1900年，在英國皇家學會上，著名物理學家湯姆生髮表了新年祝詞，「在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所剩只是一些修飾工作。」同時，他在展望20世紀物理學前景時，卻若有所思地講道：「動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，現在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了，第一朵烏雲出現在光的波動理論上，第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。」事實上，經典物理學發展到19世紀末期，可以說是達到相當完美、相當成熟的程度。一切物理現象似乎都能夠從相應的理論中得到滿意的回答。兩朵烏雲的出現將物理學引上了更加遼闊的天地。

第一朵烏云：邁克爾遜—莫雷實驗結果與「以太」假說的矛盾

先簡單說下什麼是以太假說，17世紀笛卡兒最先將以太引入科學，並賦予它某種力學性質。在相當長的時期內(直到20世紀初)，人們對波的理解只局限於某種媒介物質的力學振動，這種媒介物質就稱為波的荷載物。比如聲音在空氣中傳播，因此空氣是聲波的荷載物。因此，空間不可能是空無所有的，它被以太這種媒介物質所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球對潮汐的作用力。物理學家認為「以太」也是光波的傳播介質，光和引力一樣，是由「以太」傳播的。他們還假定整個宇宙空間都充滿了「以太」，「以太」是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。19世紀時，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質說成是一種沒有重量，可以絕對滲透的「以太」。「以太」既具有電磁的性質，又是電磁作用的傳遞者，又具有機械力學的性質，它是絕對靜止的參考系，一切運動都相對於它進行。這樣，電磁理論因牛頓力學取得協調一致。「以太」是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門「以太學」。

但是，以太又帶來了新的問題：既然「以太」是絕對靜止的，地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的「以太風」迎面吹來，因此必須對光的傳播產生影響。這個問題引起人們去探討「以太風」存在與否。

1881年-1884年，阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷為測量地球和以太的相對速度，進行了著名的邁克爾遜-莫雷實驗。實驗結果顯示，不同方向上的光速沒有差異。這實際上證明了光速不變原理，即真空中光速在任何參照系下具有相同的數值，與參照系的相對速度無關，實驗表明以太並不存在。實驗結果使得物理學家們左右為難，做了很多努力來拯救「以太」說。一直到愛因斯坦大膽拋棄了以太學說，認為光速不變是基本的原理，並以此為出發點之一創立了狹義相對論。以太終於被物理學家們所拋棄，人們接受了電磁場本身就是物質存在的一種形式的概念，而場可以在真空中以波的形式傳播。 隨後，量子力學的建立更加強了這種觀點。

第二朵烏云：黑體輻射和「紫外災難」

在同樣的溫度下，不同物體的發光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80%左右。所謂「黑體」是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100%的理想物體。真正的黑體並不存在，但是，一個表面開有一個小孔的空腔，則可以看作是一個近似的黑體。因為通過小孔進入空腔的輻射，在腔里經過多次反射和吸收以後，不會再從小孔透出。19世紀，由於冶金以及照明設備製造等的需要，人們急需找到黑體輻射強度和輻射頻率的關係，1889年盧默與魯本斯通過研究空腔輻射得出了黑體輻射光譜的實驗數據。但是，單使用實驗數據找對應點的方法十分不便，人們開始了尋找一般的公式。

當時，人們都從經典物理學出發尋找實驗的規律。德國物理學家維恩建立起黑體輻射能量按波長分佈的公式，但這個公式只在波長比較短、溫度比較低的時候才和實驗事實符合。英國物理學家瑞利和物理學家、天文學家金斯認為能量是一種連續變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利——金斯公式推出，在短波區（紫外光區）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數據相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為「紫外災難」。它的失敗無可懷疑地表明經典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經典物理學的「災難」。

這時，普朗克無意中讀到維恩關於黑體輻射的論文，他對此產生的興趣便一發而不可收拾，耗時六年在放棄那些假定和推導下，將兩個公式湊成一個滿足所有波段的公式，得到一個符合所有波段的公式。經過驗證，這個公式與實驗十分精確地吻合。經過多番嘗試解釋這個經驗公式，最終導出了能量不連續性圖像，使普朗克不得不假設量子的理論，誕生了量子學說。

物理學史上的兩朵烏雲誕生了相對論和量子理論，將物理學帶入了全新的世界，奠定了近代物理學的發展基石。