二十世紀是研究原子的世紀，在原子內部尺度的范圍，差別也是非常之大的。我們一個原子大約是一百億米分之一。可是原子下面是由原子核構成的，原子核比它小一萬倍，原子核又是由質子和中子所組成的，質子和中子又是由夸克所組成的，這樣又要相差一萬倍。所以即使一個原子內部的結構，它的空間的尺度就相差了八個數量級。同時從物理學中間這一百年也分化出了大量的學科，到二十世紀，力學、熱學、光學、聲學、無線電、微電子，像激光、原子能現在都已經形成了獨立學科，我們在學校里邊有的還可以看到這樣的系。這些學科支持了機械、冶金、建筑、電力、原子能、航空航天、計算機、通訊等等工程科學的發展。物理學進入化學、生物、天文、地學、數學、技術科學，就出現了所謂的化學物理、生物物理、天體物理、地球物理、計算物理、技術物理等等新興的交叉學科。那么到底是什么動力使得物理學在這百年中間能夠得到飛速的發展呢？我想首先是因為物理學是先進生產力的開拓者。二十世紀物理學的廣泛的應用，不斷提高國家和企業的競爭力，不斷地開辟新的消費需求和市場。反過來呢！市場和國家的需求又推動物理學迅猛快速地發展。舉例子，譬如雷達和原子彈，這個主要是物理學家在二戰中間所做的工作，它在戰爭中間的作用促使美歐各國在戰后就大量增加了對物理學的投資，設立了集中的研究機構，建造了巨型的加速器、核反應堆，來從事有潛在的軍事價值和市場價值的研究。
　　在2000年美國工程院選擇了二十項二十世紀最偉大的工程，其中采用的技術大部分都直接或間接跟過去三百年物理學的發現有關系。這二十項工程是首先是電氣化、汽車、飛機、自來水系統、微電子、無線電廣播和電視，我在這些項目的后邊都打上了星號，這個星號越多的，表示它和物理學的關系越密切。以下是農業機械化、計算機、電話、空調和冰箱、高速公路、衛星、因特網、攝影。然后是家用電器，醫療技術，石油和石油化工，激光和光纖，核技術，高性能材料，大家可以看出來其中大多數都打了星號都跟物理學直接或間接有關。
　　物理學在半導體、集成電路、激光、磁性、超導等方面的發現，這都是二十世紀所發現的，奠定了信息革命的科學基礎。在市場推動下邊，由物理學延伸的高技術產業應運而生，這些高技術產業，在二十世紀下半葉的全球經濟中扮演了重要的角色。它為家庭開發了從微波爐到液晶電視等多種的家用電器，引導了以微電子、光電子、網絡和微光機電技術為核心的第三次工業革命，為信息社會的到來奠定了技術基礎。由物理學研究帶來的新技術和新產品層出不窮，從根本上改變了人們的生產方式和生活方式。
　　我們看看所有這些是由哪些物理學的發現所導致的。當然有很多是與二十世紀以前的物理學有關系。在二十世紀以前，以牛頓力學、熱力學和麥克斯韋電動力學為代表的古典物理學，到十九世紀末已經形成了完整的理論體系，并且在工業革命中間起了重要的作用。這些物理學的成就反映在工業上，就是發明了電話、電燈、汽車等等，并且開始了社會的電氣化進程。十九世紀末還相繼發現了X光、放射性、電子，測定了光速和部分物質的光譜，這些都為人類在二十世紀進入微觀世界奠定了基石。
　　二十世紀以古典物理學為基礎，還有很多重要的發明。譬如說1901年馬可尼成功地發射了無線電波，進行了跨越大西洋的無線電接收，那么無線電廣播和通訊就得到了大規模的推廣應用。火箭技術在二十世紀開始發展，提出了克服地球引力進入太空的設想，這是俄國人提出來的。然后1930年首次提出了火箭發動機的專利，1926年開始了第一次電視圖像的傳輸；1928年第一次完成了跨大西洋的圖象無線的傳輸；1938年發現了硒在光照底下變成良導體，當時的XEROX公司就應用它造成了第一臺復印機；1936年又發明了磁帶錄音；1937年發明了雷達；1939年開始調頻廣播；1949年用X光分析了盤尼西林的晶體結構；1958年超聲技術開始在醫療中間應用；1967年家用微波爐上市。而這些都是和二十世紀以前的物理學的發明相關的。到二次世界大戰以前，在二十世紀物理學家深入研究了物質的各種形態，又發現了一系列新的現象。譬如說1911年發現超導；1911到1912年通過X光衍射，發現了晶體原子的對稱排列；1932年發現了中子；1934發現了人工放射性元素；1938年發現超流；1939年發現了裂變現象。像戰后那就有更多的發明，比如1947年發現了晶體管；1954年發明太陽能的光伏電池；1955年制造了第一根光纖；1959年發明了集成電路，集成電路是剛剛獲得諾貝爾物理學獎的；1960年發現了紅寶石激光器；1966年提出了能夠實用的光纖的設想；1971年發明了微處理器；1975年液晶顯示用于計算器；1982年激光唱盤問世。物理學還為所有其他的科學提供了強有力的研究工具，比如中子衍射可以確定原子核的位置和運動，可以探測物體內應力的分布，是判定物質結構有力的工具。像加速器產生的同步輻射強光源，已經廣泛用于研究材料的性能和結構，化學反應過程，生物細胞的活動等等。1989年在歐洲核物理研究中心工作的Berners－Lee他為了在網絡上傳輸高能物理的數據，就提出了超文本協議，這個協議現在已經成為全球萬維網信息傳輸的標準。
　　物理學還提供了強有力的探測和醫療設備，像五十年代就已經把X光用于生物分子的結構分析，最重要的是它在五十年代首次分析了DNA的雙螺旋結構。而克利克和華生正是看到了這個照片以后，才提出了他們有名的雙螺旋結構。像Rosalyn Sussman Yalow發明了核放射分析的技術，成功地應用于生物學的研究，超導SQUID器件用在地質探礦或者研究生物體磁性的變化。而CT、核磁共振、正電子CT、PET、基因芯片、激光、超聲、微波等等都廣泛用于醫療和生物的研究。用現代物理學開發出來的顯微鏡，我們已經可以清楚地看到細胞的活動。這里是一個巨噬細胞在吞噬一個外來的細菌，這是我們拍攝出來真實的DNA長鏈，打開了的DNA。這是我們從核磁共振拍攝到的腦的圖象。
　　在量子力學和相對論的指導下面，上個世紀的下半葉，物理學在凝聚態、激光、表面等離子體等等方向上面，又發現了很多種有廣泛應用前景的現象。有新的集體振蕩的模式，新的相變和宏觀量子態等等，像量子霍爾效應、分數電荷、稀土永磁、高溫超導、量子點、量子計算和信息傳輸，玻色- 愛因斯坦的凝結態，相干原子束等等。同時也創造了嶄新的探測和控制原子的手段，像同步輻射光源，快中子束和離子束，微光機電器件，功能核磁共振，隧道掃描顯微鏡，原子力顯微鏡，激光鑷子等等，為開創納米科技的研究提供了有力的工具。這是我們觀察到一個在溫度不斷下降的時候所形成的玻色-愛因斯坦的一個凝結，這是用的銣原子做成的。納米技術在上世紀末已經開始蓬勃地發展，這里面應用了大量的物理的新的思想和技術，它本身也是由一位有名的物理學家費爾曼所提出來的。這是用光刻技術所做出來的微機械，這里是移動單個的原子所做出來的一個算盤和寫的字，這是世界上最小的字之一了。同時在量子場論還發展出一些新的計算的方法。譬如說重整化群的方法，這個對研究處于臨界狀態附近的各種自相似的結構非常之有用，已經廣泛應用于各種不同的物質組成的復雜系統或者遠離熱平衡的開放的系統。在二十世紀企業已經成為物理學的應用研究開發的一個主力。在市場力量的推動下，我們看到有幾項獲得諾貝爾物理獎的重要的發現。譬如說晶體管、集成電路、電子隧穿效應、激光、隧道掃描顯微鏡、高溫超導，這些都是獲得諾貝爾物理學獎的。它們都在大工業的中央研究室里邊完成的，所以在二十世紀有眼光的企業家，已經認識到基礎研究在發展企業技術上的重要作用，從市場長遠發展的需求，制定了他們研究的目標。他們不僅為大學基礎研究提供了很多的資金，而且有組織地在企業內部開展了多學科的基礎研究。企業的中央研究所，在世界上已經成為像物理學應用基礎研究中間的非常重要的力量。
　　物理學在發展到歷史過程中間，始終是先進文化的創造者，它始終激勵一批科學家，在物理學的前沿去進行執著的追求。二十世紀物理學家在多層次變化無常而又豐富多彩的現象中間，去尋求宇宙所表現的真善美，尋求萬物運動內在的統一規律，和理解外在顯現的多樣性，對人類的思維方式和世界觀的進步做出了多方面的重要貢獻。重要的我想有，一個是對宇宙觀和認識論的貢獻。相對論、量子力學和它們相結合產生的量子場論是從根本上改變了人類對物質運動、時空和相互作用的看法，使得十九世紀占統治地位的、絕對的決定論的宇宙觀衰退，轉變為辯證的惟實的宇宙觀。
　　我們先看看古典物理學，從十七世紀開始，物理學一直處在科學研究的最前沿。到十九世紀末由牛頓力學、熱力學和麥克斯韋電動力學構成的古典物理學，不僅已經發展成為一個完整的理論體系，而且形成了根深蒂固的機械唯物主義的思潮。應該說在十七世紀的時候，機械唯物主義是一個進步，因為當時人們是被神學所統治。在與此同時，將古典物理學應用于社會生產和技術，它也取得了非凡的成功。到十九世紀末從牛頓力學就發展出來分析動力學，同時這里邊建立了非常多深刻的觀念。像廣義坐標和廣義動量，對稱性和守恒定理，最小作用量原理，拉格朗日作用量函數，哈密頓方程，雅可比括弧等等。這些都對以后的量子力學的發展做出了重要的貢獻。而麥克斯韋方程又系統地展示了場的觀念，預見了電磁波的存在，提出了光的本性就是電磁波。在麥克斯韋方程中間還隱含了和伽利略對稱性不同的洛倫茲對稱性。
　　物理學家認為牛頓力學、熱力學和麥克斯韋電動力學建立了完整的對宇宙的說明，并且在應用中間取得了極大的成功。當時人們認識的宇宙是一個機械的宇宙，一切都像一個機械一樣動作，它是只要一開始有一個第一推動力，它就會永遠按照同樣的規律不停地運行下去。在十九世紀末有一系列的實驗使得人們對以前的完整的物理學的說明產生了懷疑，首先就是發現了光的運動速度和地球的運動沒有關系，這樣就形成的電動力學和牛頓力學的矛盾，又發現了古典的黑體輻射理論會導致在頻率很高的地方，輻射量越來越大，會發散，這個和試驗也不符合。另外從電動力學的觀點出發，像原子是由帶電粒子所構成的，電子在原子里面不斷地運動，如果它不斷地運動，有加速度的話，它就要輻射出電磁波來，它的能量就會不斷減少，所以這樣的原子它不可能穩定。剛才發現原子發的光它的頻率譜不是連續的，而且其中有分離的一條一條分開的這種線譜，這個也和麥克斯韋的理論是不相符合的。
　　最后在上個世紀末又發現了放射性，這樣就改變了根深蒂固的原子是不可破壞的一種穩定結構的這種觀念。那么要揚棄古典物理學的過時的概念，消除牛頓力學和麥克斯韋電磁場這兩大理論之間的不自洽，就成為二十世紀物理學發展的前提。二十世紀物理學是起始于兩位偉大的科學家的偉大的發現。十九世紀末盡管存在很多古典理論不能解釋的現象，但是大多數物理學家他們都相信古典理論，敢于對古典理論說不的是兩位當時還不知名的年輕科學家，普郎克和愛因斯坦。這個就是普郎克，當時四十來歲，這是愛因斯坦只有二十六歲。1900年四十二歲的普郎克，為了解釋黑體輻射譜提出量子論。他當時已經在大學教書，四十來歲了嘛。但是他的想法仍然不為他的同事特別是一些知名科學家所接受，甚至于他自己，雖然做了正確的工作，但是他也懷疑自己做得對不對，他多次還試圖回到用古典的理論去解釋黑體輻射譜，但是一直都不能成功，所以他后來就寫了以下的幾段很有趣的文字。第一段他說他做這個工作的整個過程是一個絕望的嘗試，他說因為不論代價有多高都要找到理論的解釋，所以他是付出了要揚棄古典理論的某些假定的代價，這個代價是很高的。他另外還講了一段更有意思的話，他說一個重要的發現，能夠逐漸地獲得反對者的承認，這個是一件很少有的事情，實際出現的情況呢，是當時這些反對的人他們一個一個都去世了，所以就沒人反對了，所以可見他當時受到的反對有多么地嚴重。1905年愛因斯坦不僅提出了狹義相對論，同時他也支持普郎克的理論，用光量子去解釋了光電效應。同年愛因斯坦還提出了布朗運動的統計理論，這些都得到了實驗的證明，這樣就使各界再不懷疑原子的存在。愛因斯坦在做出這幾樣重要發現的時候，年僅二十六歲，而且是一個瑞士專利局的職員，因為他在大學里頭這些老師都不大看得起他，不愿意把他留下來做助教，他幾次去請求，人家也不要他，他甚至于有幾次幾乎要失業了，幾次在中學里面求職，還變更了好幾次，最后在專利局里面找到一個職位，他每個星期要在專利局工作大概要四十幾個小時。但盡管如此，這一年是他最輝煌的時期，因為他做出了二十世紀物理學史上最輝煌的幾項貢獻，就是剛才講的這三項。狹義相對論當然現在知道是非凡的貢獻，但這個貢獻長期地不被人所重視，以至于沒有給他諾貝爾獎金，而光電效應呢！是第一次明確地指出光的既是波動又是粒子的性質，這個得到了諾貝爾獎金委員會的認可，所以愛因斯坦得到諾貝爾獎金是光電效應，其中沒有相對論。同時他還證明了原子的存在。所以這三項工作能夠在他在專利局作為業余工作做出來，這個好像是物理學史上的奇跡，直到現在還是物理學史家所研究為什么會這樣的一個很重要的一個課題。