里夫妇的工作深化了贝克勒尔发现的影响。居里夫人证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度与化合物中铀的含量成正比的结论。
对阴极射线是以太的波动还是带电粒子流的争论给出正确答案的，是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授汤姆生，他从1890年起，一直带领自己的学生研究阴极射线。他认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。 汤姆生根据大量实验事实作出判断：不论早阴极射线、β射线还是光电流，都是电子组成的；不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射，都发射出同样的带电粒子——电子。 这种带电粒子比原子小千倍，电子是原子的组成部分，是物质的更基本的单元。这是一个非常重要的结论，原子不可分的传统观念从此彻底破灭了。
相对论是20世纪自然科学最伟大的成就之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响。创建这一理论的是年仅26岁的理论物理学家爱因斯坦。1905年头几个月，爱因斯坦一连发表了四篇重要论文，分别在辐射理论、分子动理论和力学与电动力学的基础理论三个不同的领域提出了新的见解。其中《论动体的电动力学》一文具有划时代的意义，首次提出崭新的时间空间理论，解决了光速的不变性与速度合成法则之间的矛盾以及电磁理论中的不对称等难题。爱因斯坦把这个理论称为相对性理论，即狭义相对论。
迈克耳逊—莫雷实验往往被人们看成是爱因斯坦相对论的先导。这个实验试图测量地球相对于“以太”的漂移速度，却得到零结果，成为笼罩在19世纪经典物理学上空的乌云。 19世纪人们从不同途径测定地球相对于“以太”的漂移速度，都毫无例外地无功而返，因而促使人们对以太和绝对坐标系的存在产生怀疑。 19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据，这也是相对论的重要文柱。电磁理论为光速的不变性提供了理论依据。1865年麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》一文中，从波动方程得出了电磁波的传播速度，并且证明电磁波的传播速度只取决于传播介质的性质。
洛伦兹提出的时空变换方程在形式上与后来爱因斯坦的狭义相对论几乎完全相同，但是没有跳出绝对时空观的框架。他已经走到了狭义相对论的边缘，却没有能够创立狭义相对论。 英国物理学家拉摩也是相对论的先驱，他以1895年发现在外磁场中转动的电子的进动闻名于世，1898年完成《以太和物质》一文，文中不仅包含精确的变换方程，而且还推出费兹杰惹—洛伦兹长度收缩公式。 法国科学家彭加勒在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。1902年，他在《科学的假设》一书中，对牛顿的绝对时空提出质疑。 1904年彭加勒提出“相对性原理”已非常接近狭义相对论的实质，但是在最关键的地方，他却声明“还没有任何东西证明(旧原理)不会胜出”。
20世纪初大量的实验和理论研究，为狭义相对论的创建准备了必要的条件，正如后来爱因斯坦在一封信中所说：“洛伦兹已经注意到，为了分析麦克斯韦方程，那些后来以他的名字而闻名的变换是重要的；彭加勒在有关方面甚至更深入钻研了一步”。但是经典理论尚无法摆脱绝对时空观的束缚，历史的重任只能由具有独立批判精神的爱因斯坦来承担。
（未完待续）
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