个事件在一个惯性系中是同时但不是在同地发生的，那么它在相对于该惯性
系匀速运动的另一个惯性系中则不会是同时发生的，即同时性也是相对的；
在物体运动速度远小于光速的情况下，相对论力学就变成了牛顿力学。
在建立了狭义相对论之后，爱因斯坦又研究了引力问题。在牛顿力学中，
物体有两种质量：牛顿第二定律中的惯性质量和万有引力定律中的引力质
量。尽管牛顿推算出这两种质量是相等的，但却没有作出理论上的解释。匈
牙利人厄缶（1848～1919）曾用实验证明这两种质量是相等的。以两种质量
相等为基础，爱因斯坦在 1913～1916 年间提出了著名的等效原理和广义协变
原理，建立了新的引力理论——广义相对论。
现代天文学的发展
观测手段的进步
伽利略最先把望远镜指向太空，使天文学研究进入了望远镜观测的时
代。近代以来，望远镜的口径不断增大，观测的距离和清晰度不断增加。自
19 世纪照相术发明以来，照相方法逐步被应用到天文研究方面。由于光学的
进步，分光方法在天文研究中得到了进一步的应用。分光方法是指让星光通
过棱镜或光栅，使之按波长大小排列，形成光谱进而研究的方法。牛顿用棱
镜分解日光是分光方法的开始。50 年代以来，随着航天技术的发展，人们已
经不再局限于在大气层以内进行天文观测了，而开始了大气层外的天文观测
活动。在这方面最著名的例子是 1990 年 4 月由美国人通过航天飞机送入太空
的哈勃望远镜。
20 世纪天文研究方面具有革命性意义的是射电天文学的出现。射电天文
学使天文观测的范围从可见光频率扩展到了所有电磁波谱的频率范畴，开辟
了对不可见天体的研究，在某种意义上导致了 20 世纪天文学的革命性进展。
宇宙有多大
现代天文学的进展最后趋向了可观测的宇宙有限的结论，而这一宇宙有
限的观点正是随着天文学家所能观测到的宇宙范围越来越广而提出来的。
1923～1924 年间，美国人埃德温·哈勃（1889～1953）用当时世界上最大的
反射式光学望远镜（口径为 2．5 米）确认仙女座大星云不是银河系的弥漫星
云，而是银河系以外的恒星系统。目前，用最大的反射式光学望远镜，可以
看到 30 亿光年远的宇宙，但是，由于射电天文学的出现，光学望远镜所能达
到的极限已不能作为人类认识宇宙广度的界限了。
目前用光学望远镜看到的 30 亿光年远的星系，已达到了可观测宇宙 1／3
的深度，而用射电望远镜所看到的 100 亿光年远的星系，已经达到可观测宇
宙的边际了。
宇宙演化理论
爱因斯坦、德西特的宇宙与弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙开始引起天文
学家们的广泛注意和研究。
弗里德曼和勒梅特的宇宙是一个膨胀着的宇宙，而膨胀总是从物质密度
无穷大时开始的。1932 年，勒梅特从他的模型出发，提出了一个宇宙演化学
说，认为整个宇宙的物质最初集中在一个超原子宇宙蛋里，后来发生猛烈爆
炸，碎片向四面八方散开，形成了今天的宇宙。但他当时还没有完全足够的
核物理学知识来描述宇宙蛋爆炸后宇宙演化的具体过程和细节。另外，勒梅
特还低估了宇宙的年龄，这是因为当时哈勃所给出的宇宙尺度只有 20 亿光
年。后来巴德研究河外星系时得到了新的结论，宇宙的尺度增加了 20 倍，宇
宙的年龄也由勒梅特的 20 亿年增至 50～60 亿年。
尽管如此，大爆炸宇宙论还不是一个完善的理论，它还不能从物理学的
观点说明宇宙初始点的条件，也不能有把握地预言宇宙的终结。
现代地学的发展
大陆漂移说和地幔对流说
近代欧洲人研究了岩石的成因。在这方面产生了两种主要的观点：水成
论和火成论。
1893 年，美国人威廉斯（1847～1918）提出了地质年代学的概念，企图
按地质构造来确定地壳岩层的年龄。但这方面的认真研究是 20 世纪才开始
的。由于放射性元素有一个固定的半衰期，在半衰期内、核数目会减少到原
有数目的一半。所以，研究地壳岩石中元素的各种稳定和不稳定同位素的丰
度和它们之间比值的变化，便可以确定矿物、岩石的地质年龄。
但一般来说，人们普遍认为地球表面的大陆是静止的，没有运动。近代
的地质科学还没有关于大陆运动的思想。
1912 年 1 月，德国人魏格纳（1880～1930）在马尔堡科学协进会作了题
为《大陆的水平位移》的演讲，提出了关于大陆漂移的假说。1915 年，魏格
纳利用服兵役的病假期写成了《海陆的起源》一书，从地球物理学、地质学、
古生物学和生物学、古气候学、大地测量学等 5 个方面详细论述了他的大陆
漂移说。这是第一个关于大陆运动的系统学说。魏格纳认为，全世界的所有
大陆原来是一个被整海（泛大洋）包围着的整陆（泛大陆），由于潮汐和地
球自转的作用，巨大的大陆岩体分裂成几块，慢慢分开，漂浮在玄武岩底的
海洋上，向各个方向移动，经过几亿年的时间，这些移动形成了世界各大洋
大洲今日的面貌。
1928 年，英国人霍尔姆斯提出了著名的地幔对流说。霍尔姆斯认为，地
壳下的地幔物质可以发生热对流，上升的地幔流遇到大陆屏障后，会向两边
流去，产生的引张力将陆块扯裂，然后使之漂移，在陆面上形成裂谷；两股
相向流动的地幔汇合起来向下流动时，挤压力和拉力造成了地槽和海渊。霍
尔姆斯把地幔作为大陆漂移的传送带，从而较好地解决了大陆漂移的驱动力
问题。当然，霍尔姆斯的说法也仍然是一种假说，当时的大陆地质学和海洋
地质学都还不能提供地幔对流的足够证据。
海底扩张说和板块构造论
1960 年是海洋地质学上有纪念意义的一年。这一年，瑞士人 J．皮卡德和
一位美国人乘坐奥古斯特·皮卡德（1884～1962）发明的“的里雅斯特”号
深潜器，下潜到 1 万多米深的马里亚那海沟底部，使人类探测到了海洋的最
深处。另外，美国普林斯顿大学的赫斯（19O6～1969）在这一年提出了海底
扩张说。赫斯认为，洋中脊是洋壳生成的地方，地幔对流环将地幔物质从这
里挤出，形成新的洋底；对流环分离时携带新洋底背离洋脊运动，在海沟处
重新返回地幔深部；陆块边界若与下降的对流环为邻，便会发生强烈的变形；
另外，海底平顶山原是洋脊处的火山岛，后来被侵蚀作用削平，由于随洋底
运动，逐渐离开洋脊，淹没在海洋中。1962 年，赫斯以《海洋盆地的历史》
为题正式发表了他的上述观点。
在大陆漂移、地幔对流、海底扩张等学说及古地磁学、地震学研究资料
的基础上，英国剑桥大学的麦肯齐、R．L．帕克尔，美国普林斯顿大学的摩根、
哈得逊河畔拉蒙特地质研究所的法国人勒比雄等人在 1967～1968 年间提出
了板块构造理论。勒比雄在他的文章中将地球的岩石圈划分为欧亚、非洲、
澳洲、南极洲、美洲、太平洋六大板块，详细讨论了它们的运动。摩根的论
文还讨论了地幔物质在洋脊热点处涌出的情况。板块构造理论认为地壳板块
是地幔软流圈上的刚性块体，板块的边界处是构造运动最活跃的地方，在这
里存在着 3 种边界应力：由于两个板块相对运动而产生的挤压力（如造山带
的隆起、海沟处一个板块俯冲到另一个下面时）；两个板块背离运动时的引
张力（如东非裂谷和海底全球大裂谷的形成）；两个板块相互滑过时的剪切
力（如转换断层的形成）。总之，板块之间的相对运动被视为全球地壳构造
运动的基本原因。这样一个全新的地壳运动理论的诞生，表明了人类对脚下
的大地和海底的构造运动规律有了超越日常经验的理论认识。在某种意义
上，这是人类地球观的一次革命，它可以同哥白尼革命相媲美。
20 世纪的生命科学
基因的发现
近代生物学是从维萨留斯研究人体结构开始的。其后，哈维发现了动物
的血液循环。胡克发现了细胞之后，随着对生物生殖细胞的研究，在生物个
体发生方面产生了预成论和渐成论，最后施莱登和施旺用细胞学说对个体生
物学作了总结。从人体结构到动物的血液循环、再到细胞学说，显示了近代
个体生物学进步的道路。从 20 世纪的观点看，这些成果都仅仅是最基本的生
物学和生理学常识，生命的奥秘还隐藏在细胞之中。与达尔文同时代的奥地
利人孟德尔（1822～1884）已开始了遗传学研究，并于 1866 年在奥地利的一
个地方杂志上发表了《植物杂交的试验》一文。
孟德尔的发现并没有被他的同时代人接受，而是在 1900 年被生物学界重
新发现的。1909 年，丹麦人约翰逊将孟德尔文章中的遗传因子称为基因，于
是，基因的概念便成了遗传学中的一个基本概念。
1908 年，美国人摩尔根（1866～1945）开始做果蝇实验。果蝇有 4 对染
色体，雌体和雄体有 3 对完全相同，1 对则不同，雌的由两条 X 染色体组成，
雄的由一条 X 染色体和一条 Y 染色体组成。摩尔根在实验中特别注意了这对
不同的染色体（其中包含了性染色体），并在 1910 年发表了关于果蝇性连锁
遗传的论文，将一个基因和一个具体的染色体的行为联系起来了。
摩尔根的工作使孟德尔