在过去的几百年间，大多数科学领域至少经历了一次革命性的突破。这样的转变，或者说范式转换，是将旧的知识重新排列到一个新的框架中。这里，我们沿着从古至今发展的时间线，选取了十个彻底改变了我们的认知、为人类文明带来了翻天覆地的变化的理论。
古希腊天文学家阿利斯塔克提出，太阳是宇宙的“中心之火”，并将当时已知的所有行星按照正确的顺序排列。这是已知最早的太阳系日心说。等到这一学说真正确立，又已经过去了近2000年。16世纪，波兰天文学家尼古拉·哥白尼重新提出日心说模型，他表示地球并非中心，包括地球在内的行星是以太阳为中心，围绕太阳旋转的。
1789年，安托万-洛朗·拉瓦锡在第一本化学教科书中写道：“自然界中没有什么会凭空消失，没有什么能被凭空创造，万物皆是转化而来。”他表明，若要发明新的化学物质，化学家必须改造现有的化学物质。他在书中列出了许多化学元素，其中包括氢、氮、氧、磷、硫、铁、锌、汞和金等。拉瓦锡并不是氧气的发现者，但他却证明了在燃烧过程中，气态的氧气会与物质结合。这一发现废除了当时流行的燃素论，为现代化学的发展铺平了道路。
1859年，生物学家查尔斯·达尔文出版了描述了自然选择进化理论的《物种起源》一书。他用进化论阐述了生命的复杂性，以及生命形式之间的复杂关系可以从自然过程中产生。这样一个理论是极具革命性的，以至于直到今天仍有人对进化论表示怀疑。可以说，进化论打开了人类的心灵，鞭策我们不受超自然偏见的影响而追求自然科学。
1808年，近代原子论之父约翰·道尔顿发表了他的原子理论，他认为物质是由微小的、不可分割的粒子组成的。原子概念的深入人心，为19世纪末的另一场学术革命——统计力学的诞生奠定了基础。统计力学就是将微观物理定律转化为对宏观日常世界的描述的艺术，它确立了概率数学在物理科学中的作用。
1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，它与质能等价理论（E = mc²）触发了一场革命。狭义相对论使得物理学家能将时间维度与空间维度结合在了一起，我们可以通过四个坐标（t, x, y, z）来描述（1+3）维（时间+空间）中的一个点。在狭义相对论中有一个基本原理，即光速在空间的各个方向上是相同的。
1915年，爱因斯坦向普鲁士科学院递交了全新的引力理论——广义相对论，将引力描述为是时空弯曲的结果（时空=三维空间+一维时间），它表明引力并非像艾萨克·牛顿所认为的那样是一种作用于物体之间的力。爱因斯坦写下的方程解释了物质如何弯曲时空，以及弯曲的时空告诉物质该如何运动。
20世纪的物理学始于一系列新的见解。从约瑟夫·约翰·汤姆逊在1897年发现了电子开始，到后来科学家对原子、电子等微小粒子的操纵，无疑都对现代文明的诸多领域产生了巨大影响。在非常小的尺度上研究物质和光的行为属于量子物理学的范畴。
1912年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳就发现了大陆板块的漂移。虽然魏格纳被称为大陆漂移学说之父，但经典的板块构造理论是直到20世纪60年代才逐渐发展起来的。板块构造理论的提出表明地球的外层是由少数几个刚性板块组成的，将这些板块分隔开来的是一些狭窄的边界。
1944年，应用数学领域诞生了一个后来对经济学家、社科学家、生物学家等都极为重要的理论，那就是博弈论。它最初由数学家约翰·冯·诺依曼和经济学家奥斯卡·莫根施特恩提出，最初是为了经济学而发展的理论。博弈论分析的是在博弈中的主体会如何行动，它实际是一个关于最优化的课题，研究的是哪一种策略组合能产出最佳结果。
上世纪40年代末，美国电气工程师克劳德·香农根据经典物理定律建立了数据传输模型，发展出了信息论。我们现在能够用电脑加载网页、发送电子邮件，都得益于香农的信息论，它是使互联网变得可能的原因。