二十世紀初期，物理學者發現經典物理學存在著極嚴重的瑕疵：邁克生-莫立實驗的零結果不符合經典物理學的預測，黑體輻射譜不符合熱力學的預測，經典電磁學無法解釋光電效應與原子光譜，放射性物質的物理性質貌似與經典物理學的決定論背道而馳。這些瑕疵給學術界帶來了一場前所未有的考驗，徹底地動搖了舊理論體系的基石，導致了二十世紀物理學兩大理論體系相對論和量子力學的出現，进而開始了現代物理學的紀元。相對論和量子力學對於這些難題給出合理解答。不僅如此，物理學者應用相對論和量子力學於像原子、分子等等的微觀系統，以及各種凝聚態宏觀系統，從而更為深切地揭示大自然的工作機制，並且促進物質文明蓬勃發展。