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20世纪，人类科学事业得到空前的发展，科学家的人数、科学论文数、科学杂志数都呈指数型增长。人类认识自然界的范围无论向内（微观世界），还是向外（宏观世界），都扩大了10万倍以上。人类认识问题的性质也在不断地变化：从研究存在的自然界，进一步发展到研究演化的自然界；从研究具有必然性、精确性、有序性和规则的自然现象，发展到进一步研究具有偶然性、模糊性、无序性和不规则性的自然现象。所有这些，都与20世纪层出不穷的科学革命有关，它们更深入地揭示了自然界方方面面的本质和规律。
一、物理学革命：相对论和量子力学的创立与发展
19世纪末经典物理学晴朗的天空上突然飘来了两杂“乌云”，其中之一就是所谓的“迈克尔逊－莫雷实验”问题。迈克尔逊和莫雷的实验是1887年在美国做的，他们的目的是要测量顺着地球转的方向的光的速度和背着地球转的方向的光的速度。这起源于一个很简单的想法，他们觉得既然地球在转，那么按照经典力学的观点来看，顺着这个方向走的光要快点，背着地球转动方向的光要走得慢一点。但是实验结果表明，这两个方向的光的速度是一样的，这大大地出乎人们的意料，这样就形成了一个与经典力学相悖的严重的反常问题。
为了解决这个问题，物理学家爱因斯坦于1905年提出狭义相对论。这个理论认为，牛顿的经典力学理论只是在宏观物体运动处于低速的时候才有效，一旦物体运动的速度接近于光速时，这个定律将失效。爱因斯坦的狭义相对论建立在两个基本假设上：(1)在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中物理定律都是相同的；(2)光速永远具有相同的值，与光源的运动状态无关。从这两个假设出发，爱因斯坦进一步推出了如下的四条定理：(1)运动物体的长度沿运动方向会变短，(2)运动时钟会变慢，(3)运动物理的惯性质量加大，(4)质理与能量满足下列关系：E=mc[2]。相对论所提出的关于运动物体的新定律由实验完满地确认了。狭义相对论告诉我们，物体运动状态的变化会导致它的长度（即空间）和历时（时间）的变化，这就是说，时间和空间与物体的运动是关联在一起的；质量是能，而能也具有质量。
1915年，爱因斯坦又提出了广义相对论。这个理论的有效性不再限于惯性坐标系。这个理论分析了引力问题，提出了“引力场”的概念，并且建立了引力场的新的结构定律。这个理论认为，整个宇宙就是一个引力场，但是宇宙中引力场的强度的分布是不均匀的，有些地方强，有些地方弱，这与宇宙中物质的分布不均匀有关，物体周围引力场的强度与物质的质量成正比，并且随着到核心距离的增加而衰减，这个引力场影响任何物质周围的空间。例如，太阳是一个具有巨大质量的天体，在它的附近引力场的强度就大；而太阳和另外一个距地球最近的行星之间，由于相距甚远，且其中物质分布的密度甚小，故其间的引力强度也甚小。因此，物质的分布决定了时空的结构和性质，时间和空间不可能离开物质而独立存在。这就在更深一层意义上否定了牛顿的绝对时空观。用爱因斯坦自己的话来说，牛顿绝对空间的绝对性，表现在“空间不仅作为一个同物质客体无关的独立的东西而引进来”。广义相对论几经实验结果的确证，这个理论是正确的。
在19世纪末以前，人们常常认为原子是自然界万物的本原物质，万物由原子构成，万物毁灭了以后又还原为原子，原子是宇宙中最小的、不可再分的物质。这种观点到19世纪末被科学的进程所打破。1897年，英国物理学家汤姆逊在做有关阴极射线实验时发现并证实了电子的存在，他提出电子是一种带负电荷的粒子，其质量不到氢离子质量的千分之一。1909年英国物理学家卢瑟福和他的学生在做用α粒子轰击金箔的实验时，发现了原子核，他认为原子核带正电。在此基础上，卢瑟福提出了原子结构的有核模型，即原子由原子核和电子组成；电子绕着原子核旋转，就像行星绕着太阳旋转一样；原子核的质量占整个原子质量的绝大部分，但所占空间极小，约10[-12]米范围，电子的质量占整个原子质量的极小部分，但所占整个原子空间的绝大部分，约10[-10]米范围。
19世纪末经典物理学晴朗的天空上第二杂“乌云”，是人们用经典物理学的理论无法解释在黑体辐射实验中获得的数据。1900年，德国物理学家普朗克根据“黑体辐射”实验所获得的数据发现，高温物体与电磁场交换能量、发生辐射的过程中，能量交换一定是与电磁波频率成正比的能量的整数倍，即能量并不是连续地而都是一份份地辐射和被吸收的，也就是说能量是量子化的。他用公式表示为△E=nhμ，其中n是正整数，h是普朗克常数，μ是电磁波频率。他把"hμ"看作能量的最小单位，称为“能量子”。虽然普朗克本人并未充分注意到能量量子的物理意义，但却是他第一个把能量不连续引入了物理现象的描述。1905年爱因斯坦在解释光电效应（金属表面受光照而发射电子）时，再次指出光也表现为粒子（光子），具有确定的与频率有关的能量E=hμ，实验证明这里的比例常数，就是普朗克在研究辐射问题时引入的常数。爱因斯坦的这个观点，即光同时具有波动和粒子的特征，是在物理学中，第一次用波粒二象性统一地看待世界。
1913年，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福原子有核模型和普朗克量子论的基础上，提出了氢原子结构的模型。他认为：电子只能在一些特定的圆轨道上绕原子核运行，在这些轨道上，电子的角动量是h/2π的整数倍；电子在上述特定轨道上运行时，不发射也不吸收能量，因此是稳定的（即处于“定态”）；当电子从一个具有较高能量E[,1]的轨道跃迁到具有低能量E[,2]的轨道时，就要发射出辐射。辐射的频率μ满足如下关系：hμ=E[,1]-E[,2]，反过来，如果电子从E[,2]跃迁到E[,1]，那就是辐射的吸收过程。在玻尔的氢原子模型中，能量不再是连续的，而是量子化的。他就提出了电子状态的量子化规则，并得到符合光谱实验的结果。在此基础上，1923年法国物理学家德布罗意把波粒二象性的统一，从光和电子推广到传统上认为是粒子的物质实体上去，这就是波粒二象性原理。
经过许多科学家的共同努力，1926年奥地利物理学家薛定谔和德国物理学家海森堡等人建立了量子力学理论。在他们给出的量子力学基本方程中，电子在空间的状态不再是以唯一的位置，而是以一个分布函数（波函数）表示，对氢原子来说波函数给出的状态与玻尔原子模型中的电子量子化完全一致。1926年德国物理学家玻恩提出了波函数的统计解释，认为它代表粒子出现的几率。
波粒二象性的统一和波函数的统计解释，标志了人类物质观的又一大进步。量子力学给出了微观粒子的运动规律，它的状态和变化就完全不同于经典力学和经典电动力学的描述。由于构成任何物质的所有原子都是由电子和原子核组成，只要不涉及到核反应，可以说物质的任何性质和现象都是电子状态和运动的反映。量子力学为所有试图从微观水平上了解物质的一切性质和现象奠定了基础。
20世纪物理学革命导致物理学本身的迅速发展。20世纪40年代以后，物理学进一步沿着两个方向发展。一个方向是对电子、原子和分子组成的体系，从微观上探索其运动规律，并阐明这些运动与宏观性质上的联系，这就形成了凝聚态物理学、原子分子物理学、现代光学和声学等现代物理学的分支。半导体晶体管、集成电路和激光器的发明就是这个方向上应用研究的技术成果，由此派生出一系列诸如微电子、光电子、电子计算机和现代通信等现代信息技术，派生出超导技术与各种各样的新材料技术，以及近年来才出现的分子、原子超重与构建等技术。另一个方向是探索原子核、基本粒子和夸克这样更深层次上的物质结构，引力和电磁力以外的相互作用，以及与这些更基本的结构和新的相互作用联系的运动规律，这就形成了核物理学和粒子物理学等现代物理学的分支。原子核能的应用就是这个方向上应用研究的技术成果，由此派生出核裂变反应堆发电站技术和可控制热核聚变反应发电技术的研究。人类有史以来从未有过哪一套理论曾给技术发展带来如此大的推动。
现代物理学的这些成就还大大促进了其他学科领域的发展。例如，量子理论对元素周期表的解释使化学取得了牢固的基础。化学中的许多新领域如化学键理论、分子和量子化学、化学动力学等，则是更直接在量子力学基础上建立起来的。此外，量子理论对分子生物学和现代宇宙学的形成来说，都有一定的奠基作用。
二、生物学革命：分子生物学的建立
根据奥地利生物学家孟德尔的遗传学和美国生物学家摩尔根的基因说，在20世纪20年代人们确认染色体上的基因是生物体遗传的物质载体。那么，遗传信息的载体是由什么物质组成的呢？起先，人们认为是蛋白质。20世纪40年代，美国细菌学家艾弗里等人通过大量的实验发现细胞核中的脱氧核糖核酸（简称DNA）是遗传信息的载体，而不是蛋白质。在此之前，生物学家就发现DNA类有四种碱基，即腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(C)和胞嘧啶(C)。1952年，奥地利生物化学家查伽夫又发现碱基A与T之间、C与C之间的比例总是大约为1。这些工作都为后来建立DNA结构模型奠定了基础。
20世纪50年代之后，分子生物学诞生并取得了一系列的成果。1953年美国生物学家沃森和英国物理学家克里克用X衍射实验，从分子水平上弄清了遗传物质DNA的内部的立体结构，建立了DNA的双螺旋结构模型。他们认为，染色体的主要成分是脱氧核糖核酸(DNA)和组蛋白，基因的主要特性由DNA决定，DNA分子的立体模型犹如是由两条链被扭曲而成的螺旋形式的梯子，梯子的两边是由许多核苷酸组成，一对互补的碱基（A与T、C与C）构成阶梯，糖和磷酸构成两侧的扶梯。每个阶梯之间的间距为3.4埃，每十个阶梯绕轴一周，长度为34埃。两个核苷酸链经相反方向围绕一个公共的轴卷曲，形成右旋的双螺旋结构。DNA长链的无穷变化全在于四种碱基的不同排列。DNA复制时，碱基对间的氢键断裂，两条核苷酸链的旋绕松开，碱基显露出来，像拉链一样被拉开。核苷酸链上的碱基显露后，它们按照互补配对的要求，吸引着带有互补碱基的核苷酸，然后在邻接的核苷酸间形成磷酸链，这样一条新的互补的核苷酸链出现了。当这个过程完毕时，新形成的两个DNA分子相互一样，也跟亲代分子一样，这就为说明DNA分子的自我复制和遗传住处由亲代到子代的遗传传递找到了坚实的分子基础。
之后，生物学家又进一步发现了DNA链上的核苷酸的排列是有一定顺序的，这个顺序就是控制生物性状的遗传信息或遗传密码。60年代初，物理学家伽莫夫、克里克及生物学家布伦纳等揭示了：三个连续的碱基形成一个“密码子”，由它决定某一氨基酸。到1963年生物体内的20种氨基酸的遗传密码已全部被科学家探究清楚。到1969年64种遗传密码的含义也全部被科学家解答。至此，一张在现代生物学史上具有重要意义和地位的“遗传密码表”就问世了。
随着遗传信息秘密的揭示，遗传信息在亲子代中的传递途径也于1958-1970年逐渐被生物学家克里克等人弄清，这就是“中心法则”的理论。它认为，遗传信息不仅可以从遗传物质DNA经过自我复制得到保存下来，再经过转录传递给染色体中的另一种遗传物质核糖酸RNA；遗传信息也可以从RNA经过自我复制传递给RNA，然后通过反向转录传递给DNA。最后再由RNA上的遗传信息指导蛋白质的合成即指导蛋白质中氨基酸的排列顺序，由此决定了蛋白质的特异性，从而导致子代与亲本在某些方面的性状的一致。这也就是说，从RNA到蛋白质的合成（遗传信息的翻译）的途径严格地是单向的路线，生物躯体蛋白质并不能诱发RNA或DNA的任何改变。从来没有看到过按照相反的方向即按照蛋白质到RNA和DNA的方向传递信息的。而且也难以想象会有其他什么途径可能做到这一点。这是确实可靠的，是以迄今所积累的如此齐全并得到证实的观察为基础的。因此，没有另外一种机制可以改变蛋白质的结构和功能，哪怕是把这种改变部分地传递给后代。
分子生物学在分子水平上揭示了生物遗传的机制。它告诉人们，遗传物质DNA本身并不参加建立新个体的躯体，而只是一种蓝图，作为由“遗传程序”所派定的一套指令，一套控制蛋白质合成的指令。遗传物质并不是子代躯体的“种子”或“胚芽”。
分子生物学的突破还为现代生物工程技术奠定了基础，20世纪70年代以后由此派生出基因工程、蛋白质工程、细胞工程等技术，它们导致了制约技术、人类疾病诊断和治疗技术、人类器官再生移植技术和现代农业技术等一系列重大突破。
三、地学革命：地球板块构造理论的提出
1900年前后人们根据天文观测曾惊讶地发现，位于北极与北大西洋之间的格陵兰岛，在1823-1870年的37年间与欧洲大陆之间的距离扩大了420米，平均每年移动9米；在1870-1907年的37年间与欧洲大陆的距离又扩大了32米，平均每年约移动1米。究竟该作何解释？
1912年，德国气象学家魏格纳提出了大陆漂移说，并在1915年出版了《大陆和海洋的起源》一书。他设想，在距今约二三亿年前，现在地球上的所有大陆均连为一体，构成一个原始大陆即泛大陆。在它的周围是一片广阔无垠的海洋，称为泛大洋。后来，泛大陆逐渐瓦解，美洲离开了欧洲、非洲向西漂移，越漂越远，中间形成了大西洋。非洲有一半脱离了亚洲，在向西漂移的过程中，它的南端按顺时针方向略微扭动，渐渐与印度次大陆分离，中间形成了印度洋。南极洲、澳大利亚也与亚洲分离，分别固定在现在的位置上。他还认为，地球上的山脉也是大陆漂移时因褶皱而形成的。大陆漂移说具有一定的观测事实和古气候、古生物方面的证据，也能解释一些过去地质学上不能解释的问题。但是，这个理论在对大陆漂移的原动力问题上没有得到确切的解释和论证，于是受到人们的冷遇。
1928年，英国地质学家霍姆斯提出了地幔对流的设想，认为地幔内的熔融岩浆上升到巨大的大陆中央，并向左右散开，这时巨大的大陆就会从这里向两侧裂开并漂移，这样大陆漂移的原动力便可解决。
后来，地质学家在海洋和极地的地质考察中发现了大洋中脊（海岭）、地热流分布的特异性、规则的海底地磁等观测事实。美国地质学家赫斯和狄兹于1961年前后又提出了海底扩张说。他们认为，地幔对流驱使超基性物质从大洋中脊裂缝中上升，为海洋底壳增添新的地壳，促使较老的地壳向外推移最后进入海沟，俯冲到地幔中而消亡。地壳就是这样，一面生长，一面消亡，不断更新。
1960年代末，美国普林斯顿大学的摩根、英国剑桥大学的麦肯齐、美国拉蒙特地质研究所的艾萨克斯和法国海洋开发中心的勒皮雄等不约而同地提出一个全新的理论，即板块构造说。
板块构造说首先根据地球物理方面的最新资料，在地球的最上层划分出一个连续不断的全球性的岩石圈，它约70余公里厚，刚性，不易变形，但能破裂。岩石圈的下面是软流圈，它相对于岩石圈来说，居于地球内部更深的层次，这里的压力相应增大，温度也相对升高，至少部分物质可呈熔融状态，因此，具有更大的可塑性，能够缓慢地流动，其厚度可达几百公里。软流层的物质在不停地运动着，形成规模大小不同的对流系统。这些对流系统上升流的顶部，就是大洋中脊，熔岩从这里涌出、凝结，然后向两侧扩张。扩张的海底好像传送带，而其上的岩石圈板块则好像坐在传送带上的“乘客”，随着“传送带”的转动而不断移动。这个理论根据岩石圈在地质和地球物理方面的某些特点，将全球岩石圈划分为六大板块，即欧亚板块、太平洋板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极板块。地幔对流是板块移动的内在动力，海底扩张是地幔对流的外在表现形式，也即板块移动的具体承担者。一般来说，在每一个板块内部，地壳比较稳定。板块与板块交界的地方，则是地壳比较活动的地带，这里常有火山、地震以及地壳的断裂、挤压和褶皱等地质活动现象。世界上地震最多的地方，就是太平洋板块与其他板块交界的地方。板块与板块之间的分界线有四种情况：洋脊、海沟，转换断层和地缝合线。其中，洋脊是板块与板块之间的扩张边界，在力学性质上属张性，代表岩石圈破裂的地带，也是新地壳的诞生地。海沟是板块的聚集边界，也是板块的消亡带。转换断层是板块的另一种边界，它把大洋中脊整整齐齐地切成一段一段。这种断层表面看起来很像平移断层，把相邻两面海岭切断、错开。当两块板块相撞，地壳受到挤压，相遇部分褶皱成山，从而使原来分离的两块大陆粘合起来，这种边界就是地缝合线。
板块构造说被认为是一种“新全球构造论”，它更新了有关海陆演化现象的旧观念，导致了现代地学革命。近年来，地质学家将板块构造说用于研究地震和矿产资源的形成和分布，取得了一些突破性的进展。
四、天文学革命：大爆炸宇宙学的建立
宇宙的起源和演化，亦即天体的来龙去脉，一直是人们探索的重要问题。随着人们视野的扩大，天文学家进一步研究大尺度天体系统的起源和演化，提出各种假说，大爆炸说是其中较为成功的一种。
大爆炸宇宙说起源于人们对宇宙膨胀的察觉。过去，人们仰望夜空总会得到一个强烈的印象，所有的行星都像是永远不动的。1910年以后，天文学家观测到恒星不“恒”，恒星事实上是在运动着，而且速度可以达到每秒几百公里。人们的这种发现是借助“多普勒效应”得到的。这条原理告诉我们，远离地球而去的恒星发出的光的光谱线会发生“红移”，而向着地球而来的恒星发出的光的光谱线会发生“蓝移”。根据这条原理我们就可以测量出恒星是远离我们而去还是向着我们而来。在1910～1920年的10年内，洛威尔天文台的天文学家斯莱弗在测定41个星系的视向速度时，发现光谱蓝移的是少数，光谱红移的是大多数，这意味着宇宙中的大多数星系正在离开地球而退行，如遥远的室女座星系团以约每秒1000公里的速度背向地球飞驰。1929年，美国天文学家哈勃测量了河外星系的距离之后，得出河外星系退行的速度与它和地球之间的距离大致是成正比例的（至少在速度不太接近光速时是如此），这就是哈勃定理。这些观测结果和哈勃定理说明，宇宙在均匀地并且是各向同性地在膨胀。它们动摇了有史以来关于宇宙整体静止的传统观念，为进一步研究宇宙的起源和演化扫清了道路。
那末，宇宙为什么会膨胀呢？1927年，比利时数学家勒梅特提出，膨胀是宇宙最初发生过一次爆炸的结果，宇宙最初是一个极端致密的宇宙蛋，后来发生了爆炸，一片片碎块向四面八方飞散，并形成了各个星系。1940年代末，美国物理学家盖莫夫将广义相对论宇宙学和化学元素生成理论联系在一起，探究宇宙膨胀现象，把勒梅特的上述观念加以具体化，系统地提出了大爆炸宇宙说。他经过计算认为，宇宙开始于高温、高密度的原始物质。最初温度超过几十亿度，很快降至10亿度，那时的宇宙中充满的是辐射和基本粒子，随后温度继续下降，宇宙开始膨胀。我们今天的各种元素都是在爆炸发生后头半个小时内形成的。在爆炸后的2.5亿年内，辐射超过实物占了优势，因而宇宙物质保持稀薄气体的分散形式。当膨胀持续了100万年，温度冷却至4000K，实物反过来占了优势，物质逐渐凝聚成星云，再演化为今天所见的各种天体。
既然宇宙在爆炸后一个相当长的时间内辐射占优势，那末今天我们应找到当初辐射所留下的遗迹，即“背景辐射”，而且科学家已计算出这种背景辐射的强度大约为10K。正是在这一点上，大爆炸宇宙说在1965年得到3K宇宙微波背景辐射观测事实发现的确证。微波背景辐射，是指宇宙空间在微波波段（波长从1毫米到小于1米）所发出的各向同性辐射，也称宇宙背景辐射。1964年美国贝尔电话公司的彭齐斯和威尔逊在装置卫星通讯用的角状天线时，发现总有原因不明的噪声的干扰，非常像人们在雷雨天气时从收音机里所听到的天电干扰。当时他们的工作波长是7.35厘米。这种干扰与方向无关，具有各向同性；也不随四季的变化而变化，是稳定的。后来得到科学家的解释，才逐渐认识到这就是来自宇宙空间的微波背景辐射，其强度约为3K，这与上述理论预言值10K相差不多。天文学家认为，这种微波背景辐射是宇宙100亿年前一度处于热平衡状态时所遗留下来的。因此，它也是我们人类所接收到的最最古老的信号，它比我们所看到的那些从最遥远的星系发射的光迹要古老得多。这项发现的意义在于，它使我们能够获得很久以前在宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息，是对大爆炸宇宙说的一次经验事实的确证。从此这个学说开始为大家所接受。
1973年，美国物理学家温伯格根据物理学的最新成就，将大爆炸过程比较具体的描述推前到爆炸后的百分之一秒的时刻，从而为人们提供了迄今为止最为精细的宇宙创生和演化的图景。
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