22.尚待揭秘的黑体辐射
黑体辐射的实验结果，是另一项和19世纪物理学家观念有明显抵触的研究。
所谓的黑体，是会吸收照射到它表面的电磁辐射的物体。无论电磁辐射的频率为何，在黑体被加热至高温时，就会将这些辐射再度释出。黑体辐射的知识也帮助科学家得以解释大爆炸时宇宙起源的一些证据：宇宙早期像个黑体，藉由黑体理论推测出了早期宇宙遗留下来的微波背景辐射的频率及温度。
真正的“黑体”不容易找到，不过，德国物理学家威廉·维恩曾提出一个近似黑体的模型。维恩所提出的黑体模型是个不透光的容器，壁上有一小孔。如果光透过小孔照人容器内，则所有的光最后均会被内壁吸收，光由小孔射出的机会可以说是微乎其微，即使光一开始被反射，它将照到另一片内壁，一直到光完成被吸收为止。之后，黑体加热时，这些被吸收的光会由内壁释出，再由小孔放射出辐射，此即为黑体辐射。
19世纪中叶的德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫证明出：“每种物质都只吸收特定频率的光。例如，钠吸收黄光，钾吸收紫光”。他亦发现：当物质受热时，所释出的光线和吸收的光线的频率相同。
维恩特别感兴趣的是，在黑体受热时，光的频率及能量的释放。他发现：“在一定温度下，黑体所释放的光有一特定频率。当温度增加时，各个频率的光都跟着增强，但其中以某一特定频率的光为主，而这特定光的频率比低温时所释放的光的某一特定频率要高。”
维恩并提出一套数学公式来说明他的实验结果，然而他的公式只能解释在各种温度下由黑体释出的高频光部分，而无法对低频光作合理说明。
23.奇异的放射性
放射性是一种原子的特性，这很可能是了解原子构造这重要资料的来源。在发现钋及镭之后，科学家终于明白放射性来自原子中的原子核，已开始知道物质间的化学反应是由于原子中的电子作用，但对原子中其他构成单位及其排列方式，却所知有限。之后的研究显示，原子核在原子中所占的空间极微小（仅占百兆分之一），但原子的重量却几乎全在原子核上。
原子核不稳定时，即会产生辐射，在放射性衰减后，原子核就会转换到一个较稳定的状态。由于元素的辨别完全由原子核决定，故原子核的放射性转变即是元素的转换过程。举例来说，轴原子核十分不稳定，所以它会衰减成较稳定的钍。而钍的原子核仍不稳定，于是它再次衰减为镁。不稳定的元素转换成较稳定元素的过程，会一直持续到一个不具放射性元素产生为止，这整个过程就是因放射性衰减。铀转换成稳定且不具放射性的铅元素有多达14个过程，在这一系列的放射性衰减过程中，镭及钋都只是中间的产物而已。
原子核在进行放射性衰减的同时，会释放出各种辐射或粒子。在20世纪早期，已知由铀及其衍生元素发出的射线中，有三种主要射线，即阿耳法粒子、倍塔粒子及伽玛射线。阿耳法粒子即为氦的原子核，为原子中较重但占空间较小的原子核；倍塔粒子则为源自氦原子核中的电子；至于伽玛射线即为高能量的电磁辐射。放射性提供了研究原子核的方法，只需研究稳定原子核之释出物，即可更清楚地了解该原子核的结构。
24.破解太阳燃烧之谜的质能关系式
太阳太神奇了，它一直在熊熊燃烧，烈焰腾腾，长久不灭。其中的奥秘是什么？相对论创立之前，人们只能作各种猜测，始终无法解开这个谜。有人曾猜测太阳可能是一块猛烈燃烧的煤。可是，根据它的质量进行计算，却发现这一猜测不合理，因为如果真的是煤，它最多只能燃烧1500年，不可能燃烧几十亿年之久。
放射性发现后，又猜测太阳可能是块大铀，因不断衰变而放出能量。衰变持续几十亿年是没有问题的，可是有充分根据说明太阳不是由铀构成，而是由氢氮这类轻元素构成。到20世纪20～30年代，核能研究取得突破，科学家用爱因斯坦的质能关系式，来解释太阳核聚变释放能量的过程，不解之谜终于被破解。
爱因斯坦的质能关系定律。
光、热、电、磁是否有重量？怎样称出其重量？这一问题的解决，关键就是找到质能之间的内在联系，即找到质能关系式。发现月亮、苹果之间的重力联系的牛顿，提出了万有引力定律；找到了电磁之间的联系的法拉第，使磁变成了电；发现了电磁场之间联系的麦克斯韦，创立了电磁场理论。质能关系式的确立，是科学研究中又一个重大的突破。
25.独树一帜的线性势力学
宏观系统的自然倾向是循着时间箭头走向平衡态，但是，如果系统的这一过程在它达到目的地之前就停止了，情况又会是怎么样呢？
我们用一个盛有氢气和硫化氢气体混合物的容器来说明，只要使一个系统保持在非平衡的状态，就可以推翻“熵就是无序”这样一个肤浅的教条。一般人会认为，当混合物被加热时，它会变得更加无序：热量加得越多，气体分子就会越起劲地在容器里到处乱跑。但是，现在让我们来防止它达到平衡态，这只要使容器的两端保持一个很小的温度差就行了。实验显示，在容器中的两种气体将逐渐发生分离：较轻的氢气跑到容器中较热的一端，而较冷的一端则高度集中着质量较大的硫化氢。物理学家们将这个效应称为热扩散。
平衡势使我们能够预测一个热力学系统的最终状态。它表明系统就像一个在路上滚动的球，无论它从凸起的什么地方开始滚动，最后总是停止在低洼之处。
当一个系统由于其周围环境的限制而不能达到平衡时，是否对非平衡态行为也有一个类似的说法？总的说来，答案是肯定的，只要系统不是离热力学平衡太远。
为了对热扩散确定一个热力学势，容器两端的温度差，也就是温度梯度，必须充分小。
温度梯度给了该系统一个“推动”，因而可以被描述为如同一种热力学力。
这样的力造成了热量流和质量流，就像踢球使球运动一样。在接近平衡的时候，热量流和质量流表现得很简单——如果力增加一倍，则流也增加一倍，如此等等热量流和质量流与造成它们的力直接成正比，因而物理学家把这种情况下的热力学叫做线性热力学。
线性热力学主要是由美国耶鲁大学的昂萨格的努力，才在20世纪30年代打下了坚实的基础，昂萨格为此获得了1963年的诺贝尔化学奖。昂萨格的“倒易关系”接着说，物质的浓度梯度将产生热流，这个效应已经在实验上得到了证实。
26.奇妙的钟慢尺缩效应
钟慢尺缩效应，是狭义相对论的又一个重要结论。当物体在低速运动时，它的空间广延性和时间持续性的变化极其微小，基本上可以忽略不计；可是，当物体以接近光速的速度运动时，物体沿着运动方向的广延性就会缩小。一把长度一定的尺子，在以接近光速度运动时，长度就会缩短。速度越接近光速，尺子就缩得越短。
与此相仿，狭义相对论还证明，当物体以接近光速的速度运动时，内部过程的时问持续性就会延长，原来12小时走一圈的时针运动，现在也许要花30～40小时，这一现象又叫钟慢效应。
钟慢效应已被实验所证实。1971年，两个美国人取了3个完全相同的原子钟，对准之后，将其中的钟R放在地面上，另两个分别装在两架喷气式飞机上，其中一架装着钟A顺着地球自转方向绕地球飞行；另一架装着钟B逆着地球自转方向绕地球飞行。两架飞机绕地球一周返回原地后，把3个时钟做比较，结果发现：钟A比钟R慢了59纳秒（1纳纱=10-9秒），而钟B却比钟R快了270纳秒。这两个数值，同狭义相对论和广义相对论把高度效应和速度效应结合起来推算的结果是非常接近的。
有人根据钟慢效应指出，一个人如果乘光子火箭以光速到太空旅游，若干年后返回地球时，他的兄弟都已成为白发苍苍的老者，而他却比侄儿们还要年轻。
按现代宇宙学理论，谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会显得更年轻。这就是说，钟慢效应是能够成立的，需要补充的是：不能只讲相对性而完全否定坐标系的绝对性。
27.令人费解的反物质
世界万物究竟为什么都是由物质而不是反物质组成的，其原因也许已经被发现了。
美国和日本科学家在1999年3月5日宣布，他们在芝加哥附近一台粒子加速器中所进行的最新实验结果表明，物质和反物质相互之间其实并不存在完全对称的“镜像”关系。
这可以解释为什么宇宙“大爆炸”中曾经存在的所有反物质都已消失。科学家对于他们所看到的效果的规模感到“震惊”。
美科学家所获得的这项新发现使他们得以管窥宇宙组成的基本方式。这一发现表明，在亚原子水平上的宇宙是一个复杂混乱的场所，这个发现也许能解释世界到底为什么以目前这样的方式存在。
弄清反物质与物质之问是否存在微小的差别可以解释反物质消失的原因。科学家在研究了一种名叫B介子的亚原子粒子的行为后，谨慎地报告说发现了“令人好奇”的结果，这些结果表明物质和反物质并不遵循相同的物理学规律。
他们认为，他们所看到的这一现象在学术上叫做“电荷宇称的直接不守衡”。这意味着如果把物质变换成反物质，同时再把左右进行对调，那么粒子的行为会有所不同。
物理学家说，这种“不对称性”在宇宙“大爆炸”后的最初时刻里会十分重要，它也许导致了几乎所有反物质的毁灭。
20世纪初，科学家曾预测了反物质的存在，之后还制取了微量的反物质。
他们认识到，物质和反物质一起导致了表现为能量爆发的湮没。
倘若当初反物质没有从我们的宇宙中消失，那么今天的整个宇宙将完全由放射线所组成，根本就没有任何物质。
28.特性奇异的电子
在反射性问题的研究暂时处于停滞不前的时期，科学家们对阴极射线本性的探讨却相当活跃。那是沿着两条不同的途径同时进行着的：一条是汤姆逊对阴极射线粒子荷质比的测定，另一条则是洛伦兹、塞曼根据电子论对塞曼效应进行的理论分析。
1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊苦苦思索了勒纳德实验，即1894年，勒纳德让阴极射线通过极薄的铝箔做成的小窗，成功地将阴极射线引到放电管外。汤姆逊认为这个实验证明，阴极射线的粒子比原子小，因为原子是不能穿透铝箔的。他还发现，阴极射线在磁场中的偏转与残留气体无关。接着，他发现阴极射线之所以在磁场中不偏转，是因为它使放电管内的稀薄气体具有导电性的缘故。于是，他提高了放电管的真空度，并加上适当的高压，成功地使阴极射线在电场中得以偏转。由此，他得出结论，阴极射线是带负电荷的物质微粒。
为了弄清此问题，汤姆逊就这些粒子的质量和它们所携带的电荷之比进行了一系列的测量。经过测定和比较，汤姆逊发现，阴极射线粒子与普通分子相比要小得多。
1897年8月初，汤姆逊将上述实验结果汇集在“阴极射线”的论文中，该文于当年10月发表在《哲学》杂志上，他称那种射线为“电子”，是“构成一切化学元素的材料”。
另一方面，塞曼于1896年发现，钠火焰在电磁铁的作用下，D线比通常情况下变宽了，此即所谓的“塞曼效应”。塞曼认为，洛伦兹的电子论能够解释这一现象，立即就将自己的发现和考察情况告诉了洛伦兹。洛伦兹立即说明了计算磁场中离子的方法，同时指出，塞曼实验中变宽的谱线的两侧周边的光应该变成圆偏振光和线偏振光。根据洛伦兹的提示，塞曼观察到了这一预言的现象，并测量出了电粒子的数量级以及电粒子的正负。
物理学上一场全新的革命发生了！人们惊奇地认识到，原子并非是构成物质的最小微粒，事实上，它是由更小的、具有奇异特性的粒子构成的。
原子的奥秘被揭开了！
29.多种多样的基本粒子
物质的基本粒子是指构成物质的最基本组分，其本义是指内部结构不可再分的物质的基本单元。在20世纪初，随着实验上对原子论的证实，人们认为原子是物质的基本组分。但随着原子核在1911年的发现以及其后中子在1932年的发现，人们认识到原子是由质子、中子和电子构成的，原子不再是物质的基本组分。在这以后，把光子、电子、中微子、质子、中子和陆续大量发现的介子和共振态粒子称为基本粒子。
到目前为止，已发现的基本粒子已达400多种。早期人们曾经按基本粒子的大小进行分类，后来发现这种分类方法的不足，因为质量只表征了粒子一方面的特征，随着研究的深入，人们发现除质量外，还有电荷、寿命、自旋等许多标识粒子的物理量。现在一般都按它们参与相互作用的种类进行分类，至今人们认识到的最基本的相互作用有四种：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。
