玛丽·居里在1903年写了这一课题的博士论文，为此，她和皮埃尔，以及贝克勒尔分享了这一年的诺贝尔物理学奖。8年后，皮埃尔已经去世，她由于发现两种新元素获得了另一项诺贝尔奖，这一次是化学奖。
奇异的电子
与此同时，正当居里夫妇在为提炼以前不为人知的镭元素而辛勤工作时，在英国剑桥的约翰·汤姆孙也对伦琴的X射线产生了浓厚兴趣。
汤姆孙才华出众，14岁就进入了曼彻斯特大学。他本来计划学习工程，但是因为家里不能提供进一步深造的费用，他只好放弃这一计划。后来他成了一位物理学家——对于现代物理学的发展来说这实在是一件幸运的事情。1876年，他获得了到剑桥大学学习的奖学金，从此他的家就安在了剑桥。7年后，他成了物理学教授，1884年担任卡文迪什实验室主任，正是在这里，他激励了整整一代年轻科学家的心灵，直到1919年退休。由于他的影响，卡文迪什实验室成了以后30年原子研究的主要基地。
汤姆孙最初的兴趣是麦克斯韦的电磁场理论，后来他被阴极射线迷住了，就像伦琴当初被它迷住那样，因为阴极射线似乎在本质上不同于电磁现象。其他人已经证明，阴极射线可以被磁场偏折，或者偏向一边。他们说，这证明阴极射线是由带负电的粒子组成的。但没有人能够证明阴极射线能够被电场偏折——如果阴极射线是带电粒子的话，它应该被电场偏折。
汤姆孙在1896年接受了挑战。他用阴极射线管做实验，在引进电场后成功地使射线偏折。他测量了偏折和速度，用不同的阴极材料作测试：铝、铜、锡、铂，还把不同的气体，如空气、氢和二氧化碳，引入射线管里试验。所有的数据都完全相同。他意识到，如果阴极射线是带电原子，就像某些研究者想到的那样，数据就会不同——不同的数据反映出原子的不同质量。
1897年，他满意地离析出了所谓的“负微粒”，他相信这就是物质的组成部分，是比原子小得多的基本粒子。汤姆孙发现了原子是可分的！“我们在阴极射线里发现了一种新的物质状态，”他声称，“在这种状态里，物质的亚结构（subdivision）处于一种比通常气体状态下更为松散的状态”。这一“物质的亚结构，”他说，是“构成化学元素所需的物质”的组成部分。他从爱尔兰物理学家斯坦尼（George Johnstone Stoney，1826—1911）那里借用了“电子”（electron）一词。1891年，斯坦尼创造了“电子”这个词汇，用来表示原子成为离子（带电粒子）所失去的单位电量。
对于物理学界和化学界来说，这是一个令人震惊的消息。科学家第一次猜测，原子还有内部构造——原子是自然的最基本成分这一认识受到了威胁。长期以来，人们明确认定氢是所有原子中最轻的，现在有一种粒子竟比氢还轻2000倍。唯一可能的解释就是这一带负电的新粒子是亚原子粒子——是比当时所知“最基本单元”还更基本的结构单元。这是唯一可能的解释，但是按照旧原子理论的每一条原则，这都是不可能的。就像一位科学史家所说：“原子解体为亚原子粒子已经开始”。这也许会是一条很长的路，甚至今天我们也还没有走到尽头。
与此同时，1899年贝克勒尔在法国注意到，他发现的放射性辐射可以被磁场偏折。由此推断，他研究的射线至少有一部分也是微小的带电粒子。到了1900年，他得出结论，认为放射性辐射中的带负电粒子和汤姆孙在阴极射线中发现的电子是等同的。
到了1901年，贝克勒尔还意识到，他一直在研究的盐中的铀成分正是玛丽·居里称之为放射性的辐射源。他的结论是电子只能来自铀原子本身。
所有这些对于原子的定义有什么影响呢？显然，它们不再是像道尔顿所设想的那样，是光滑不具特征的微小“台球”，并且它们显然不是不可分的。
葡萄干布丁
汤姆孙立即看出新原子的某些模型是恰当的。电子具有负电荷，但是物质不显电性，所以原子一定具有某种带正电的内部结构来抵消电子的负电荷。1898年，汤姆孙提出后来叫做“葡萄干布丁”（即嵌葡萄干的蛋糕）的原子模型：带负电的电子嵌在均匀的带正电的物质球中。
汤姆孙笨拙的动手能力有时会招来后人对他的过低评价。（他的儿子乔治就曾说过，“尽管他能以不可思议的精确诊断仪器的毛病，可是却不会操作这台仪器”。）但是，汤姆孙却留下了伟大的遗产。他为原子物理学开辟了道路，由于对电子的研究，他荣获1906年诺贝尔物理学奖。他有7位研究生后来也赢得了诺贝尔奖，包括他的儿子乔治，乔治后来证明了电子的波动性。从1906年到1919年，汤姆孙五六十岁时，他获得了剑桥“伟大人物”的名誉。但是，正如他的一个学生后来所形容的，“他一点也没有变老”，“仍然那么年轻”，而且对人友善——只是不认真刮胡子。这个学生就是汤姆孙的第一个，也许也是最有名的研究生，一位双手粗大、满脸胡须、活力充沛的年轻人：卢瑟福。
来自新西兰的鳄鱼
当卢瑟福靠奖学金从他的故乡新西兰来到卡文迪什实验室时，年方24岁，黑头发，大高个，有坚强的信念、宏大的雄心，可就是没有钱。竞争是激烈的，他在给母亲的信中写道：“在这人才济济的地方，要脱颖而出可不那么容易。”但是卢瑟福绝不会知难而退，何况是小小的竞争。在后来的年代里，他的学生给他起了一个绰号“鳄鱼”，就像一位学生解释的那样，这是因为“鳄鱼不会转脑袋……它只能鼓足勇气前进”。他乐于向自然发问，并且永不疲倦地上下求索。就像他的同事玻尔曾经说过的那样，他的伟大成功来自“他的那种直觉，因此，他的提问总有可能得到最有用的答案”。
物理学家西格雷（Emilio Segrè，1905—1989）曾经这样描述卢瑟福，说他是这样一个人，“提出一个又一个假说，根据需要抛弃或者修改假说，竭尽全力做每件事情。他所有时间都在工作，连他的朋友和同事都很难知道他的科学思想，哪怕很小的一部分”。
作为一位完美的实验家，卢瑟福一般不倚赖理论家。他说道：“他们用符号玩游戏，但是我们（实验家）必须揭示自然的真面目。”他在设计实验方面有独特的才能，并且具有高超的能力，能从大量杂乱的细节中挑选出有意义的事实。正如一位同事评价他说：“可以说，就算是远处发生的动静，卢瑟福也能在第一时间加以识别。”
1898年，卢瑟福接受任命，到加拿大魁北克的蒙特利尔，担任麦克吉尔大学的物理学教授，在那里，从1902年开始，他和助手开始用α粒子做实验，希望得到更多的信息。1908—1909年卢瑟福回到英国，加入曼彻斯特大学，那里一位年轻的德国物理学家，名叫盖革（Hans Geiger，1882—1945）参加了他的小组。他们两人一起用α粒子轰击金箔薄片。大多数α粒子直接穿过了金箔，这正是实验家根据汤姆孙的原子模型所期望的结果。但是也有少数α粒子打到金箔，却发生了散射现象，以某一角度，常常是90度角甚至更大。这使卢瑟福大为吃惊，他说道：“这就好比你向一片薄纸打出一颗15英寸的炮弹，却反回来击中了你一样。”
1911年初，卢瑟福兴高采烈地向盖革宣布：“我知道原子是怎么回事了！”根据实验结果，卢瑟福提出了关于原子的新思想：如果所有带正电的粒子不是如汤姆孙所设想的那样，像流体一样分布于整个原子，而是集中在中心一个小区域内，或者称之为“核”，情况会怎样呢？原子的大多数质量也许集中于核内，相等数量的带负电的电子，就在核外某些地方处于运动之中。这是一个引人注目的思想——类似于微型太阳系，正好对应于我们所居住的更大的太阳系。
卢瑟福因提出原子核这一设想，从而赢得了“原子物理学中的牛顿”之称号。这一模型似乎能解决葡萄干蛋糕原子模型存在的所有问题，不过它自身也面临一些问题。要构建更为精确的原子结构模型，需要运用奇异的，被称为“量子”的概念，这一概念是沉默寡言的德国科学家普朗克提出的。像伦琴的X射线一样，这一概念也许会颠覆整个物理学体系，它不仅牵涉原子概念，而且还涉及我们对世界机制的理解。
但是首先，让我们来个180度的大转弯，从微观世界跨越到宏观世界，如同爱因斯坦那样来考察宇宙。
新宇宙（一）：爱因斯坦和相对论
和新原子物理学一样激动人心的是，由于我们对时间、空间和宇宙的本性有了更为细致的认识，物理学的世界正在不断向更宽广、更深远的方向发展。第二次科学革命的这一领域是由于爱因斯坦的伟大工作，他是一位卓越和富有创造力的理论家和唯一堪与牛顿相媲美的思想家。但是要讲清楚这一内容，我们需要回到麦克斯韦以及他对光的见解。
麦克斯韦引进了革命性的方程组，从而验证了电磁场的存在，并且确定了磁、电和光都是同一领域——电磁领域的一部分。他坚持说，光是一种波，而不是粒子，他认为光是通过所谓的“以太”（ether），一种看不见的媒质传播的。根据他的理论，这种媒质充满所有空间。但是一些物理学家开始看出了这里面的问题——问题不是出在麦克斯韦的电磁场方程，而是有关以太的思想上。
以太问题
麦克斯韦并不是第一位想到，有某种看不见的叫做以太的媒质必定充满茫茫太空，“从星星到星星连续不断”。这种思想可以追溯到古希腊时代。麦克斯韦在1873年的一次演讲中说道：“毋庸置疑，行星间和恒星间的太空不是一片虚无，而是被一种物体或实体占据，它肯定是我们所知的物体中最大的，也许是最均匀的。”
以太的思想看来是必需的，因为，如果光是一种波，就意味着它必须在某种媒质中才能传播。但是，仅仅靠“意味着”，并不是好的科学方法——如果以太存在，应该能够找到证据来证明它的存在。
美国物理学家迈克耳孙想到了一个办法。如果充满宇宙的以太是静止的，那么地球在以太中运动时，在地球上看来，以太就像“风”一样，迎面吹来。因此，顺着以太风一起运动的光束会被以太风带着走，而逆着以太风的光束应该走得更慢。迈克耳孙1881年在德国随亥姆霍兹一起研究时，建造了一种叫做干涉仪的仪器，可以把光束一分为二，它们相互垂直运行，随后又重新汇合，通过这一方式，就有可能以极高的精确度测量光线在顺着以太风和逆着以太风时的差异。
迈克耳孙完成了这一实验，但结果却让他困惑——一光束分成两半后的速率并没有差别。他的结论是：“静止以太假说的结果被证明是不正确的，由此得出的必然结论是，这一假说是错的。”
但是，也许他的结果是错的。于是，在1887年，他和莫雷一起，在美国俄亥俄州的克利夫兰做了一个试验。他们运用改进后的设备，针对每一个可以想象的环节都采取了措施以避免误差。应该说，这一回肯定能够成功地检测到以太了吧。可是，实验再次以失败告终。
结果，迈克耳孙一莫雷实验成为科学史上最有名的失败实验。他们的出发点是研究以太，可结论却是以太并不存在。但如果这是对的，光怎么可能在缺乏媒介的情况下以“波”的形式传播呢？实验还表明，光的速度是常数。
这是一个完全出乎预料的结论。但实验极为谨慎，结论不容反驳。当时物理学界元老之一的开尔文勋爵在1900年皇家学会的演讲中讲到，迈克耳孙和莫雷实验“以高度的细致严谨从而确保结果的值得信赖”，却是“针对光的机制投下了一朵乌云”。
这一结论使各地的物理学家感到困惑。以太存在的想法是错的——但是，如果真是这样，那么，光作为一种波，没有供其运行的媒质它又怎么能够传播呢？
再有，迈克耳孙一莫雷的结果看来使得牛顿的相对性原理也成了问题，这一原理已有200年之久，且已得到满意的验证：物体的速度可以不同，这取决于观察者的参照系。假如有两辆车沿高速公路行驶（1887年没有很多的车或高速公路，但你可以借用这一概念），一辆车每小时55千米，另一辆车每小时54千米。在慢车司机看来，快车的速率只不过是每小时1千米。但为什么光速却不是这样？
迈克耳孙-莫雷实验恰恰证明：光速总是常数——不管以什么作为参照系。如果宇航员的太空船正以每秒299 000千米的速率航行，旁边有一束光（光速为每秒300 000千米），他看到的光不会是每秒1 000千米，而是恒定的每秒300 000千米。光速是一个普适的绝对值（当然，没有任何太空船能够接近这一速率）。
迈克耳孙和莫雷揭示了科学作家所谓的“自然界深奥之谜”。然而，不出5年，有史以来最伟大的科学家之一，正是抓住光速不变的思想，开始用他的狭义相对论理出了头绪。
且慢，还有另一场革命也正在酝酿之中。
量子奥秘
普朗克不像是那种发动革命的人。他是一位瘦高个子，安静而又不失威严——有人说他“乏味和书生气十足”——不管是在物理学还是在生活中，他都忠于传统和权威。
普朗克1858年出生在德国的基尔，后来随家迁到慕尼黑。父亲是一位民法教授。他不是一个早慧的孩子，9岁开始受教育。他的童年生活乏善可陈，大学生活也差不多。但他在柏林大学学习物理学时，授课老师中有这样一些受人尊敬的德国科学家：亥姆霍兹、克劳修斯、基尔霍夫。他应付学业完全没有问题，但也看不出有什么特长。他做博士论文选的是热力学，因为他赞赏克劳修斯在这个领域里的工作，但是他的论文反响平平。所有迹象表明，他追求的就是一种波澜不惊的生涯。即使在1889年担任了柏林大学教授职务之后，他依然循规蹈矩。确实，他选择热力学作为自己的专业看来很难有重大突破。实际上，当他最初步入科学生涯时，他的教授中有一位就警告过他不要从事物理学，因为这个领域已经到头了，所有伟大的工作已经完成，给新物理学家留下的，只不过是清理少数次要细节的烦琐事务而已。
非常巧合，在热力学领域的“次要细节”里有一项是所谓的“紫外灾难”，这个名称如此醒目，足以引起人们关注。它源于黑体辐射现象所引出的问题。