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「帝國的年代」中的某一時期，科學家們的發現發明，與基於感官經驗（或想像）的「現實」之間的那個環節，忽然折斷。而在科學與基於常識（或想像）的「邏輯」之間的環節，此時也同時斷落。兩項斷裂，彼此強化，因為自然科學的進步，愈來愈倚重用紙筆寫數學公式之人，而不靠實驗室內諸公。20世紀，於是成為理論家指導實用師的世界，前者告訴後者應該找些什麼，並且應該以其理論之名尋找。換句話說，這將是一個數學家的世界——不過根據作者得自權威的指點，只有分子生物學，由於其理論依然很少是例外。並非觀察與實驗降為次要，相反地，20世紀科技的儀器、技術，比起7世紀以來任何一個時期的改變都更巨大，其中有幾項甚至因此獲得科學界的最高榮譽——諾貝爾獎。即以一事為例，電子顯微鏡（eleicroscope，1937）和射電望遠鏡（radio telescope，1957）的發明，便突破了歷來光學顯微鏡放大的限制，使得人類可以更深入地近觀分子甚至原子世界，遠眺遙遠宇宙蒼穹。近幾十年來，在電腦的協助之下，種種程序過程的自動化，以及愈加複雜的實驗活動與計算，更使實驗人員、觀察人員，以及負責建立模型（model）的理論人員更上層樓。在某些領域，如天文學，儀器技術的進步更造成重大發現——有時卻屬無心栽柳的意外結果——並由此更進一步推動理論的創新。基本上，現代天體學（ology）便是由以下兩大發現所促成：一是哈勃（Hubble）根據銀河系光譜（spectra of galaxies，1929）分析所做的觀察結論：宇宙在不斷擴張之中；一是彭齊亞斯（Arno A．Penzias）與威爾遜（Wilson）於1965年發現了天體背影輻射（ic background radiation）——電波雜音（radionoise）。但是，對短促二十世紀的科學研究而言，雖然理論與實務依舊並重，指揮全局者卻已是理論大家。
對於科學家本身來說，與感官經驗及常識告別，不啻意味著從此與本行經驗原有的確定感，以及過去慣用的方法學分道揚鑣。這種現象的後果，可由伊然本世紀前半期眾科學之後的無上學科——物理學——的演變一見分曉。誠然，物理學的關心焦點，仍舊是小到（不論死活）一切物質的最小成分，大到物質最大組合的質性結構。就這方面而言，它的地位依然無可動搖，即使在世紀末了的今天，仍舊是自然科學的中央樑柱。不過進入本世紀的第二時期，物理學的寶座卻面臨生命科學（life sce）的挑戰；後者則因50年代後的分子生物學革命而完全改觀。
所有科學之中，再沒有一門學問，比牛頓物理的世界更堅實、更連貫、更講求方法。但是普朗克（Max Planck）和愛因斯坦的理論一出，再加以源自上個世紀90年代放射線發現的原子理論問世，卻使其根基完全動搖。古典物理的世界是客觀的，即在觀察工具的限制條件之下（如光學顯微鏡或望遠鏡），可以對事物進行適當觀察。古典物理的世界也絕不模稜兩可：任何一種物體或現象，不是此就是彼，不是如此便是那般，其間的分野一清二楚。它的定律法則，放之四海而皆準，不論微觀世界或大天體，在任何時空下均能同樣成立。銜接各個古典物理現象的機體，也明白可辨，可以用「因果」關係的名詞表達。在這個基本觀念之下，整個古典物理世界的系統屬於一種「決定論」（determinism），而實驗室實驗的目的，則專在摒除日常生活籠罩的複雜迷障，以展現其確定性的本相。只有傻瓜或小孩子，才會聲稱鳥群或蝴蝶可以不顧地心引力定律自由飛翔。科學家很知道世上有這種「不合科學」的說法，可是作為科學中人，這些「胡說人道」不關他們的事情。
但是到了1895－1914年間的時代，古典律的世界卻被人提出質疑。光束，到底是一道連續的波動，還是如愛因斯坦依據普朗克所言，乃是一連串間斷的光子（photons）放射而成？也許，有時候最好把它看作光波——也許，有時候以光點為宜；可是波點之間，有沒有任何關係？如有，又是何種關聯？光之為物，「到底」是啥玩意？偉大的愛因斯坦本人，在他提出這道難解謎題的20年後也說：「對光，我們現在有兩種理論，兩種都不可或缺，可是——有一件事卻不能否認——儘管理論物理學家花了20年的巨大工夫，兩種理論之間，卻仍舊找不出任何邏輯關係。」（Holton，1970 p．1017）而原子之內，到底有何乾坤？現在眾所周知，原子已經不是最小物質了（因此與其希臘原名的意味相反），既非最小，自然也非不可再分之物，其中更有大千世界，包含著更小更基本的各種物質。有關這方面的第一項假定，是於1911年盧瑟福（Rutherford）在曼徹斯特（Maer）發現原子核（atomiucleus）後提出——這項偉大發現，可謂實驗式想像力的光榮勝利，並奠定現代孩子物理學的根基，更開創最終成為「大科學」的先河——他發現原子核外，尚有電子循軌道環繞，正如一個具體而微小的太陽系樣。但是更進一步研究，探索個別原子結構——其中尤以1912－1913年間玻爾的氫結構研究為最著名；玻爾本人對普朗克的「量子說」也有所知——卻再度發現實際與理論不合。在他的電子，與他自己所說的「各項觀念連貫交融，令人稱羨，不愧是電動力學（electrodynamics）的經典理論」（Holton，1970，p．1028）之間，存在著重大衝突。玻爾提出的模型雖然不失有效，具有精彩的解釋及推測能力，可是卻與古典的物理世界大異其趣。從牛頓的機械觀點觀之，簡直「可笑並違反理性」，而且根本否認原子大千世界的內部真相。因為在實際上，電子是跳躍式而非循序漸進，或在不同的軌道出沒。發現它的一剎那，也許在此軌道上；下一瞬間，可能又在彼軌道上。來去之間，到底有何玄機？也非玻爾模式所能解釋。
科學本身的肯定性，便隨著這個「次原子」層次觀察現象的過程本身，發生改變，隨之動搖：因為我們越想固定次原子級粒子（particle）的動向，它的速度卻越發變得快不可捉。電子的「真正」位置到底何在？有人便曾如此形容過這方面的努力：「看到它，就得打昏它。」（Weisskopf，1980，p．37）這種矛盾，即德國那名年輕優秀的物理學家海森伯格，於1927年歸納出的著名理論：「測不準原理」（uainty principle），並以其大名傳世。而此定理之名，著重在「不準」本身，的確意義非凡，因為它正標明了「新科學」中人的憂心所在。「舊科學」的十足肯定，已被他們拋在身後，「新科學」的一切卻那麼不可捉摸。並不是他們本人缺乏肯定，也非他們的結果令人懷疑。相反地，他們的理論推演，看起來再天馬行空，再不可思議，最後卻一一均為單調無聊的觀察實驗所證實。從愛因斯坦的廣義相對論起（1915年），即為如此——相對論的最早證據，應是由1919年英國一支日食觀察隊提出，隊員們發現某些遙遠星光，一如相對論所推測，向太陽折射而去。其實就實際目的而言，粒子物理與牛頓物理無異，其規律同樣可測——雖然模樣性質大異其趣——但是至少在原子一級以上，牛頓與伽利略的學說依然完全有效。令科學家緊張的是，新舊之間，卻不知如何配合是好。
到了1924－1927年間，在本世紀前25年里令物理學家大感不安的二元現象，卻突然一掃而空，或可說一時靠邊站。此中功臣，得歸因於數學物理一門的崛起，即在多國同時出現的「量子力學」（quantum meics）。原子世界之內的「真相」原不在「波」或「質」，卻在無可分解的「量子狀態」（quantumstates），能以「波」或「質」任一種狀態表述。因此，硬將其編列為連續或間斷的動作，根本毫無意義。因為我們不可能亦步亦趨，緊追著電子的腳步觀察。現在不行，將來也永遠不能。於是古典物理的所謂位置（position）、速度（veIocity）、動量（momentum）等觀念，超出某個地步便不能再予應用，即海森伯格「測不準原理」所點明的界限。當然，出了這個界限，自有其他觀念可循，可以產生較有把握的結果。即（負極）電子，被限制在原子內部，貼近（正極）原子核之下，所產生的特定「波紋」或震動「模式」（pattern）。在這個有限空間里接連發生的「量子狀態」，便形成了頻率不同、卻規則清晰的模式；並一如各個相關能量般，可經由計算取得，正如奧地利的薛定諤（Erwin Schrodinger）於1926年時所示。這些電子模式，具有驚人的預測及解釋效力。因此多年以後，當鈈（plutonium）首次為洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）原子反應堆提煉成功，正式踏上製造第一顆