19世纪末，物理学是自然科学中发展得最完善的学科，它以经典的力学、热力学、统计物理学和电磁学为支柱，建立了一座宏伟的经典物理学大厦。物理学理论在当时看起来已经达到完整、系统和成熟的阶段。那时对于常见的各种物理现象，都可以用相应的理论予以说明。物理的机械运动速度比光速小得多时，准确地遵从牛顿力学规律，电磁现象被总结为麦克斯韦方程，光的现象有光的波动理论，最后也归结为麦克斯韦方程，热现象的理论有完整的热力学和统计物理学。
正是由于经典物理学发展得太完善了，身处19世纪末、20世纪初的物理学家们的心情各不相同。对老一辈的物理学家们来说，由于物理学的辉煌成就有他们的一份功劳，他们大都踌躇满志，沉溺于欢快陶醉之中。因为他们认为物理学的大厦已告落成。而对新一代的物理学家们来说，他们在为物理学的伟大成果高兴的同时，却总是免不了“别有一番滋味在心头”，颇有“生不逢时”之感。因为物理学大厦既已落成。留给他们就只是一些修补、拾遗的工作，即在一些细节上做些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更加精确一些，而大的、奠基性的工作前人都已完成了。据说，后来成为量子论奠基人的普朗克，年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，他老师就劝他：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”应该说，这反映了当时物理学界的普遍看法。
1900年元旦，全世界都在欢庆新年的来临。在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文勋爵做了展望未来的发言。在回顾过去的岁月后，他充满自信地说：物理学的大厦已经建成，未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与迈克耳孙实验有关，另一朵与黑体辐射有关。
开尔文尽管看到了两朵乌云，但他却未曾料到正是这两朵乌云的飘动，带来了一场物理学革命，在这场革命中诞生了相对论和量子力学，而自然科学也从此进入爱因斯坦时代。
（第一节 ）经典物理学的危机
作为一位大物理学家，开尔文的感觉是敏锐的。然而，他还是低估了这两朵“乌云”的威力。它们从根基上动摇了经典物理学大厦，使经典物理学处于深刻的危机之中。迈克耳孙—莫利的“以太”漂移实验。
开尔文所称的第一朵乌云就是指的迈克耳孙—莫利的“以太”漂移实验。
人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质——“以太”。
最早提出“以太”的是亚里士多德，他认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”，即一种媒质。牛顿发现了万有引力之后，碰上难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播？为了求得解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光与电磁波的介质说成是一种没有重量、绝对可以渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，是电磁作用的传递者；又具有机械力学的性质，是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论与牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。
但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必然会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必然对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。
迈克耳孙出生于今波兰的斯特雷尔诺，两岁时全家移居美国。他以毕生的精力从事光速的精密测定。在他有生之年，他一直是光速测定的国际中心人物。
1879年3月，麦克斯韦写信给美国航海年历局的托德，讨论测定地球相对于以太的速度问题。信中提到，地球上所有测定光速的方法，由于精度所限，都不足以证明检验地球的绝对运动。这封信被迈克耳孙看到，激起了他从事这类实验的热情。为了提高测量精度，他设计了一种干涉仪，即今天最常用的迈克耳孙干涉仪，来测定地球相对以太的运动。
按照经典物理学理论，光乃至一切电磁波必须借助绝对静止的以太来传播。地球的公转产生于相对于以太的运动，因而地球运动的平行方向和垂直方向之间，光通过同一距离的时间应当不同。
1881年，迈克耳孙首次测量，根据计算，他推测干涉条纹的移动数为0．04条。但实验结果出乎迈克耳孙的意料，测到的干涉条纹的移动远小于0.04条，在实验误差范围之内。也就是说测定的结果是否定的。
1884年，开尔文和瑞利访美，他们鼓励迈克耳孙提高精度重做这个实验。于是，迈克耳孙同精通物理学和数学的物理学家莫利合作，改进实验装置，精度达到2×10-10。于1887年重复了1881年这个实验。结果仍未发现条纹有任何移动，也就是得出的结果仍然是否定的。这便是历史上著名的迈克耳孙一莫利的“以太”漂移实验。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，可以得出结论，地球相对“以太”的运动并不存在，或者说“以太”本身就是一个子虚乌有的东西(不过，以此断定以太不存在似也证据不足)。
迈克耳孙奠利实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那么，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。
为了解释这个实验的否定结果，斐兹杰惹于1889年、洛伦兹于1892年先后提出了物体在“以太风”中长度收缩的假说。暂时保全了经典物理学形式上的完美性。不过这为后来爱因斯坦建立狭义相对论准备了思想基础。
（第二节 ）关于“紫外灾难”
开尔文所称的第二朵乌云与黑体辐射有关，即所谓的“紫外灾难”问题。
在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色(波长)不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达80％左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。
19世纪末，卢梅尔等人的著名实验——黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。在经典物理学看来，这个实验的结果是不可思议的。
怎样解释黑体辐射的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。由于前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利金斯公式推出，在短波区(紫外光区)随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，这正是整个经典物理学的“灾难”。因此，开尔文将它比做经典物理学晴空中的一朵乌云是很恰当的，“紫外灾难”所引起的是物理学的一场大革命。
（第三节 ）19世纪末物理学界的三大发现
原子的发现
原子不可分、原子是物质的最小微粒，是从古希腊德谟克利特到近代道尔顿原子论中铁一般的概念。但是，在19世纪末，几千年来神圣不可分的原子的大门被打开了，从此，人们开始了对原子内部奥秘的探索。而打开原子大门的功劳要归于19世纪末的物理学三大发现：x射线、放射性、电子。“我看见了我的骨头”——X射线的发现x射线的发现起源于对阴极射线的研究。所谓阴极射线管进行实验。他惊异地发现，胶片又感光了。经多次重复实验，结果都一样，所以他断定：阴极射线管会发出一种具有穿透力的射线，这种射线肉眼看不见，但是能用实验装置测试到。
伦琴在极困难的条件下，对他发现的新射线又做了系统的研究。他发现，这种新射线穿透力很强，它能穿过人的衣服、肌肉，但不能穿过骨骼。伦琴在做实验时，无意中用手去遮挡射线，他在屏幕上看到了自己的手，手的肌肉和皮肤部分轮廓微弱、模糊，但骨骼的线条却非常清晰，他试着弯弯手指，握握拳头，屏幕上的手也跟着动作。伦琴高兴极了。
1895年12月22日，伦琴做了一个更有意义的实验。这天，他的夫人来到实验室，伦琴让她把手放在黑纸包严的照相底片上，然后用这种射线对准照射了15分钟。显影后，底片上呈现出伦琴夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也十分清晰可见。这成了一张有历史意义的照片。夫人惊奇地问：“什么射线有这么大的魔力？”伦琴回答：“无名射线。”夫人顺口说：“又是一个x！”此刻伦琴心头一亮，接着他说道：“那就叫它x射线吧！”
1895年12月28日，伦琴公布了他的发现，立即震惊了全世界。他那生物骨骼的x射线照片，引起了人们惊恐的好奇心。几天后，全世界的报纸都知道了这个重大发现。差不多有名望的物理学家都在重复做这个实验。在美国报道伦琴发现x射线的新闻四天后，就有人用x射线发现了患者足部的子弹。于是，x射线很快就被应用于医学和冶金学，从而创立了x射线学。x射线的发现，也为后来物理学的发展提供了一个有力的工具。
x射线的发现给伦琴带来了十分巨大的荣誉。1901年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的物理学奖。
1923年2月10日，伦琴死于癌症。死前，他把诺贝尔奖金全部留给了维尔茨堡大学，以促进科学发展。伦琴的发现至今仍造福于人类。
关于x射线的本质，当时伦琴本人也不完全理解。到1912年，德国物理学家劳厄通过晶体衍射实验证实了x射线是波长很短的电磁辐射。现代物理学证明，x射线是高速电子轰击靶物质造成内层电子向外层高能态激发在回落到内层电子空位时造成的辐射。
放射性的研究
X射线发现后，全世界科学家把注意力集中在x射线上。伦琴关于发现X射线的论文在3个月内就重印了5次。据统计，1896年一年内全世界有关x射线的研究论文竟达1000篇之多，发表的小册子达48本。其传播之快，反应之强烈，达到空前的程度。
正是这种对x射线研究空前的热情，使得人们对x射线源也发生了兴趣，从而导致了元素放射性和放射性元素的发现。也就是说，元素放射性的发现源于人们对x射线源的探究。
当伦琴把最早印出的论文稿寄给彭加勒等各国物理学家时，在1886年1月20日法国科学院的例会上，彭加勒介绍并展示了伦琴寄给他的X射线照片。参加这次例会的法国物理学家贝克勒耳当场提出：X射线发自阴极射线管的哪个部位？彭加勒回答是管壁发出荧光的区域。贝克勒耳马上想到X射线很可能与荧光有某种关联，他从第二天起就开始寻找这种关联的实验。
贝克勒耳家族都是著名的物理学家，他的祖父和父亲都是以研究荧光和磷光而闻名的。他们的实验室里收集了许多荧光物质，这为贝克勒耳的研究提供了条件。
他选定了铀盐进行试验。他用黑纸包好一张感光底片，在底片上放置两小块铀盐，在其中一块和底片之间放了一枚银元。然后他把这些东西在阳光下曝晒几小时。当他打开黑纸包封的底片时，就可以分辨出银元的影像。
正当贝克勒耳想做进一步试验时，天公不作美，连着几天阴云密布，不见阳光。他只好把实验用的东西锁在抽屉里。1896年3月1日，天气放晴，他决心做完中断的实验。当他检查密封的底片时，他发现了明显的感光现象。他惊喜万分。这表明，铀盐未经日光照射、不发荧光时，依然可以使底片感光，说明铀本身在不断地自行发光，原先的结论错了。第二天，他在科学院的学术会议上公布了这一发现。为了探索这种射线的来源，贝克勒耳试验了大量有磷光和荧光效应的晶体，发现只有含铀的晶体才有这种“穿透辐射”；而且，纯铀所产生的辐射比铀盐强3—4倍。于是，1896年5月18日，他宣布：发射穿透射线的能力，是铀的一种特殊的性质。铀是人们发现的第一种放射性物质。人们把这种天然放射线叫做“贝竞勒耳射线”。
与伦琴发现x射线的境况大不相同，贝克勒耳发现放射性并未引起多大反响，也未引起人们的激动。这种新发现也未在报纸上报道，因为这时科学家们还在继续谈论和研究X射线。
贝克勒耳本人虽然继续从事这方面的研究，但由于只限于研究他所熟悉的铀，且认为别的物质不可能发出更强的射线，因此，研究工作进展也不大。
两年后，一对科学史上著名的夫妇科学家——居里夫妇，投身于放射性元素的研究中，并取得了巨大的成功，先后发现了钋、镭等新的放射性元素，才使放射性研究工作取得一次大的飞跃，为物理学开辟了新的天地。
居里夫人名叫玛丽，1867年出生于波兰华沙，父亲是一位中学教师。后来，玛丽在姐姐的帮助下到法国半工半读，以优异的成绩获数学、物理学两个学位。1895年，与法国青年物理学家居里结婚，因此世称居里夫人。从此，夫妻共同致力于科学研究工作。
贝克勒耳提出的铀及其化合物的放射性现象，没有在科学界引起如伦琴发现X射线般的轰动，但却引起了新婚不久的居里夫妇的注意。居里夫人敏锐地意识到该问题的重要性。于是决定将“放射性物质的研究”作为其博士论文题目，“放射性”一词也是她首先使用的。