冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)中的技術(shù)革命

冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)中的技術(shù)革命一、本文概述隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，冷凍電鏡（Cryo-ElectronMicroscopy,Cryo-EM）技術(shù)在分子生物物理學(xué)領(lǐng)域引發(fā)了前所未有的技術(shù)革命。本文旨在全面概述冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展歷程、原理及其在分子生物物理學(xué)研究中的應(yīng)用，深入探討其在揭示生命奧秘中的重要作用。文章首先回顧了冷凍電鏡技術(shù)的誕生背景及其發(fā)展歷程，然后詳細(xì)介紹了冷凍電鏡的基本原理和技術(shù)優(yōu)勢，包括其在保持生物分子原始狀態(tài)、高分辨率成像等方面的獨特之處。接著，文章將重點討論冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用案例，如蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析、病毒研究、膜蛋白研究等，以及這些應(yīng)用對生命科學(xué)研究的深遠(yuǎn)影響。文章將展望冷凍電鏡技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，探討其在生命科學(xué)研究中的潛在應(yīng)用和挑戰(zhàn)。通過本文的闡述，讀者將對冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)中的技術(shù)革命有更為深入和全面的理解。二、冷凍電鏡技術(shù)的基本原理和發(fā)展歷程冷凍電鏡（Cryo-ElectronMicroscopy，Cryo-EM）是一種在生物學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域具有革命性影響的成像技術(shù)，尤其在分子生物物理學(xué)中，其應(yīng)用日益廣泛。其基本原理在于使用透射電子顯微鏡（TEM）對低溫下的生物樣品進(jìn)行成像，以保持生物大分子的自然狀態(tài)，避免化學(xué)固定和脫水處理過程中可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)改變。冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀(jì)70年代，當(dāng)時的技術(shù)主要面臨兩大挑戰(zhàn)：一是如何在低溫下保持生物樣品的穩(wěn)定性，二是如何提高電子顯微鏡的分辨率以揭示生物大分子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們逐漸解決了這些問題，使冷凍電鏡成為了研究生物大分子結(jié)構(gòu)的重要工具。在冷凍電鏡技術(shù)的早期階段，科學(xué)家們主要使用液態(tài)乙烷或液態(tài)氮作為冷卻劑，對生物樣品進(jìn)行快速冷凍。然而，這種方法很難保證生物大分子的完整性和穩(wěn)定性。隨后，科學(xué)家們發(fā)展了使用液氦作為冷卻劑的冷凍方法，使樣品的冷卻速度大大提高，從而減少了冰晶的形成，保持了生物大分子的自然狀態(tài)。隨著硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，冷凍電鏡的分辨率也不斷提高。尤其是近年來，直接電子檢測器（DirectElectronDetectors，DEDs）的出現(xiàn)，極大地提高了冷凍電鏡的成像質(zhì)量和分辨率。DEDs可以直接檢測透射電子顯微鏡中的電子，從而減少了圖像噪聲，提高了圖像質(zhì)量。這使得科學(xué)家們能夠以前所未有的精度解析生物大分子的三維結(jié)構(gòu)。目前，冷凍電鏡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種生物大分子的結(jié)構(gòu)研究中，包括蛋白質(zhì)、核酸、病毒、細(xì)胞器等。其優(yōu)點在于可以在接近生理條件下對生物大分子進(jìn)行成像，從而揭示其真實的結(jié)構(gòu)和功能。因此，冷凍電鏡技術(shù)無疑是分子生物物理學(xué)領(lǐng)域的一次技術(shù)革命。三、冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)中的應(yīng)用冷凍電鏡技術(shù)的快速發(fā)展和革新，使得它在分子生物物理學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。其獨特的優(yōu)勢，如可以在接近生理條件下對生物大分子進(jìn)行高分辨率成像，以及在無需對樣品進(jìn)行染色或標(biāo)記的情況下直接觀察其結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為，使得冷凍電鏡成為了分子生物物理學(xué)研究的重要工具。冷凍電鏡在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)中發(fā)揮了巨大的作用。通過冷凍電鏡，科學(xué)家們可以解析出許多難以通過傳統(tǒng)射線晶體學(xué)方法解析的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括膜蛋白、大分子復(fù)合物以及那些在溶液中才能保持活性的蛋白質(zhì)。這不僅極大地擴(kuò)展了我們對蛋白質(zhì)世界的認(rèn)識，也為我們理解蛋白質(zhì)的功能和調(diào)控機(jī)制提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。冷凍電鏡在病毒學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)中也發(fā)揮了重要作用。病毒作為一種特殊的生物大分子，其結(jié)構(gòu)和生命周期的研究對于病毒病的預(yù)防和治療具有重要意義。冷凍電鏡的高分辨率成像技術(shù)可以直接觀察到病毒粒子的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，為我們理解病毒的感染機(jī)制和抗病毒藥物的設(shè)計提供了重要的信息。冷凍電鏡還可以用于觀察細(xì)胞內(nèi)的超微結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞骨架、細(xì)胞器等，為我們理解細(xì)胞的生命活動提供了直觀的證據(jù)。冷凍電鏡在藥物研發(fā)中也發(fā)揮了重要作用。通過冷凍電鏡，我們可以觀察到藥物與生物大分子（如蛋白質(zhì)、DNA等）的相互作用過程，從而理解藥物的作用機(jī)制和藥效。這對于藥物的設(shè)計和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。冷凍電鏡還可以用于藥物篩選，通過直接觀察藥物對生物大分子的影響，快速篩選出具有潛在療效的藥物候選者。冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域，其獨特的優(yōu)勢使得它在未來的研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和方法的優(yōu)化，我們期待冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)中發(fā)揮出更大的作用。四、冷凍電鏡技術(shù)的挑戰(zhàn)與前景盡管冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)中取得了顯著的進(jìn)步，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。盡管技術(shù)進(jìn)步使得我們能夠以更高的分辨率觀察生物分子，但冷凍電鏡的設(shè)備和維護(hù)成本仍然高昂，這限制了其在許多實驗室的普及。冷凍電鏡實驗需要高度專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，這也增加了其使用的難度。然而，盡管存在這些挑戰(zhàn)，冷凍電鏡的前景依然充滿希望。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，我們預(yù)見在未來幾年中，冷凍電鏡將成為更多實驗室的標(biāo)準(zhǔn)工具。這將促進(jìn)我們對生物分子的深入理解，從而推動分子生物物理學(xué)的快速發(fā)展。新的數(shù)據(jù)處理和分析方法的出現(xiàn)也將為冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展提供新的機(jī)遇。例如，和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的引入，可以大大提高冷凍電鏡數(shù)據(jù)的處理速度和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步推動冷凍電鏡在分子生物物理學(xué)中的應(yīng)用。雖然冷凍電鏡技術(shù)目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，但其前景廣闊。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，我們有理由相信，冷凍電鏡將在未來的分子生物物理學(xué)研究中發(fā)揮越來越重要的作用，推動我們對生命科學(xué)的理解達(dá)到新的高度。五、結(jié)論隨著科技的不斷進(jìn)步，冷凍電鏡技術(shù)在分子生物物理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)引發(fā)了深刻的技術(shù)革命。從最初的基礎(chǔ)研究工具，到如今能夠揭示生命活動分子機(jī)制的強(qiáng)大武器，冷凍電鏡的每一次技術(shù)突破都為我們理解生命的奧秘提供了新的視角。通過本文的探討，我們可以看到，冷凍電鏡技術(shù)的革命性主要體現(xiàn)在其分辨率的顯著提高、樣品制備技術(shù)的優(yōu)化以及數(shù)據(jù)處理和分析方法的進(jìn)步等方面。這些技術(shù)上的突破使得冷凍電鏡能夠在結(jié)構(gòu)生物學(xué)、藥物設(shè)計和疾病機(jī)理研究等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。我們也應(yīng)該看到，冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，雖然其分辨率已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但仍難以滿足所有研究的需求；樣品制備和數(shù)據(jù)處理等方面的問題也需要我們不斷探索和解決。因此，未來我們需要繼續(xù)在冷凍電鏡技術(shù)的研究和開發(fā)上投入更多的精力，以期在分子生物物理學(xué)領(lǐng)域取得更大的突破。冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展為分子生物物理學(xué)帶來了深刻的技術(shù)革命，它不僅提高了我們對生命活動的認(rèn)識水平，也為疾病的治療和預(yù)防提供了新的思路和方法。我們有理由相信，隨著科技的不斷發(fā)展，冷凍電鏡將在未來發(fā)揮更加重要的作用，推動分子生物物理學(xué)的研究走向新的高峰。參考資料：冷凍電鏡技術(shù)是一種在現(xiàn)代科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用的成像技術(shù)，具有高分辨率和高靈敏度等特點。本文將介紹冷凍電鏡技術(shù)及其應(yīng)用，并討論其在醫(yī)學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域的重要作用及發(fā)展趨勢。冷凍電鏡技術(shù)是一種將樣品快速冷凍并用于電子顯微鏡觀察的技術(shù)。在冷凍電鏡下，樣品被迅速冷凍在玻璃態(tài)，從而避免了樣品在空氣中受到氧化或水分的干擾，保證了樣品的原始狀態(tài)。冷凍電鏡技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，包括結(jié)構(gòu)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等多個領(lǐng)域。然而，冷凍電鏡技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)，如冷凍過程中的樣品損傷、冷凍過程難以控制等問題，需要在實際操作中加以解決。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：冷凍電鏡技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在病毒研究和癌癥研究等方面。例如，通過對病毒的冷凍電鏡觀察，可以清晰地看到病毒的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，有助于病毒的分類和診斷。同時，冷凍電鏡技術(shù)也可以用于觀察癌癥細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，幫助醫(yī)生進(jìn)行癌癥的診斷和治療。生物領(lǐng)域：冷凍電鏡技術(shù)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在細(xì)胞生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)等方面。例如，通過冷凍電鏡技術(shù)觀察細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，可以深入了解細(xì)胞的生物學(xué)特性。同時，冷凍電鏡技術(shù)也可以用于觀察蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，為生物醫(yī)藥研究提供幫助。材料領(lǐng)域：冷凍電鏡技術(shù)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在材料表征和失效分析等方面。例如，通過冷凍電鏡技術(shù)可以觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌，進(jìn)而分析材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。同時，冷凍電鏡技術(shù)也可以用于研究材料的相變和斷裂等失效行為，為材料的優(yōu)化和改進(jìn)提供指導(dǎo)。然而，冷凍電鏡技術(shù)在實際應(yīng)用中也存在一些局限性和挑戰(zhàn)。例如，冷凍電鏡技術(shù)的樣品制備過程較為復(fù)雜，且對樣品的穩(wěn)定性要求較高。由于電子束的照射可能會導(dǎo)致樣品表面的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此需要嚴(yán)格控制電子束的劑量和使用方式。未來，隨著冷凍電鏡技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，相信這些問題會得到更好地解決。隨著科技的不斷進(jìn)步和樣品制備技術(shù)的不斷優(yōu)化，冷凍電鏡技術(shù)也在不斷發(fā)展。未來，冷凍電鏡技術(shù)將朝著高分辨率、高靈敏度和高通量等方向發(fā)展。冷凍電鏡技術(shù)也將不斷拓展其應(yīng)用范圍，例如在能源、環(huán)境等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮重要作用。隨著計算技術(shù)和的快速發(fā)展，冷凍電鏡技術(shù)也將與這些領(lǐng)域進(jìn)行更深入的融合，推動相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。冷凍電鏡技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。未來，我們相信冷凍電鏡技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類的認(rèn)識和理解提供更多的啟示和發(fā)現(xiàn)。摘要：本文介紹了冷凍電鏡在生物大分子三維重構(gòu)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，包括樣品制備、圖像獲取和處理、以及結(jié)構(gòu)解析等。通過對這些技術(shù)的深入研究，我們能夠更好地理解和描述生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能，從而推動生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，冷凍電鏡技術(shù)已經(jīng)成為研究生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的重要手段。通過冷凍電鏡技術(shù)，我們可以直接觀察到生物大分子的原子結(jié)構(gòu)，從而深入了解其功能和機(jī)制。本文將重點介紹冷凍電鏡在生物大分子三維重構(gòu)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。在冷凍電鏡研究中，樣品的制備是至關(guān)重要的第一步。由于生物大分子在溶液中容易受到破壞，因此需要采用特殊的樣品制備技術(shù)將其固定在穩(wěn)定的形態(tài)中。常用的樣品制備方法包括液氮冷凍和冷凍干燥。在液氮冷凍過程中，將生物大分子溶液與冷凍介質(zhì)（如液氮）混合，通過快速冷卻使溶液中的水分子迅速結(jié)晶，從而固定生物大分子的結(jié)構(gòu)。而冷凍干燥則是通過去除溶液中的水分，使生物大分子在干燥狀態(tài)下保持穩(wěn)定。在樣品制備完成后，我們可以通過冷凍電鏡獲取生物大分子的圖像。在圖像獲取過程中，需要選擇合適的電子束能量和掃描速度，以獲得高質(zhì)量的圖像。同時，還需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理和后處理，以去除噪聲和偽影，提高圖像的清晰度和分辨率。常用的圖像處理技術(shù)包括濾波、去噪、增強(qiáng)等。在獲取到高質(zhì)量的圖像后，我們需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，以得到生物大分子的原子結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)解析的方法通常包括電子密度映射和直接成像兩種。電子密度映射是通過測量電子束穿過樣品時產(chǎn)生的散射強(qiáng)度，推算出樣品的電子密度分布，從而得到生物大分子的原子結(jié)構(gòu)。而直接成像則是通過測量電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的衍射信息，直接得到生物大分子的原子結(jié)構(gòu)。冷凍電鏡在生物大分子三維重構(gòu)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過對樣品制備、圖像獲取和處理、結(jié)構(gòu)解析等關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，我們可以更好地理解和描述生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能，從而推動生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，冷凍電鏡將在生物大分子三維重構(gòu)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。物理學(xué)革命自哥白尼以來一直在進(jìn)行，它從未停頓過，世紀(jì)人物牛頓、愛因斯坦只是發(fā)展進(jìn)程中階段性質(zhì)變的兩個環(huán)節(jié)。100年前，愛因斯坦發(fā)表他的論文時，悄無聲息，一切改變在緩緩進(jìn)行，量變積累著質(zhì)變，直到1919年日食對光線彎曲的證實，才使相對論名揚(yáng)天下。牛頓開始他的研究活動時，也只有少數(shù)幾個人了解，隨著他人的推介，其影響才逐步擴(kuò)大。物理學(xué)革命從來就不是群眾運(yùn)動，它是自上而下的變革，是由點到線再到面的。19世紀(jì)末20世紀(jì)初對古典物理學(xué)理論體系的基礎(chǔ)所進(jìn)行的根本性變革。目的在于克服由于古典物理學(xué)理論無法解釋新的實驗事實的發(fā)現(xiàn)而造成的整個物理學(xué)的嚴(yán)重危機(jī)，解決新事實同舊理論體系之間的矛盾。這場革命先后延續(xù)了30多年，改變了人類對物質(zhì)、運(yùn)動、空間、時間、因果性等的基本認(rèn)識，帶動了20世紀(jì)整個自然科學(xué)和技術(shù)的革命，為人類文明開辟了新紀(jì)元。由G.伽利略和I.牛頓奠定基礎(chǔ)的古典物理學(xué)理論，到了19世紀(jì)40年代以后，由于海王星和能量守恒原理的發(fā)現(xiàn)、M.法拉第、J.C.麥克斯韋電磁理論的輝煌成就以及分子運(yùn)動論的建立，而包羅了大至日月星辰，小至原子、分子的物理世界。這一理論在科學(xué)的各個領(lǐng)域中所向披靡,使當(dāng)時不少物理學(xué)家認(rèn)為,物理理論已接近最后完成,今后只需在細(xì)節(jié)上作些補(bǔ)充和發(fā)展,在小數(shù)點第六位上做文章?？墒?，正當(dāng)古典物理學(xué)發(fā)展到了頂峰的時候，它本身卻開始出現(xiàn)了危機(jī)和革命。危機(jī)開始于19世紀(jì)80年代的“以太漂移”實驗的“零結(jié)果”，到19世紀(jì)末出人意料地發(fā)現(xiàn)了射線和放射性,接著又發(fā)現(xiàn)了電子和鐳等等。這就使一向被看作天經(jīng)地義的原子的不可分割性和不變性、物質(zhì)不滅性和能量守恒性、空間和時間的絕對性、運(yùn)動的連續(xù)性等等，都產(chǎn)生了動搖，物理學(xué)領(lǐng)域中許多基本原理和基本概念都受到懷疑和重新審查。法國數(shù)學(xué)家J.H.彭加勒于1905年指出，物理學(xué)處于危機(jī)之中，并醞釀著一場革命。物理學(xué)革命發(fā)軔于量子論和相對論的誕生。M.K.E.L.普朗克于1900年為解決黑體輻射實驗結(jié)果同古典理論的矛盾，提出了量子假說，認(rèn)為在輻射的發(fā)射或吸收過程中，能量不是無限可分的，而是有一個最小的單元即量子。這是一個大膽的假說，它直接違背了G.W.萊布尼茨的“自然界無飛躍”的論斷。因而在1911年以前，老一輩物理學(xué)家?guī)缀跞烤芙^接受它，就連普朗克自己也惴惴不安，曾于1911年和1914年兩度提出以古典概念取代量子假說的新理論。第一個認(rèn)真對待并努力發(fā)展量子概念的是年輕的愛因斯坦。他從認(rèn)識論的角度意識到，量子概念帶來的將是整個物理學(xué)理論框架的根本變革，物理學(xué)家需要做的工作是建立新的理論基礎(chǔ)，而不是局部地修補(bǔ)。他于1905年把量子概念擴(kuò)充到輻射的傳播過程，提出光量子假說，認(rèn)為光既具有波動性又具有粒子性，即波－粒二象性，這是人類第一次認(rèn)識到的微觀客體的最基本的特征。隨后，他又把量子概念推廣到輻射領(lǐng)域以外，用來研究低溫固體比熱和光化學(xué)現(xiàn)象，開創(chuàng)了固體量子論和光化學(xué)理論。直接向牛頓力學(xué)理論體系挑戰(zhàn)的是愛因斯坦于1905年創(chuàng)立的狹義相對論（見相對論）。狹義相對論否定了作為牛頓力學(xué)理論基礎(chǔ)的絕對空間和絕對時間概念，否定了作為一切電磁現(xiàn)象和光學(xué)現(xiàn)象載體的“以太”的存在，驅(qū)散了由“以太漂移”實驗所帶來的困惱。狹義相對論把古典力學(xué)定律全部加以改造，使之適合于低速運(yùn)動的極限情況。作為狹義相對論的推論，運(yùn)動的尺要縮短,運(yùn)動的鐘要變慢,任何物體運(yùn)動速度都不可能超過光速。這些顯然都為常識所不容。狹義相對論揭示了作為物質(zhì)存在形式的空間和時間的統(tǒng)一性，揭示了物質(zhì)和運(yùn)動統(tǒng)一性的最本質(zhì)的形式──質(zhì)量和能量的相當(dāng)性。這不僅發(fā)展了物質(zhì)和運(yùn)動不可分離的原理，而且為原子能時代的到來開辟了道路。愛因斯坦經(jīng)過多年的艱苦努力，于1915年進(jìn)一步建立了廣義相對論。廣義相對論揭示了空間、時間同物質(zhì)的統(tǒng)一關(guān)系，指出空間、時間不是離開物質(zhì)獨立存在的，時空的結(jié)構(gòu)取決于物質(zhì)的分布；物理空間不是平坦的，而是彎曲的，空間曲率表現(xiàn)為引力。1917年,愛因斯坦根據(jù)廣義相對論考察整個宇宙空間,開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)。他提出的有限無界的宇宙模型，后來發(fā)展成為宇宙膨脹理論和大爆炸理論(見大爆炸宇宙學(xué))。這是繼N.哥白尼之后對天文學(xué)宇宙觀的又一次革命。量子論在光量子論以后又經(jīng)歷了兩次大發(fā)展。一次以N.H.D.玻爾建立的原子結(jié)構(gòu)理論為標(biāo)志。玻爾于1913年把量子論同E.盧瑟福的有核的原子模型結(jié)合起來，并把原來只用于能量的量子概念推廣到其他物理量。這一理論成功地解釋了關(guān)于化學(xué)元素光譜線的各個經(jīng)驗定律，也為化學(xué)元素周期律的理論解釋奠定了基礎(chǔ)。另一次以量子力學(xué)的建立為標(biāo)志。量子力學(xué)是用兩種不同的形式建立起來的,一種是L.-V德布羅意的物質(zhì)波理論和E.薛定諤的波動力學(xué)，另一種是W.K.海森伯的矩陣力學(xué)。德布羅意于1923年把愛因斯坦關(guān)于光的波粒二象性擴(kuò)展到一切物質(zhì)粒子,揭示了電子也具有波動性,為玻爾的量子化條件提供了理論根據(jù)。薛定諤發(fā)展了德布羅意的理論，于1926年建立了波動力學(xué)，提出微觀物理學(xué)的基本運(yùn)動定律，即薛定諤方程。受玻爾影響的海森伯，于1925年效法愛因斯坦建立狹義相對論時否定不可觀察的絕對時間概念，拋棄象玻爾的電子軌道這類不可觀察的古典運(yùn)動學(xué)的量，專門研究可觀察量之間的關(guān)系。他在玻恩等人的合作下建立了矩陣力學(xué)，亦稱量子力學(xué)。在這個力學(xué)方案中，動量與坐標(biāo)相乘是不可對易的。同年，P.狄拉克用更有力的數(shù)學(xué)工具把古典力學(xué)基本方程改為量子力學(xué)方程，為量子力學(xué)提供了更為寬廣的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。隨后，薛定諤于1926年發(fā)現(xiàn)波動力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上是完全等價的，兩者實質(zhì)上是同一個物理理論。根據(jù)量子力學(xué),海森伯于1927年發(fā)現(xiàn)“測不準(zhǔn)原理”,揭示了一個粒子的位置和動量（或能量和時間）不能同時準(zhǔn)確地加以測量。狄拉克根據(jù)量子力學(xué)和相對論，于1929年預(yù)言有正電子及其他“反粒子”即“反物質(zhì)”的存在，并揭示了真空不空。這些都深刻地改變了人們的自然觀。量子力學(xué)對古典物理學(xué)的沖擊比相對論更為猛烈。因為，相對論提供了新的時空觀，并為科學(xué)理論清除先驗因素提供了范例；量子力學(xué)則提供了一種考察和描述自然的新方法，它的一系列基本概念，如波粒二象性、共軛物理量的不可對易性、測不準(zhǔn)關(guān)系等，都同傳統(tǒng)的概念框架格格不入，在哲學(xué)思想領(lǐng)域中引起了巨大的震動。物理學(xué)革命的歷程使人們認(rèn)識到，任何科學(xué)理論都不可能一成不變，隨著科學(xué)實驗的發(fā)展，理論必須不斷發(fā)展，甚至要徹底更新。這場革命也帶動了其他各門科學(xué)的革命，使整個20世紀(jì)成為科學(xué)技術(shù)革命的世紀(jì)。物理學(xué)革命也帶來了自然觀的革命，使幾個世紀(jì)以來在整個自然科學(xué)領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位的機(jī)械唯物主義自然觀終于讓位給辯證唯物主義自然觀。物理學(xué)革命自哥白尼以來一直在進(jìn)行，它從未停頓過，世紀(jì)人物牛頓、愛因斯坦只是發(fā)展進(jìn)程中階段性質(zhì)變的兩個環(huán)節(jié)。100年前，愛因斯坦發(fā)表他的論文時，悄無聲息，一切改變在緩緩進(jìn)行，量變積累著質(zhì)變，直到1919年日食對光線彎曲的證實，才使相對論名揚(yáng)天下。牛頓開始他的研究活動時，也只有少數(shù)幾個人了解，隨著他人的推介，其影響才逐步擴(kuò)大。物理學(xué)革命從來就不是群眾運(yùn)動，它是自上而下的變革，是由點到線再到面的。19世紀(jì)末20世紀(jì)初對古典物理學(xué)理論體系的基礎(chǔ)所進(jìn)行的根本性變革。目的在于克服由于古典物理學(xué)理論無法解釋新的實驗事實的發(fā)現(xiàn)而造成的整個物理學(xué)的嚴(yán)重危機(jī)，解決新事實同舊理論體系之間的矛盾。這場革命先后延續(xù)了30多年，改變了人類對物質(zhì)、運(yùn)動、空間、時間、因果性等的基本認(rèn)識，帶動了20世紀(jì)整個自然科學(xué)和技術(shù)的革命，為人類文明開辟了新紀(jì)元。由G.伽利略和I.牛頓奠定基礎(chǔ)的古典物理學(xué)理論，到了19世紀(jì)40年代以后，由于海王星和能量守恒原理的發(fā)現(xiàn)、M.法拉第、J.C.麥克斯韋電磁理論的輝煌成就以及分子運(yùn)動論的建立，而包羅了大至日月星辰，小至原子、分子的物理世界。這一理論在科學(xué)的各個領(lǐng)域中所向披靡,使當(dāng)時不少物理學(xué)家認(rèn)為,物理理論已接近最后完成,今后只需在細(xì)節(jié)上作些補(bǔ)充和發(fā)展,在小數(shù)點第六位上做文章?？墒牵?dāng)古典物理學(xué)發(fā)展到了頂峰的時候，它本身卻開始出現(xiàn)了危機(jī)和革命。危機(jī)開始于19世紀(jì)80年代的“以太漂移”實驗的“零結(jié)果”，到19世紀(jì)末出人意料地發(fā)現(xiàn)了射線和放射性,接著又發(fā)現(xiàn)了電子和鐳等等。這就使一向被看作天經(jīng)地義的原子的不可分割性和不變性、物質(zhì)不滅性和能量守恒性、空間和時間的絕對性、運(yùn)動的連續(xù)性等等，都產(chǎn)生了動搖，物理學(xué)領(lǐng)域中許多基本原理和基本概念都受到懷疑和重新審查。法國數(shù)學(xué)家J.H.彭加勒于1905年指出，物理學(xué)處于危機(jī)之中，并醞釀著一場革命。物理學(xué)革命發(fā)軔于量子論和相對論的誕生。M.K.E.L.普朗克于1900年為解決黑體輻射實驗結(jié)果同古典理論的矛盾，提出了量子假說，認(rèn)為在輻射的發(fā)射或吸收過程中，能量不是無限可分的，而是有一個最小的單元即量子。這是一個大膽的假說，它直接違背了G.W.萊布尼茨的“自然界無飛躍”的論斷。因而在1911年以前，老一輩物理學(xué)家?guī)缀跞烤芙^接受它，就連普朗克自己也惴惴不安，曾于1911年和1914年兩度提出以古典概念取代量子假說的新理論。第一個認(rèn)真對待并努力發(fā)展量子概念的是年輕的愛因斯坦。他從認(rèn)識論的角度意識到，量子概念帶來的將是整個物理學(xué)理論框架的根本變革，物理學(xué)家需要做的工作是建立新的理論基礎(chǔ)，而不是局部地修補(bǔ)。他于1905年把量子概念擴(kuò)充到輻射的傳播過程，提出光量子假說，認(rèn)為光既具有波動性又具有粒子性，即波－粒二象性，這是人類第一次認(rèn)識到的微觀客體的最基本的特征。隨后，他又把量子概念推廣到輻射領(lǐng)域以外，用來研究低溫固體比熱和光化學(xué)現(xiàn)象，開創(chuàng)了固體量子論和光化學(xué)理論。直接向牛頓力學(xué)理論體系挑戰(zhàn)的是愛因斯坦于1905年創(chuàng)立的狹義相對論（見相對論）。狹義相對論否定了作為牛頓力學(xué)理論基礎(chǔ)的絕對空間和絕對時間概念，否定了作為一切電磁現(xiàn)象和光學(xué)現(xiàn)象載體的“以太”的存在，驅(qū)散了由“以太漂移”實驗所帶來的困惱。狹義相對論把古典力學(xué)定律全部加以改造，使之適合于低速運(yùn)動的極限情況。作為狹義相對論的推論，運(yùn)動的尺要縮短,運(yùn)動的鐘要變慢,任何物體運(yùn)動速度都不可能超過光速。這些顯然都為常識所不容。狹義相對論揭示了作為物質(zhì)存在形式的空間和時間的統(tǒng)一性，揭示了物質(zhì)和運(yùn)動統(tǒng)一性的最本質(zhì)的形式──質(zhì)量和能量的相當(dāng)性。這不僅發(fā)展了物質(zhì)和運(yùn)動不可分離的原理，而且為原子能時代的到來開辟了道路。愛因斯坦經(jīng)過多年的艱苦努力，于1915年進(jìn)一步建立了廣義相對論。廣義相對論揭示了空間、時間同物質(zhì)的統(tǒng)一關(guān)系，指出空間、時間不是離開物質(zhì)獨立存在的，時空的結(jié)構(gòu)取決于物質(zhì)的分布；物理空間不是平坦的，而是彎曲的，空間曲率表現(xiàn)為引力。1917年,愛因斯坦根據(jù)廣義相對論考察整個宇宙空間,開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)。他提出的有限無界的宇宙模型，后來發(fā)展成為宇宙膨脹理論和大爆炸理論(見大爆炸宇宙學(xué))。這是繼N.哥白尼之后對天文學(xué)宇宙觀的又一次革命。