給電線通電之后除了產(chǎn)生電流之外，還創(chuàng)造了一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)發(fā)生變化的時(shí)候，同樣也會(huì)產(chǎn)生電流。麥克斯韋方程解釋了電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間是如何相互轉(zhuǎn)換的，并且也是描述波運(yùn)動(dòng)的方程。光在經(jīng)過(guò)一個(gè)金屬板上的狹縫之后，會(huì)擴(kuò)散發(fā)生衍射的現(xiàn)象，就像海浪穿過(guò)防波堤上的一個(gè)狹縫之后依然會(huì)散開(kāi)一樣。想要達(dá)到這樣的效果，狹縫的大小要接近波的平均波長(zhǎng)。把光照在并排的兩條狹縫上，就會(huì)在這兩條狹縫上分別發(fā)生衍射。衍射后的兩道光會(huì)相互碰撞，兩個(gè)波的波峰疊加時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)更強(qiáng)的波峰，兩個(gè)波的波谷相遇，產(chǎn)生一個(gè)更深的波谷。麥克斯韋方程組還可用來(lái)計(jì)算電磁波在真空中傳播的速度，其結(jié)果就是光速。在1856年的時(shí)候，這一結(jié)論深入人心，光是由電磁波而非原子組成。
對(duì)于以不同的恒定均勻速度相對(duì)移動(dòng)的觀測(cè)者，做相同的物理測(cè)量，得到的結(jié)果都是一樣的，在這樣的前提下，我們才能將這些物理性質(zhì)之間的關(guān)系稱為“定律”。在牛頓力學(xué)中，速度是疊加的，但是光并不遵循這個(gè)規(guī)則，通過(guò)莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，光總是以相同的速度傳播。事實(shí)證明，時(shí)間的延緩可以由距離的收縮來(lái)補(bǔ)償，反過(guò)來(lái)也是一樣的。在愛(ài)因斯坦看來(lái)，如果時(shí)空是像地球表面那樣彎曲的，運(yùn)動(dòng)的物體就會(huì)向著時(shí)空彎曲的方向運(yùn)動(dòng)，在彎曲的時(shí)空中，引力就不再需要作用在物體上。好比蹦床上放置一個(gè)質(zhì)量很大的球，會(huì)讓具有彈性的蹦床表面彎曲一樣，其他的物體如果離得太近，就會(huì)沿著由這種彎曲的最短路徑運(yùn)動(dòng)。
通過(guò)這一想法愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論的框架下解釋有關(guān)加速度和引力，后來(lái)被稱為廣義相對(duì)論，廣義相對(duì)論認(rèn)為質(zhì)量能夠產(chǎn)生引力場(chǎng)，但是這個(gè)引力場(chǎng)就是時(shí)空本身的彎曲。一束在地球上看是橙色的光，在傳播到地球之外一定距離的某一點(diǎn)時(shí)，如果這個(gè)點(diǎn)的引力比地球小得多，這束光被測(cè)量的結(jié)果就會(huì)是紅色光，這種現(xiàn)象稱為“紅移”。在愛(ài)因斯坦所想象的宇宙中，時(shí)空就像球面一樣卷曲了起來(lái)。除了在行星這樣的大型物體的周圍，時(shí)空中的任意一點(diǎn)在局部看來(lái)是平坦的，但從宇宙的大尺度來(lái)看，每一處都會(huì)有輕微的彎曲。
在自然界中，引力是最弱的力，而且只有一個(gè)方向，引力沒(méi)有相反的作用力，它只會(huì)使物體聚集在一起，而不會(huì)使物體分開(kāi)，這讓愛(ài)因斯坦意識(shí)到，宇宙中所有物體間的引力應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致宇宙自身的坍縮，而真實(shí)的狀況卻是正好相反的。天文學(xué)家哈勃在1931年發(fā)表了一系列觀測(cè)報(bào)告：大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們，宇宙正在膨脹。距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，運(yùn)動(dòng)速度越快，這就是哈勃定律。如果說(shuō)宇宙正在膨脹，那么往回追溯可以推斷，一定會(huì)有某一個(gè)時(shí)刻，宇宙中的所有能量都?jí)嚎s在一個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn)上，而這個(gè)點(diǎn)的爆發(fā)，就是現(xiàn)在所說(shuō)的“宇宙大爆炸”。茨維基在1934年發(fā)現(xiàn)，距離中心越遠(yuǎn)的天體其公轉(zhuǎn)速度越快，這就意味著這里的引力比我們根據(jù)可見(jiàn)恒星的質(zhì)量推測(cè)出的引力要強(qiáng)得多。在星系邊緣處的恒星的公轉(zhuǎn)速度高得多，每個(gè)星系都位于由某種不可見(jiàn)的物質(zhì)組成的“光暈”中心，這種光暈如今被稱為“暗物質(zhì)”。
盧瑟福在1909年證明了原子的大部分質(zhì)量都集中在很小的中心核上，較輕的電子繞著這個(gè)中心旋轉(zhuǎn)，就像行星環(huán)繞著太陽(yáng)，原子的內(nèi)部基本上是空的，這個(gè)行星模型成為了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化圖像。玻爾在1913年對(duì)電子的軌道產(chǎn)生了興趣，可能電子圍繞中心質(zhì)子的公轉(zhuǎn)軌道，也像地球軌道一樣是固定的，只是這樣的軌道有好幾個(gè)其能量都不相同。電子在吸收光以后，就會(huì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能量更高的軌道上，當(dāng)電子回到能量較低的內(nèi)層軌道時(shí)會(huì)發(fā)出光。用于表征電子軌道的整數(shù)，被稱為量子數(shù)，而在不同軌道之間發(fā)生的轉(zhuǎn)移，被稱為量子躍遷。
氫原子在光譜中的吸收線和發(fā)射線，可以引入量子數(shù)來(lái)解釋，仔細(xì)觀察氫原子譜線的話，一條明確對(duì)應(yīng)某一頻率的譜線，實(shí)際上可分成兩條間隔很小的譜線。如果給原子施加低強(qiáng)度的磁場(chǎng)或電場(chǎng)，這兩條譜線會(huì)分開(kāi)的更遠(yuǎn)。海森堡在1925年建立了一個(gè)抽象的模型，其中包含用振幅和頻率來(lái)表述的項(xiàng)，每一項(xiàng)都可以通過(guò)兩個(gè)軌道間的量子躍遷來(lái)識(shí)別，根據(jù)這個(gè)表格計(jì)算出量子躍遷時(shí)的譜線強(qiáng)度，這種譜線強(qiáng)度是所有中間躍遷過(guò)程的振幅乘積之和。很快海森堡發(fā)現(xiàn)，他的表格并不遵循乘法交換律，計(jì)算結(jié)果取決于中間項(xiàng)相乘的順序。
薛定諤用波函數(shù)的形式表示任意一個(gè)波，這是一種隨空間和時(shí)間變化的函數(shù)。薛定諤的結(jié)論是氫原子中的電子，可以用波函數(shù)來(lái)描述，能量不同的波函數(shù)，形狀由三個(gè)量子數(shù)的取值決定。玻恩對(duì)此給出了一種解釋：波函數(shù)代表的是從原子核處測(cè)量的在原子內(nèi)部特定位置“發(fā)現(xiàn)”電子的概率。電子的概念從此不再只是一個(gè)“粒子”，它可能在軌道中的任意一處，無(wú)論何處一定都攜帶全部的質(zhì)量和電荷。波動(dòng)力學(xué)表明：位置乘以動(dòng)量和動(dòng)量乘以位置的結(jié)果是不同的。在經(jīng)典力學(xué)的描述中，測(cè)量物體位置和動(dòng)量的精度在理論上是沒(méi)有限制的，只是測(cè)量?jī)x器的精度有限而已。海森堡的基本假定是，在量子尺度上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們會(huì)遇到一個(gè)根本的精度極限，在測(cè)量進(jìn)行時(shí)一定會(huì)對(duì)研究對(duì)象產(chǎn)生本質(zhì)上的影響，而且這種影響是不可預(yù)測(cè)的。電子表現(xiàn)出的行為，會(huì)因?yàn)樗x擇的實(shí)驗(yàn)手段不同而發(fā)生變化，這就意味著我們可以研究有關(guān)電子波動(dòng)性，也可以研究有關(guān)電子粒子性。
狄拉克在1927年指出，如果電子有兩個(gè)“自旋”方向，這兩個(gè)電子的自旋方向必須相反才能互相“匹配”在一起，同一條軌道最多只能容納兩個(gè)自旋成對(duì)的電子。從實(shí)驗(yàn)中得知，電子可以在磁場(chǎng)中分成自旋方向不同的兩類排列，可以將自旋想象為“向上”和“向下”。查德威克在1932年公布了有關(guān)放射性鈹釋放的輻射性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并證明它是由一束電中性粒子組成的，這種粒子就是中子，物理學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，比氫原子核重的原子核都由質(zhì)子和中子組成。
用電子來(lái)做雙縫實(shí)驗(yàn)會(huì)有什么現(xiàn)象呢？在粒子性的描述中，如果把一個(gè)熒光屏探測(cè)器放在兩條狹縫的另一側(cè)，那么會(huì)看到兩個(gè)亮點(diǎn)，代表著穿過(guò)狹縫的電子正在持續(xù)不斷地撞擊屏幕。兩個(gè)亮點(diǎn)的中心處是最亮的，這是大多數(shù)電子穿過(guò)狹縫之后擊中的地方，離亮點(diǎn)中心越遠(yuǎn)的地方，這是途中受到撞擊而散射的電子擊中的地方。在波動(dòng)性的描述中，電子束像一束光穿過(guò)兩條狹縫，在每條狹縫處發(fā)生衍射而形成明暗條紋交替的干涉。大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，每個(gè)電子都表現(xiàn)為在空間中分布的波，同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫并相互干涉。我們給電子這樣的量子粒子賦予的那些性質(zhì)如質(zhì)量、能量、頻率、自旋、位置等，只是在通過(guò)測(cè)量的時(shí)候映射到我們經(jīng)驗(yàn)中時(shí)才有現(xiàn)實(shí)意義。
場(chǎng)是一種看不看也摸不著的東西，可以被想象成一個(gè)三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如果粒子是電子的話，就得到了一個(gè)三維連續(xù)的電子場(chǎng)，光子必定是電磁場(chǎng)的量子，它會(huì)隨著帶電粒子發(fā)生相互作用而產(chǎn)生和毀滅。質(zhì)子、中子、電子這些粒子都叫做費(fèi)米子，其自旋量子數(shù)為半整數(shù)，但是在粒子之間傳遞力的粒子則不同，它們都是玻色子，波色子自旋量子數(shù)為整數(shù)，像光子的自旋量子數(shù)就是1。玻色子可以“凝聚”成單一的量子態(tài)，激光就是一個(gè)例子。 隨著量子電動(dòng)力學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)技巧的發(fā)展，早期希臘原子論者所鐘愛(ài)的不可分割的“物質(zhì)”，已經(jīng)被量子場(chǎng)所取代，開(kāi)始認(rèn)為粒子不過(guò)是這些場(chǎng)的擾動(dòng)或漲落。
電磁力可以由電光子攜帶，并以光速進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播。粒子主要分為兩類。一類是強(qiáng)子，另一類是輕子。強(qiáng)子中有一類粒子被稱為重子，還有一類被稱為介子，質(zhì)量介于重子和輕子之間。輕子的成員則有電子、中微子等。一個(gè)質(zhì)子包含兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克，一個(gè)中子包含兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克。兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克的總質(zhì)量只有質(zhì)子質(zhì)量的1%；兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克的總質(zhì)量只有中子質(zhì)量的1.3%。也就是說(shuō)質(zhì)子和中子的質(zhì)量中大約有99%都無(wú)法解釋。從物質(zhì)到原子，從原子到亞原子粒子，從亞原子粒子再到量子場(chǎng)，隨著不斷深入研究，物質(zhì)它失去了有形的性質(zhì)，因?yàn)橘|(zhì)量變成了第二性質(zhì)，質(zhì)量只是無(wú)形的量子場(chǎng)相互作用的結(jié)果。盡管世界中充滿了堅(jiān)硬沉重的物質(zhì)，但質(zhì)量只是能量的物理表現(xiàn)，宇宙最大的統(tǒng)一特征是量子場(chǎng)的能量，而不是堅(jiān)硬不可穿透的原子。
大多數(shù)人一想到亞原子尺度之下的物質(zhì)，眼前就會(huì)浮現(xiàn)起各種粒子，像一個(gè)個(gè)小球般來(lái)回碰撞不休，但這種粒子概念是經(jīng)典物理理論的產(chǎn)物。物理學(xué)界中的一些哲學(xué)家提出，物質(zhì)世界最基本的構(gòu)成應(yīng)該是一些無(wú)法具象的內(nèi)容，比如“聯(lián)系”和“屬性”。宇宙萬(wàn)物都可以被還原成無(wú)形的內(nèi)容，而不必借助任何實(shí)體概念。量子場(chǎng)論中的“粒子”并沒(méi)有明確定義的位置，好比你身體中的某個(gè)粒子并不嚴(yán)格局限于你的身體之內(nèi)，如果有人測(cè)量它的位置，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)粒子有很小但不為零的概率出現(xiàn)在遙遠(yuǎn)的宇宙邊際。不僅粒子的具體位置依賴于你們的視角，粒子是否有一個(gè)確定位置也會(huì)因視角變換而改變，在這種情況下，將粒子看作世界的基本構(gòu)成毫無(wú)意義。在量子糾纏現(xiàn)象中，粒子的那些能夠區(qū)分彼此的屬性會(huì)消失，這些粒子不僅會(huì)共享像質(zhì)量、電荷這樣的固有屬性，還會(huì)共享位置和時(shí)間屬性，這樣當(dāng)粒子糾纏在一起時(shí)，觀測(cè)者就無(wú)法區(qū)分它們。
這些粒子的具體數(shù)目，會(huì)因?yàn)橛^測(cè)者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同而不同。如果沒(méi)有粒子，那“粒子探測(cè)器”探測(cè)到的究竟是什么？答案是我們從沒(méi)有直接探測(cè)到粒子，粒子只是推測(cè)出的結(jié)果。探測(cè)器記錄的只是傳感器材料獨(dú)立激發(fā)時(shí)的大量數(shù)據(jù)，我們自作主張地將這些閃光點(diǎn)連接起來(lái)，并推測(cè)它們是粒子在不同時(shí)刻留下的軌跡。有些人認(rèn)為，場(chǎng)是一種看不見(jiàn)、可流動(dòng)的物質(zhì)，彌散于整個(gè)空間，粒子是場(chǎng)的漣漪。在經(jīng)典理論中，一種場(chǎng)代表了一個(gè)物理量在不同時(shí)空點(diǎn)上的值，比如溫度或電場(chǎng)強(qiáng)度。但對(duì)于量子場(chǎng)，每個(gè)時(shí)空點(diǎn)代表的則是可以進(jìn)行測(cè)量的類型而不是想要測(cè)量的結(jié)果。想象一張鏡像對(duì)稱的臉：一面鏡子將左眼變成右眼，將左耳變成成右耳，以此類推，在此過(guò)程中臉部器官的相對(duì)位置始終保持不變，這些器官之間的聯(lián)系才定義了這張臉，而“左”和“右”則取決于你面朝哪邊而已。我們一直稱為“粒子”和“場(chǎng)”的東西，它們擁有的對(duì)稱性更為抽象，但原理應(yīng)該是相同的。
一些物理學(xué)家聲稱，實(shí)體并無(wú)內(nèi)在屬性，只在與其他實(shí)體的聯(lián)系中才獲得屬性。但這種提法很空泛，因?yàn)闆](méi)有人否認(rèn)實(shí)體之間具有聯(lián)系，而真正有趣和新穎之處就在于，單純的聯(lián)系為何可以構(gòu)造出萬(wàn)物。傳統(tǒng)看法中，屬性總是被特定事物所具有，它們不能獨(dú)立自存。例如當(dāng)你想到紅色，通常想起的都是一些特定的紅色物體，而不是一個(gè)漂浮在半空的名為“紅色”的東西。但是你可以反過(guò)來(lái)認(rèn)為屬性是獨(dú)立自存的，是屬性占據(jù)了物體，通常所說(shuō)的事物也許只是一堆屬性的集合：顏色、形狀、稠性等等。將事物解構(gòu)為一團(tuán)屬性，并不符合我們通常對(duì)這個(gè)世界的定義，但如果試著忘掉成見(jiàn)回歸本初，這種解釋就顯得沒(méi)那么神秘。當(dāng)我們還是嬰兒時(shí)，第一次看到并接觸到一個(gè)球時(shí)，那時(shí)我們感知到的只是一個(gè)球形的形狀，些許紅色的影子，摸上去還有點(diǎn)彈性等等，然而當(dāng)我們長(zhǎng)大之后，才將這些屬性和某種清晰的物體聯(lián)系在一起。在嬰兒般的直接感知，外部世界除了如絲如縷的屬性之外別無(wú)他物。我們并不是先有球后賦之各種屬性，而是先感知到各種屬性，然后才稱其為球。
電子就是各種屬性的集合，包括三種本質(zhì)屬性：質(zhì)量、電荷、自旋，其余則是非本質(zhì)屬性：位置、速度。量子場(chǎng)論將我們見(jiàn)到的現(xiàn)象歸因于夸克、介子、光子和形形色色的量子場(chǎng)，但對(duì)于形成我們所見(jiàn)現(xiàn)象的實(shí)體其本質(zhì)究竟如何，則語(yǔ)焉不詳。在很多物理學(xué)家看來(lái)，理論僅僅是生成實(shí)驗(yàn)預(yù)言的工具，所以不用追究這類形而上學(xué)的問(wèn)題。形而上學(xué)可以提供各種解釋物質(zhì)世界的本體論框架，但是除了保證這些框架內(nèi)在自洽，形而上學(xué)無(wú)法在其中作出選擇。而物理學(xué)對(duì)物體定義、特性的角色、屬性的地位、事物和屬性間的聯(lián)系、空間和時(shí)間的本質(zhì)這類問(wèn)題，正好缺少一個(gè)一致的描述。
