【要点】
1.当代4大基础科学理论是：相对论、量子力学、基因论和信息论。
2.时空、引力、物质和运动是紧密联系在一起的，在宏观低速情况下可以使用牛顿力学研究问题，在涉及大尺度空间、大引力质量和近光速运动时，必须采用相对论理论。
3.微观世界的现象与日常生活中看到的完全不同，必须用量子力学进行研究。量子力学有两个重要的推论：波粒二象性和测不准关系。
4.生物性状和生命活动过程由基因决定，信使核糖核酸在遗传机制中扮演关键角色。
5.信息与组成世界的物质、使世界充满活力的能量同样重要，它使世界变得有意义。在信息通讯过程中，核心问题是编码一译码。
在进入20世纪以前，经典自然科学已经取得很大成就。其主要标志是伊萨克·牛顿于17世纪晚期建立的力学理论和机械论哲学，查尔斯·达尔文在19世纪下半叶提出的生物进化理论，以及詹姆斯·麦克斯韦差不多同时提出的电磁理论（又称经典电动力学）。此外，在地质学、化学、光学、天文学、数学等领域中，也有着十分辉煌的业绩。实际上，到19世纪末，经典自然科学已经就人类当时认识到的几乎所有自然现象进行了相当深入细致的研究，所有重要的自然现象都已经有了相应的科学理论的解释，并且许多科学原理、规律和知识已经在技术和生产领域中得到广泛运用，所有这些，构成了19世纪科学和工业先进国家的物质文明主体，也为20世纪工业化社会和现代物质文明奠定了发展基础。20世纪科学就是在这样的基础上发展起来。
科学的进步是无止境的，科学就是永无止境的前沿。在19世纪末和20世纪初，以发现和研究一系列新的物理、天文、化学和生物学现象为出发点，自然科学领域发生了一场深刻的革命，其结果是，整个自然科学在其基本思路、基本理论、研究方法与手段以及所发挥的社会影响方面都发生了根本变化。
20世纪初的科学革命的直接后果是产生了4个重要的基础科学理论，这4个基础科学理论是：相对论、量子力学、信息论和基因论。这些基础理论是20世纪科学所发现和建立的最伟大的理论体系，它们不仅是20世纪科学技术发展的基础，而且对人类的思维方式和认识方法产生了深刻的影响，也以比19世纪科学更加彻底的方式改变了20世纪的人类文明面貌。在21世纪初的今天，这些重大理论发现仍然继续发挥重要影响，它们无疑是未来世纪科学技术发展的起点，在新世纪的科学技术研究和实践中，来自新的物理化学条件下实验研究的挑战、对生命和智力的起源和进化的探索，确立物质结构的基本场和创造统一所有基本相互作用力的理论尝试，以及建立一个高度一体化的信息社会，必将推动科学继续向前发展，推动人类文明的发展、社会的进步。
第一节相对论
相对论是德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）于1905年创立的全新的时空物理理论，它在解决牛顿时空理论遭遇的难题时应运而生，从经典的牛顿时空观中脱颖而出。它以崭新的时空观建立起全新的物理学知识体系，不仅把人类对自然的认识提升到一个新的水准，而且也深深地影响了人们的思维方式和世界观。
一、牛顿时空观
在爱因斯坦以前，科学界占统治地位的时空观是以牛顿力学为基础的经典物理学的时空观。从牛顿力学的观点来看，时间和空间是绝对的客观存在，它们彼此独立，二者之间不发生任何相互联系。如果有人要测量时问，这个人身处何地以及是否正在运动与他的测量结果毫无关系，也就是说，时间度量不依赖于观测者所在参考系的运动，即观测者相对于空间的位置关系完全不会影响对时间测量的结果。反过来也一样，人们测量空间（如距离）也不受时间的影响。简而言之，人们可以把时间的测量与空间的测量分开进行。
对于需要同时考虑时间变化和空问变化的情形，如测量物体的运动速度，则需要事先选定合适的参考系。从经典物理学原理上说，对绝对的时间和空间本身进行测量既没有意义，也不可能。一个物体运动的速度只在相对于某个参考系测量时才有意义，其本身并无绝对意义。物体的运动只能是相对于某个选定的特定的参考系的时间和空间关系的变化。因此，在涉及多个参考系的情况下，例如在两个相互作等速运动的参考系上，观察同一个物体的运动速度会得出不同的数值。这与我们的日常经验是相吻合的。如果我们在一辆运动的火车上进行观察，在地面上有两辆汽车以同样速度朝相反的方向开去，我们一定会发现与我们同方向运动的汽车速度慢，而与我们反方向运动的汽车速度快。
我们在中学中都学习过牛顿力学三定律，这三个定律所考虑的都是我们日常生活中经常见到的情况。力学运动三定律自从牛顿提出后，几百年时间里一直在物理学和几乎所有自然科学与技术领域中占据着统治地位。牛顿力学假定我们熟知的时间是均匀流逝的，而空间也是均匀分布的。因此造成物体运动以及运动状态变化的原因是力，力的大小可以由物质的质量与它的运动状态的变化量来共同决定，这就是我们熟知的牛顿第二定律；牛顿力学的运动规律只涉及力和加速度，物体在没有外力作用的情况下按照惯性作等速运动，因此运动规律在相互作等速运动的惯性参考系上是相同的，这称为牛顿力学的相对性原理，也就是著名的牛顿第一定律。这两条基本定律在相对论和量子论的革命中都经历了某种程度和形式上的改变。牛顿第三定律讲作用与反作用大小相等、方向相反，这一定律经受住了科学发展历史的考验，在20世纪物理科学的最前沿粒子物理学中仍保持有效性。
二、以太问题
然而，并不是所有的自然运动都严格遵守牛顿运动定律。19世纪下半叶，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦（1831—1879）的电磁场理论确认，在真空介质中传播的光波和电磁波的速度约为每秒30万公里（299792.458公里），是一个绝对的数值。这意味着，光的传播速度与光源运动与否、光源的运动速度无关。这里所说的真空介质只是没有通常意义下的物质，并不一定意味着空无所有，因此有些物理学家又称它为以太。按照经典物理学，光是一种波，波必须在某种介质中传播，波传播速度越快，它要求介质的密度越大。由于以太中光波的传播速度很大，因此以太必定是密度和刚度极大的坚硬透明的物体。可是，地球也是在以太中运动的物体，却似乎没有受到它的任何影响。由此看来，以太好像是一种十分奇怪的物质，一方面十分坚硬致密，另一方面又极其稀薄以至于像是真正的空无一物。
那么，电磁场真空介质是否确定了一个绝对的参考系？以太是否真的存在？这些问题，在19世纪末的物理学界称为“以太之谜”。
为了检验以太是否存在，艾伯特·迈克尔逊（1852—1931）和埃德华·莫雷（1838—1923）于1887年进行了史称“以太漂移实验”的著名实验。其实验原理是，由于地球在太空，即在以太中运动，从地球的不同方向上测量光速，例如沿着地球运动的方向和与该方向相垂直的方向分别进行测量，按照牛顿力学的观点，应当得到不同的数值，并由此可以看出地球相对于以太运动的速度。当然，实际的实验装置十分精密复杂。
他们的实验结果于1881年在一篇题为《关于地球和光以太的相对运动》的物理学论文中公布。根据迈克尔逊和莫雷的实验结果，光速在垂直于地球运动方向和平行于地球运动方向上的速度相同，也就是光速不依赖于地球这个观测参考系的运动，从而得出结论，在任何惯性参考系中测量真空光速都会得到与由电磁场理论确认的相同的值。这个结果进一步提示，以太可能并不存在。
这个结果与牛顿力学的推论不合。迈克尔逊和莫雷得到的这个实验结果揭示了，牛顿力学确定的一些观念、理论结论，虽然受到当时科学界普遍接受，但是在麦克斯韦的电磁场理论中不能成立。这进一步表明牛顿力学与电磁理论之间具有某种深刻的不相容问题存在，而物理学以及许多其他科学学科原先都普遍假定牛顿力学与麦克斯韦电磁学理论相容，并以此为基础建立发展起来。当时许多物理学家都意识到迈克尔逊和莫雷的实验结果向经典物理学的一些基本假设提出了严峻的挑战，亨德里克·洛仑兹（1853—1928）和亨利·彭加勒（1854—1912）等物理学家都想在保留以太的基础上解决牛顿力学和电磁场理论的矛盾，但都没有突破原有的时空框架，没有成功。
三、狭义相对论
1905年，艾伯特·爱因斯坦发表一篇著名的论文《论运动物体的电动力学》，提出了狭义相对论原理。根据狭义相对论，经典力学无法克服的“以太问题”困难得到了合理解释，而“以太”的存在被否定。
爱因斯坦否定了绝对的时间和空间观念，他将狭义相对论建立在两个基本原理之上相对性原理：即在两个相互作等速直线运动的惯性参考系中，一切自然定律都是相同的；
光速恒定原理：光在真空中的传播速度是一个不变的常数，而且与光源的运动和观察者的运动皆无关。
爱因斯坦指出，这两条假说在经典物理学的框架内都有各自的实验事实为根据，但在牛顿绝对时空的观念下彼此产生矛盾。
因此，问题就出在绝对时空的观念上，所以必须抛弃绝对的时空观念。狭义相对论从这两个假说出发，以逻辑推理和数学计算得出以下结论：
（1）时间、空间与运动不是彼此独立的绝对的概念，在作相对运动的两个参考坐标系中，时间的度量不同。在一个参考系中同时发生的两个事件在另一相对作等速运动的参考系中并不是同时发生的。由此可以导出不同惯性参考系的时空尺度间的变换关系，即洛仑兹变换，并得出“尺缩”和“钟慢”的推论。
下图可以帮助我们了解相对论对于时空关系的看法。有两名观察者，上面的观察者站在火车中央，火车以均匀速度相对于地面的观察者由左向右运动（火车作均匀速度的运动使之保持惯性坐标系性质）。在初始时刻，火车上的观察者与地面上的观察者在同一地点，即火车的中央。如果从位于火车的两端的地面上发出光信号，被地面的观察者同时收到，那么，对于地上的观察者来说，他将会做出判断，光是由火车两端同时发出的；但是对于车上的观察者来说，他先看到右端（火车前端）的光，后看到左端（火车后端）的光。根据光速不变原理，车上的观察者判定右端光源先发光，而左端的光源后发光，因而光不是同时由火车两端发出的。这说明，只要假定光速在任意惯性坐标系中保持不变，在一个惯性系中不同地点同时发生的事件在另一相对作匀速，运动的惯性系中不会是同时发生。因此，在相对论中，同时的概念不是绝对的，时间的度量与惯性坐标系的运动有关。
类似地，测量物体的长度，必须用一根尺子，同时对准物体的两端。同时的概念既然依赖惯性坐标系，对同一物体长度的测量在不同惯性系中会得出不同的数值就不足为奇了。从相对论原理出发推理可以得出“尺缩”和“钟慢”的结论，这两个结论也是相对论最引人人胜、激发人们想象力的结论。通过数学和物理的推导运算，可以精确算出“尺缩”和“钟慢”随着运动的速度而变化的情况。我们在此对于有关推导过程不必深究，读者通过下面的比喻可以对它们有所了解。所谓“尺缩”，比如我们观察一个运动着的圆球，站在球上观测，它是静止的具有确定半径的圆球，而站在地面上观测，随着它的运动速度逐渐接近光速，它会在运动的方向上越来越变扁，直至变成一个无厚度的圆片。所谓“钟慢”，比如一个乘宇宙飞船以高速在太空中遨游的人，当他的速度接近光速，虽然他自己感觉寿命和一般人没有什么两样，在地球上的观察者测量出他的寿命要比一般人长得多。特别再说明一下，这样的说法只是比喻，并不是物理学意义上的真实，相对论对于有关问题的讨论会得出与此相近似的结论，但是在物理上有着十分严格的约束条件，在数学上有着十分严谨的运算基础。
这两个例子所说的现象在物理学中叫做“相对论效应”，它只发生在接近于光速运动的物体上。从理论上讲，我们日常所见物体的运动速度远远小于光速，但是也应当存在着相对论效应，只是这种效应过于微乎其微，我们现有的技术手段不足以观测到低速物体的相对论效应。科学家们在高能物理、粒子物理的研究中，通过测量高速运动粒子的衰变情况发现，粒子的寿命会随着运动速度的增加而增加；科学家们还在高速飞行的飞机上携带高精密度原子钟，测量出时钟的确会变慢，实验结果与相对论的计算完全符合。这些实验是对相对论的可靠的直接验证。
（2）相对论还证明，物质和运动是联系在一起的，质量和能量等价，它们可以互相转化，满足质能守恒转化定律。当物体运动速度增加时，它的惯性质量和能量也随之增加。在静止时有质量的粒子，其运动速度增大时，它的质量和能量迅速增大，反过来阻碍粒子运动速度的增加，当粒子速度接近光速时，它的质量和能量都接近无穷大，因此光速是物体运动速度的极限。只有静止质量为零的粒子，如光子，在任何以等速作相对运动的惯性参考系中都将始终以光速运动。
由于静止物体的质量也等价于能量，是能量的一种形式，参与能量的转化与守恒，减少静止质量可以获得其他形式的能量；反过来在特定物理条件下，能量也可以转化为静止质量。这就是爱因斯坦得出的极为著名的质量和能量相互转换公式：E=MC2
其中E是能量，M是质量，C是光速。由于光速是一个很大的数据，因此微小的质量可以转化为十分巨大的能量。
根据这个质能公式和人们对各种原子核静止质量的测量数据，科学家预言，利用原子核的裂变和聚变反应的前后所产生的极微小的质量变化，这些变化了的质量可以转变为能量，产生出巨大的原子能。1939年，科学家们发现了原子裂变现象，经过测量和计算，证明爱因斯坦的质能转换公式严格成立。根据这个发现，人类制造出原子弹和原子能发电站，后来，人们又进一步制造出热核武器——氢弹。
爱因斯坦狭义相对论是20世纪最伟大的科学发现之一，它提出的物体运动规律包含牛顿力学，在物体运动速度远低于光速时，相对论简化为牛顿力学，牛顿力学所有规律都能成立；而在物体以高速，即接近于光速运动的情况下，相对论对牛顿力学又作出修正，使之既能正确解释光速不变的实验事实，又和日常经验不矛盾。狭义相对论还改变了人们对绝对时空、对物质和运动的观念，否定以太的存在，描绘了运动（能量）与物质之间的相互转化关系。
狭义相对论的各种推论和预言不久就为实验所全部证实。爱因斯坦所提出的理论假说经过实验的验证成为了科学的原理。这一原理在20世纪初提出，引发了一场物理学革命，其影响所及，远远超出物理学本身。
爱因斯坦当初完成论文《论运动物体的电动力学》时，还只是瑞士伯尔尼专利局的技术审查员，无论在社会上还是在科学界都属于无名之辈。这篇论文虽然只有9000字，但是它的思想大胆，含意深奥，以至于知音难觅，敢于问津者少之又少。当时量子论的创始人柏林大学物理学教授马克斯·普朗克（1858—1947）一眼看出这篇论文可与哥白尼革命相媲美，正是他安排把爱因斯坦的论文在德国科学期刊《物理学纪事》上发表。在1905年，爱因斯坦才26岁，处在科学创造力的顶峰时期，他在三个月时间内发表了4篇重要科学论文，其中除《论运动物体的电动力学》以外，被称为“革命性的”论文，还有一篇用量子假设解释光电效应的论文，一篇讨论分子运动理论中布朗效应的论文，一篇讨论力学理论的论文。
1913年夏，已经年过半百、享有世界声誉的普朗克和另一位著名的大物理学家H.W.能斯特（1864—1941）亲自前往苏黎世恭请爱因斯坦到柏林担任物理学教授。这时的爱因斯坦已赢得世界声誉，各国的科学界都热情欢迎他，把他视为“20世纪的哥白尼”。保守的诺贝尔基金委员会虽然认识到爱因斯坦对科学做出的巨大贡献，但是不相信狭义相对论的正确性，在讨论授予爱因斯坦诺贝尔奖金时，只承认他对光电效应解释所做出的贡献，于1921年把诺贝尔物理学奖颁发给爱因斯坦。
