给电线通电之后除了产生电流之外，还创造了一个磁场，磁场发生变化的时候，同样也会产生电流。麦克斯韦方程解释了电场和磁场之间是如何相互转换的，并且也是描述波运动的方程。光在经过一个金属板上的狭缝之后，会扩散发生衍射的现象，就像海浪穿过防波堤上的一个狭缝之后依然会散开一样。想要达到这样的效果，狭缝的大小要接近波的平均波长。把光照在并排的两条狭缝上，就会在这两条狭缝上分别发生衍射。衍射后的两道光会相互碰撞，两个波的波峰叠加时，产生一个更强的波峰，两个波的波谷相遇，产生一个更深的波谷。麦克斯韦方程组还可用来计算电磁波在真空中传播的速度，其结果就是光速。在1856年的时候，这一结论深入人心，光是由电磁波而非原子组成。
对于以不同的恒定均匀速度相对移动的观测者，做相同的物理测量，得到的结果都是一样的，在这样的前提下，我们才能将这些物理性质之间的关系称为“定律”。在牛顿力学中，速度是叠加的，但是光并不遵循这个规则，通过莫雷实验的结果，光总是以相同的速度传播。事实证明，时间的延缓可以由距离的收缩来补偿，反过来也是一样的。在爱因斯坦看来，如果时空是像地球表面那样弯曲的，运动的物体就会向着时空弯曲的方向运动，在弯曲的时空中，引力就不再需要作用在物体上。好比蹦床上放置一个质量很大的球，会让具有弹性的蹦床表面弯曲一样，其他的物体如果离得太近，就会沿着由这种弯曲的最短路径运动。
通过这一想法爱因斯坦在狭义相对论的框架下解释有关加速度和引力，后来被称为广义相对论，广义相对论认为质量能够产生引力场，但是这个引力场就是时空本身的弯曲。一束在地球上看是橙色的光，在传播到地球之外一定距离的某一点时，如果这个点的引力比地球小得多，这束光被测量的结果就会是红色光，这种现象称为“红移”。在爱因斯坦所想象的宇宙中，时空就像球面一样卷曲了起来。除了在行星这样的大型物体的周围，时空中的任意一点在局部看来是平坦的，但从宇宙的大尺度来看，每一处都会有轻微的弯曲。
在自然界中，引力是最弱的力，而且只有一个方向，引力没有相反的作用力，它只会使物体聚集在一起，而不会使物体分开，这让爱因斯坦意识到，宇宙中所有物体间的引力应该会导致宇宙自身的坍缩，而真实的状况却是正好相反的。天文学家哈勃在1931年发表了一系列观测报告：大多数星系都在远离我们，宇宙正在膨胀。距离我们越远的星系，运动速度越快，这就是哈勃定律。如果说宇宙正在膨胀，那么往回追溯可以推断，一定会有某一个时刻，宇宙中的所有能量都压缩在一个无穷小的点上，而这个点的爆发，就是现在所说的“宇宙大爆炸”。茨维基在1934年发现，距离中心越远的天体其公转速度越快，这就意味着这里的引力比我们根据可见恒星的质量推测出的引力要强得多。在星系边缘处的恒星的公转速度高得多，每个星系都位于由某种不可见的物质组成的“光晕”中心，这种光晕如今被称为“暗物质”。
卢瑟福在1909年证明了原子的大部分质量都集中在很小的中心核上，较轻的电子绕着这个中心旋转，就像行星环绕着太阳，原子的内部基本上是空的，这个行星模型成为了原子内部结构的可视化图像。玻尔在1913年对电子的轨道产生了兴趣，可能电子围绕中心质子的公转轨道，也像地球轨道一样是固定的，只是这样的轨道有好几个其能量都不相同。电子在吸收光以后，就会转移到另一个能量更高的轨道上，当电子回到能量较低的内层轨道时会发出光。用于表征电子轨道的整数，被称为量子数，而在不同轨道之间发生的转移，被称为量子跃迁。
氢原子在光谱中的吸收线和发射线，可以引入量子数来解释，仔细观察氢原子谱线的话，一条明确对应某一频率的谱线，实际上可分成两条间隔很小的谱线。如果给原子施加低强度的磁场或电场，这两条谱线会分开的更远。海森堡在1925年建立了一个抽象的模型，其中包含用振幅和频率来表述的项，每一项都可以通过两个轨道间的量子跃迁来识别，根据这个表格计算出量子跃迁时的谱线强度，这种谱线强度是所有中间跃迁过程的振幅乘积之和。很快海森堡发现，他的表格并不遵循乘法交换律，计算结果取决于中间项相乘的顺序。
薛定谔用波函数的形式表示任意一个波，这是一种随空间和时间变化的函数。薛定谔的结论是氢原子中的电子，可以用波函数来描述，能量不同的波函数，形状由三个量子数的取值决定。玻恩对此给出了一种解释：波函数代表的是从原子核处测量的在原子内部特定位置“发现”电子的概率。电子的概念从此不再只是一个“粒子”，它可能在轨道中的任意一处，无论何处一定都携带全部的质量和电荷。波动力学表明：位置乘以动量和动量乘以位置的结果是不同的。在经典力学的描述中，测量物体位置和动量的精度在理论上是没有限制的，只是测量仪器的精度有限而已。海森堡的基本假定是，在量子尺度上进行测量时，我们会遇到一个根本的精度极限，在测量进行时一定会对研究对象产生本质上的影响，而且这种影响是不可预测的。电子表现出的行为，会因为所选择的实验手段不同而发生变化，这就意味着我们可以研究有关电子波动性，也可以研究有关电子粒子性。
狄拉克在1927年指出，如果电子有两个“自旋”方向，这两个电子的自旋方向必须相反才能互相“匹配”在一起，同一条轨道最多只能容纳两个自旋成对的电子。从实验中得知，电子可以在磁场中分成自旋方向不同的两类排列，可以将自旋想象为“向上”和“向下”。查德威克在1932年公布了有关放射性铍释放的辐射性质的实验结果，并证明它是由一束电中性粒子组成的，这种粒子就是中子，物理学家很快发现，比氢原子核重的原子核都由质子和中子组成。
用电子来做双缝实验会有什么现象呢？在粒子性的描述中，如果把一个荧光屏探测器放在两条狭缝的另一侧，那么会看到两个亮点，代表着穿过狭缝的电子正在持续不断地撞击屏幕。两个亮点的中心处是最亮的，这是大多数电子穿过狭缝之后击中的地方，离亮点中心越远的地方，这是途中受到撞击而散射的电子击中的地方。在波动性的描述中，电子束像一束光穿过两条狭缝，在每条狭缝处发生衍射而形成明暗条纹交替的干涉。大量实验证据表明，每个电子都表现为在空间中分布的波，同时穿过两个狭缝并相互干涉。我们给电子这样的量子粒子赋予的那些性质如质量、能量、频率、自旋、位置等，只是在通过测量的时候映射到我们经验中时才有现实意义。
场是一种看不看也摸不着的东西，可以被想象成一个三维的网状结构。如果粒子是电子的话，就得到了一个三维连续的电子场，光子必定是电磁场的量子，它会随着带电粒子发生相互作用而产生和毁灭。质子、中子、电子这些粒子都叫做费米子，其自旋量子数为半整数，但是在粒子之间传递力的粒子则不同，它们都是玻色子，波色子自旋量子数为整数，像光子的自旋量子数就是1。玻色子可以“凝聚”成单一的量子态，激光就是一个例子。 随着量子电动力学相关的数学技巧的发展，早期希腊原子论者所钟爱的不可分割的“物质”，已经被量子场所取代，开始认为粒子不过是这些场的扰动或涨落。
电磁力可以由电光子携带，并以光速进行远距离传播。粒子主要分为两类。一类是强子，另一类是轻子。强子中有一类粒子被称为重子，还有一类被称为介子，质量介于重子和轻子之间。轻子的成员则有电子、中微子等。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。两个上夸克和一个下夸克的总质量只有质子质量的1%；两个下夸克和一个上夸克的总质量只有中子质量的1.3%。也就是说质子和中子的质量中大约有99%都无法解释。从物质到原子，从原子到亚原子粒子，从亚原子粒子再到量子场，随着不断深入研究，物质它失去了有形的性质，因为质量变成了第二性质，质量只是无形的量子场相互作用的结果。尽管世界中充满了坚硬沉重的物质，但质量只是能量的物理表现，宇宙最大的统一特征是量子场的能量，而不是坚硬不可穿透的原子。
大多数人一想到亚原子尺度之下的物质，眼前就会浮现起各种粒子，像一个个小球般来回碰撞不休，但这种粒子概念是经典物理理论的产物。物理学界中的一些哲学家提出，物质世界最基本的构成应该是一些无法具象的内容，比如“联系”和“属性”。宇宙万物都可以被还原成无形的内容，而不必借助任何实体概念。量子场论中的“粒子”并没有明确定义的位置，好比你身体中的某个粒子并不严格局限于你的身体之内，如果有人测量它的位置，会发现这个粒子有很小但不为零的概率出现在遥远的宇宙边际。不仅粒子的具体位置依赖于你们的视角，粒子是否有一个确定位置也会因视角变换而改变，在这种情况下，将粒子看作世界的基本构成毫无意义。在量子纠缠现象中，粒子的那些能够区分彼此的属性会消失，这些粒子不仅会共享像质量、电荷这样的固有属性，还会共享位置和时间属性，这样当粒子纠缠在一起时，观测者就无法区分它们。
这些粒子的具体数目，会因为观测者运动状态的不同而不同。如果没有粒子，那“粒子探测器”探测到的究竟是什么？答案是我们从没有直接探测到粒子，粒子只是推测出的结果。探测器记录的只是传感器材料独立激发时的大量数据，我们自作主张地将这些闪光点连接起来，并推测它们是粒子在不同时刻留下的轨迹。有些人认为，场是一种看不见、可流动的物质，弥散于整个空间，粒子是场的涟漪。在经典理论中，一种场代表了一个物理量在不同时空点上的值，比如温度或电场强度。但对于量子场，每个时空点代表的则是可以进行测量的类型而不是想要测量的结果。想象一张镜像对称的脸：一面镜子将左眼变成右眼，将左耳变成成右耳，以此类推，在此过程中脸部器官的相对位置始终保持不变，这些器官之间的联系才定义了这张脸，而“左”和“右”则取决于你面朝哪边而已。我们一直称为“粒子”和“场”的东西，它们拥有的对称性更为抽象，但原理应该是相同的。
一些物理学家声称，实体并无内在属性，只在与其他实体的联系中才获得属性。但这种提法很空泛，因为没有人否认实体之间具有联系，而真正有趣和新颖之处就在于，单纯的联系为何可以构造出万物。传统看法中，属性总是被特定事物所具有，它们不能独立自存。例如当你想到红色，通常想起的都是一些特定的红色物体，而不是一个漂浮在半空的名为“红色”的东西。但是你可以反过来认为属性是独立自存的，是属性占据了物体，通常所说的事物也许只是一堆属性的集合：颜色、形状、稠性等等。将事物解构为一团属性，并不符合我们通常对这个世界的定义，但如果试着忘掉成见回归本初，这种解释就显得没那么神秘。当我们还是婴儿时，第一次看到并接触到一个球时，那时我们感知到的只是一个球形的形状，些许红色的影子，摸上去还有点弹性等等，然而当我们长大之后，才将这些属性和某种清晰的物体联系在一起。在婴儿般的直接感知，外部世界除了如丝如缕的属性之外别无他物。我们并不是先有球后赋之各种属性，而是先感知到各种属性，然后才称其为球。
电子就是各种属性的集合，包括三种本质属性：质量、电荷、自旋，其余则是非本质属性：位置、速度。量子场论将我们见到的现象归因于夸克、介子、光子和形形色色的量子场，但对于形成我们所见现象的实体其本质究竟如何，则语焉不详。在很多物理学家看来，理论仅仅是生成实验预言的工具，所以不用追究这类形而上学的问题。形而上学可以提供各种解释物质世界的本体论框架，但是除了保证这些框架内在自洽，形而上学无法在其中作出选择。而物理学对物体定义、特性的角色、属性的地位、事物和属性间的联系、空间和时间的本质这类问题，正好缺少一个一致的描述。
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