1900年，在英国皇家学会上，著名物理学家汤姆生发表了新年祝词，“在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。”同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”事实上，经典物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。两朵乌云的出现将物理学引上了更加辽阔的天地。

第一朵乌云：迈克尔逊—莫雷实验结果与“以太”假说的矛盾

先简单说下什么是以太假说，17世纪笛卡儿最先将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。在相当长的时期内(直到20世纪初)，人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动，这种媒介物质就称为波的荷载物。比如声音在空气中传播，因此空气是声波的荷载物。因此，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力。物理学家认为“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和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论因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，以太又带来了新的问题：既然“以太”是绝对静止的，地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，因此必须对光的传播产生影响。这个问题引起人们去探讨“以太风”存在与否。

1881年-1884年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。实验结果显示，不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，实验表明以太并不存在。实验结果使得物理学家们左右为难，做了很多努力来拯救“以太”说。一直到爱因斯坦大胆抛弃了以太学说，认为光速不变是基本的原理，并以此为出发点之一创立了狭义相对论。以太终于被物理学家们所抛弃，人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念，而场可以在真空中以波的形式传播。 随后，量子力学的建立更加强了这种观点。

第二朵乌云：黑体辐射和“紫外灾难”

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到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，由于冶金以及照明设备制造等的需要，人们急需找到黑体辐射强度和辐射频率的关系，1889年卢默与鲁本斯通过研究空腔辐射得出了黑体辐射光谱的实验数据。但是，单使用实验数据找对应点的方法十分不便，人们开始了寻找一般的公式。

当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。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，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。

这时，普朗克无意中读到维恩关于黑体辐射的论文，他对此产生的兴趣便一发而不可收拾，耗时六年在放弃那些假定和推导下，将两个公式凑成一个满足所有波段的公式，得到一个符合所有波段的公式。经过验证，这个公式与实验十分精确地吻合。经过多番尝试解释这个经验公式，最终导出了能量不连续性图像，使普朗克不得不假设量子的理论，诞生了量子学说。

物理学史上的两朵乌云诞生了相对论和量子理论，将物理学带入了全新的世界，奠定了近代物理学的发展基石。