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居里研究了所有已知的元素，得到两个关键的发现：除了铀以外，钍也可以释放辐射；而且，尽管它们有很不相同的化学性质，含有两种元素的不同化合物释放出同样的辐射量。居里的结论认为，确定辐射强度的不是放射性物质的分子结构，而是其中铀或者钍的含量。换言之，由于铀和钍是特定的原子，是元素周期表的一部分，辐射只能是原子本身的属性，而不是分子结构的属性。这是一个革命性的发现：如果说之前认为是所有物质的可能的最小单位的原子在释放射线，那么，它们的结构肯定比原来的认识更加复杂。
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在他们测试的所有自然放射性物质中，沥青铀矿，主要见之于西姆斯塔尔（今天捷克共和国境内的雅克摩夫）的一种富含铀的矿物，是最可能的进一步研究对象，特别是因为它有一个令人费解的特质：它比单纯的铀放射性更强，这表明它可能包含其他迄今未知的元素。皮埃尔放弃了自己的研究工作，和玛丽一起做研究，于是，夫妻俩一起着手取得大量的沥青铀矿（奥匈帝国科学院慷慨的、虽然并不是无私的捐赠矿物帮了很大的忙），用酸分解它们，一再结晶成不同的化合物，其中的一种化合物脱颖而出，1898年，居里夫妇获得充分的信心公布他们的研究，宣称“我们因此相信，我们从沥青铀矿中提取出来的物质包含一种以前不为人知的金属，其分析属性类似于铋。如果这种新的金属的存在得到证实，我们建议以我们其中一人出生国家的名字将其命名为钋。”同年稍晚，他们发表了第二项发现。他们写道，“钡化合物包含另外一种具有更强放射性的新元素。”他们将其命名为镭。
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晕眩年代：1900-1914年西方的变化与文化 诺贝尔奖
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年轻的科学家玛丽·居里的博士论文概述发现了一种属性未知的新元素，科学圈为之轰动。巴黎科学院的成员认为这样辉煌的成就应该获得诺贝尔奖，但是，不是给这位年轻女士的。他们推荐皮埃尔·居里和贝克勒尔共同获奖，瑞典科学院同意了。居里先生得到信邮的正式通知——但他拒绝受奖。他致信颁奖方，表示为自己被提名而感到荣幸，但是，最重要的贡献出自他的妻子，如果没有她，他不会取得如此杰出的成就。经过紧急磋商后，委员会同意皮埃尔和他的妻子共同享有他的那部分奖励，于是，1903年，居里夫人凭着镭的发现而成为诺贝尔物理学奖的联合得主。
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玛丽深受健康欠佳的影响，以至于不能去斯德哥尔摩出席颁奖仪式，而她的丈夫再一次证明他是一个忠诚的人。两年后的1905年，他们才一起前去领奖。在受奖演说中，皮埃尔列举了他对新元素的希望和恐惧：
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如果落入犯罪分子手中，镭会造成极大的危险，由此提出一个问题：人类是否从了解自然的秘密当中受益，人类是否准备好了从中获益，或者这份知识会不会对人造成危害？诺贝尔发现的例子就是典型，因为强力的炸药帮助人类做奇特的工作。但是，它们也是把人类引入战争的犯罪分子手中可怕的毁灭手段。我像很多人一样与诺贝尔有着同样的信念：人类从新发现中获得的好处超过坏处。
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诺贝尔奖为居里夫妇赢得了国际声望，皮埃尔获得了索邦大学的教授职位，也有了相应的单独实验室，这样，他们也终于有了更好的工作条件。突如其来的荣誉也有其不受欢迎的方面。媒体感兴趣于这对夫妇、他们的发现，以及这位凭着单纯的智慧和几乎超人的韧性在男人的游戏中击败了男人的女性。各种晚餐、仪式、采访、记者来访应接不暇——这些都是对研究工作的恼人打扰。镭以其看似神秘的特性抓住了公众的想象力。
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居里夫妇最高兴的是脱离这种马戏团式的场面，埋首于他们的研究。皮埃尔甚至在右臂上绑了一个装着铀盐的玻璃瓶子，观察它的效果，结果他发现它造成烧伤，留下灰色的瘢痕，六个星期后都还不愈合；他还喜欢在背心口袋里装少量的铀，以便给朋友们说明其磷光特性。在茫然不知的情况下，居里夫妇受到大量放射性的无情毒害。
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然而，当灾难袭击科学界最伟大的团队之一员时，放射性所起的作用仅体现在它伤害了皮埃尔生命的这一点。1906年，濯足节周四那天，他穿过一条繁忙的道路。当时天下着雨，他打着雨伞，没看见迎面而来的一辆军需供应马车。他直端端地和马撞了个正着，摔倒在地。马车的一个后轮压碎了他的头。在他葬礼的几天之后，他悲痛欲绝的妻子在日记中写道：“我的皮埃尔，我无时无刻不在想念着你。我的头烧灼如火，我感觉自己快疯了。我无法理解为什么我不得不一个人活着，看不见你，不能对我亲爱的生活伴侣微笑。”玛丽还是活下来了，尽管多年健康欠佳，还要忍受法国保守报纸发起的针对她的仇恨声浪，她仍然继续做她的研究。1911年，她以放射性的研究而获得了第二个诺贝尔奖。1934年，她死于辐射诱发的白血病。
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晕眩年代：1900-1914年西方的变化与文化 确定性的瓦解
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科学对于局外人是个好地方。非同寻常的制高点有时候让人能见其他人之所不见。玛丽·居里从她的祖国波兰一路奋斗到法国科学研究的中心。另一位科学天才的人生始于新西兰的土豆农场。他是一个早慧的男孩儿和有天赋的研究者，他在基督城市上学，申请了剑桥大学的奖学金。传说申请成功的消息传来的时候，他在地里收庄稼。他直起背，说：“这是我挖的最后一颗土豆。”
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厄恩斯特·卢瑟福（1871—1937年）为了了解物质的本质、原子的结构而研究放射现象。在同丹麦科学家尼尔·斯玻尔（1885—1962年）一起做的试验中，卢瑟福观察到超薄的金箔受到辐射时，大部分阿尔法射线（放射性物质释放的三种辐射之一）会穿透金箔，而少部分阿尔法粒子则弹离箔的表面。卢瑟福认为只有一种可能的解释，也就是说，原子并不是过去以为的那样。在此之前，原子，按他自己的想象，类似葡萄干布丁：扎实、均匀，里面散布着一些类似于六便士和葡萄干的电子。然而，这样的电子不会允许相对较弱的阿尔法射线穿透。只有在原子是由基本上为空的空间构成，更像太阳系而不是葡萄干布丁，其整个被压缩成一个太阳似的核心，这个核心比围绕它的轨道转动并决定原子的量的电子小几千倍，这种情况才可能发生。事实上，物质既不扎实，也不是静止的，而是——至少部分是，能量的一种状态，持续处于运动中。实际上，世界上就没有什么东西是静止不动的——在原子的水平上，一切都是速度和能量，无数颗星座旋转并飞过空无一物的空间，互相轰击和干扰，拥有无限的能量和电荷。
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物质和能量之间的关系，或者二者的聚合，也是另一位科学的局外人工作之余考虑的主题，这位局外人就是伯尔尼国际知识产权瑞士办公室的“三等专家”、26岁的阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955年）。他从理论家角度构想的世界观强化了伦琴、卢瑟福和居里夫妇等人的发现。然而，他的怀疑不仅仅关涉物质构成这样的小事情，而是时间和空间的本质。爱因斯坦之后，世界再也不是原来的样子。
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由于理论的进步与仪器的改善，遥远星球和电磁场的观察将当时的物理观念推向极致，并暴露出与当时世界科学模式的差距。有一个问题特别困扰科学家：为解释光和电波经过空间的运动，科学长期假定了一个介质，即天空的存在。正如声音脉冲造成空气振动，但并不能在真空（没有气体）中运动，能够在真空中运行的光波和电必定也需要看不见的太空作为一个传播媒介。
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因此，找寻这种太空及其存在就成为物理学的一个主要挑战。最著名的一个尝试是迈克尔逊——莫雷实验。这两位科学家假设，如果地球沿着其轨道围绕太阳旋转时经过宇宙太空，那么，地球在其椭圆轨道（转向两极的时候更快，快接近它们时速度下降）上飞过太空时，从地球上看去，其飞过太空的不同速率应该导致光速的不同，正如逆风行驶的自行车手感觉风速快过与风向一致的自行车手感觉到的风速。正如两位朝着风暴的不同方向行进的自行车手在一个酒馆坐下来，通过加上或者减去他们两人在骑车过程中测量到的风速，得到真正的风速，以此核对大风的速度，迈克尔逊和莫雷认为利用测量到的光速的差异，就可以确定地球相对于太空的速度。
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迈克尔逊和莫雷的实验基础是经典物理学的一个基本原理，即所谓的伽利略不变性。在17世纪，意大利物理学家伽利略假定物理法则对所有观察者都一样，独立于它们在时间和空间中运行的影响。如果一个人从比萨斜塔上掉下去，并被站在地面的第二个人看见，那么，他们测量到的降落时间是一致的（虽然降落者因为担心别的事情而没法观察），因为时间对他们而言是一个绝对的因素。
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实验采用最复杂的、专门为此目的制作的工具，但结果总是不满意。独立于地球在其轨道上的速度、独立于一天或者一年当中的时间，测量到的光速总是相同。然而，如果光速独立于自此观察它的行星的速度，两项因素中必有其一是真实的：要么由于未知的原因，实验本身有缺陷，要么物理法则并非在牛顿和伽利略界定的所有情形下都起作用。科学家们陷入了僵局：对运动物体在时间与空间中本质的描绘与观察到的现象相冲突。关于光速及其经过时间的空间活动，物理学失去了做出准确预测的能力，也就是对一个科学命题的解释能力。
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爱因斯坦的天才之处在于，他从可观察到的事实抽象出空间与时间理论的智力勇气，以及敢于思考不可思考的事物的勇气。1899年，在其实验证明无果而终后，阿尔伯特·迈克尔逊宣称：“物理科学的主要基本法则和事实都已经被发现了，并且现在已经牢固确立，所以，它们被新发现所取代的可能性微乎其微……我们的未来发现必须到小数点第六位以后去找。”——他的这番话准确地代表了当时许多物理学家的信念。在物理学迎来对世界的全新理解之前6年，它的一位主角认为事情已经结束了。
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爱因斯坦从年轻的时候就是一个知识意义上的叛逆者，他才不会被这种正统给吓着呢。他认识到，如果说迈克尔逊和莫雷没有找到他们寻找的东西，那是因为他们思考的格局太小，没有把自己的分析从人类的经验领域解放出来。想一想那个从比萨斜塔掉下来的倒霉的意大利人和他那在一旁观看的朋友吧。他降落的时间对他和他的朋友可能看起来是一样的，因为在宇宙背景下，到地面的距离和降落的速度都非常微小，但是如果换到更大的范围，就会出现非常不同的情景。
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我们来假设一下，如果掉落者从事故中幸存下来，然后运气很差，又被装进早期的宇宙飞船，以光速一半的速度飞向遥远的星球，那么，某种非常奇怪的现象会发生：宇航员基本注意不到时间流逝的差异，但是，飞船上的时钟似乎会比地球上的观察者的时钟慢。想象一下空中有一个新的星座，它定期向宇宙发射一系列闪烁的钟表。宇航员自己的怀表（这是一个奇迹，它从斜塔上掉下来的时候没有摔坏！）仍然正常计时，观察两个等距的天文钟的静止的观察者同时看它们稳定地滴滴答答，显示同样的时间，因为他的眼睛看到时钟的光传播耗费同样的时间。然而，在宇宙飞船上，则完全是另一回事：通过一个时钟的时候，宇宙飞船会在半途遇到从第二个时钟飞向它的光（其行进的速度是光的一半），因此会更早接收到它的信号，它在途中遇到的每个时钟都是这种情况。对于飞船上的人来说，飞船外的时钟走得更快，时间也流逝得更快，而在飞船里面，时间则是恒定的。
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静止的观察者会有相反的观感：飞船内的时间似乎扩大了，随着宇宙飞船接近光速，这种效应会进一步增强。事实上，时间并非绝对价值，尽管时钟以同样的方式为我们所有人滴滴答答。依据每一个观察者的活动，时间是相对的，即便这种效应只有在非常高速的情况下才有意义。从比萨塔掉落的人测量时间的方式和旁观者一样，但是，飞船里面的人却并非如此。
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