物理學和化學及其他科學的最堅實的基礎，是建立在對構成世界物質本質的認識上。這些認識是基於對物質微觀結構的推理和驗證。這一過程並沒有因為原子分子論的確立而停止，也沒有受到既有理論的約束，而是在不斷有創新思維指導下的科學實驗中，催生出新的理論。
從牛頓到愛因斯坦，每一個新的體係最終都被證明不是終極的理論，所有這些揭開物質奧秘的探索都精彩而又枯燥，遠離常人的生活而又和人類的生活息息相關，這種奇怪的若即若離的現象，多少能從大家熟悉的物理學諾貝爾獎的獲得者那裏得到解釋。
當關於原子的探索經由侖琴、貝克勒爾、居裏夫人、湯姆遜和盧瑟福等著名科學家的努力，展示出清晰的圖景時，另一位物理學家翻開了原子探索的新的一頁，或者說打開了物質本原探索的另一扇大門。這個人就是普朗克。
這扇大門通向的是一個新的時代，一係列探索亞原子的故事一次又一次雄辯地證明，科學探索是永無止境的。
普朗克（Max Carl Ernst Ludwig Planck），於1858年出生於德國基爾（Kiel）的一個書香門第。他的祖父和曾祖父都是神學教授，他的父親則是一位著名的法學教授，曾經參與過普魯士民法的起草工作。1867年，普朗克一家移居慕尼黑，小普朗克便在那裏上了中學和大學。在俾斯麥帝國蒸蒸日上的時候，普朗克卻保留著古典時期的優良風格，對文學和音樂非常感興趣，同時他也表現出了非凡的天賦。
1900年12月14日，大多數人們正忙碌著準備歡度聖誕節。這一天，普朗克在德國物理學會上提出了他的大膽假設。他宣讀了那篇名留青史的《黑體光譜中的能量分布》的論文，其中，改變曆史的是這段話：“為了找出N個振子具有總能量Un的可能性，我們必須假設Un是不可連續分割的，它隻能是一些相同微粒的有限總和”。
這個相同的微粒，普朗克把它稱為“能量子”。但隨後很快在另一篇論文裏，他就將其改稱為“量子”，英語就是quantum。這個字來自拉丁文quantus，本來的意思就是“多少”，“量”。量子就是能量的最小單位。一切能量的傳輸都隻能以這個量為單位來進行。它可以傳輸一個量子，兩個量子，任意整數個量子，但卻不能傳輸一又二分之一個量子，那是不可能的。
那麼，這個最小單位究竟是多少呢？普朗克的方程可以容易地推算出這個常數的大小，它約等於6.55×1027爾格·秒，換算成焦耳，就是6.626×1034焦耳·秒。這個單位相當地小，也就是說量子非常小，非常細微。因此，由它們組成的能量自然也十分細密，以至於我們通常看起來，它就好像是連續的一樣。這個值，現在已經成為了自然科學中最為重要的常數之一，並以它的發現者命名，稱為“普朗克常數”，用h來表示。
也許普朗克自己並沒有意識到，他的這次宣示，竟然開啟了一個物理學的新時代——量子力學時代。
在普朗克宣讀論文的這一年，一位當時並不起眼的青年人阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）剛從蘇黎世聯邦工業大學（ETH）畢業，正在為將來的生活而四處奔波。1902年，愛因斯坦被伯爾尼瑞士專利局錄用為技術員，從事發明專利申請的技術鑒定工作。他的工作性質使他不能從事實用技術發明方麵的工作，以避免抄襲別人發明的嫌疑。他把眼光投向了理論物理學。他利用業餘時間開展理論物理的科學研究，並且取得了非同尋常的進展。
1905年3月18日，愛因斯坦在《物理學紀事》雜誌上發表了一篇論文，題目是《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》。這篇文章是愛因斯坦有生以來發表的第六篇正式論文。這篇論文將給他帶來一個諾貝爾獎，也開創了屬於量子論的一個新時代。
愛因斯坦的理論是從普朗克的量子假設那裏出發的。普朗克假設黑體在吸收和發射能量的時候，不是連續的，而是要分成一份一份的，有一個基本的能量單位在那裏。這個單位，他就稱為“量子”，其大小可由普朗克常數h來描述。如果我們從普朗克的方程出發，很容易推導出一個特定輻射頻率的“量子”究竟包含了多少能量，最後的公式是簡單明了的：
E=hν
其中，E是能量，h是普朗克常數，ν是頻率。例如，對於頻率為1015的輻射，對應的量子能量是多少呢？那麼，就簡單地用10×15h=6.6×1034，算出結果等於6.6×1019焦耳。這個數值很小，所以我們平時都不會覺察到非連續性的存在。因此，普朗克的設想被大部分權威不屑一顧，就連他本人也最終冷落了自己的這個論斷。
但是，愛因斯坦在閱讀了普朗克的論文後，量子化的思想深深地打動了他。憑著一種直覺，他感到，對於光來說，量子化是一種必然的選擇。雖然有電波波動理論權威麥克斯韋理論高高在上，但愛因斯坦沒有被權威所嚇倒。相反，他認為麥克斯韋的理論隻能用於一種平均情況，而對於瞬間能量的發射、吸收等問題，麥克斯韋是和實驗相矛盾的。從光電效應中已經可以看出端倪來。
愛因斯坦在自己的論文中寫道，“……根據這種假設，從一點所發出的光線在不斷擴大的空間中傳播時，它的能量不是連續分布的，而是由一些數目有限的、局限於空間中某個地點的‘能量子’[energy quanta]所組成的。這些能量子是不可分割的，它們隻能整份地被吸收或發射。”
愛因斯坦後來把組成光的能量的這種最小的基本單位稱為“光量子”[light quanta]。一直到了1926年，美國物理學家劉易斯才把它改成了今天常用的名詞，稱為“光子”[photon]。
當然，愛因斯坦的功績遠不止隻是論證了光子的存在。而是他提出了著名的相對論原理，使物理學由牛頓時代進入到愛因斯坦時代。
盡管愛因斯坦的理論對現代物理包括核物理和宇宙物理的發展都極有貢獻，但它也並不是物理科學的終極理論，探索一直都未停止，直到現在和今後。
1950年，隨著粒子加速器及粒子探測器的發展，科學家們可以研究高能粒子間的碰撞。他們發現中子和質子是強子的一種，由更小的誇克微粒構成。核物理的標準模型也隨之發展，能夠成功地在亞原子水平解釋整個原子核及亞原子粒子之間的相互作用。
1985年，朱棣文及其同事在貝爾實驗室開發了一種新技術，能夠使用激光來冷卻原子。威廉·丹尼爾·菲利普斯團隊設法將鈉原子置於一個磁阱中。這兩個技術加上由克洛德·科昂·唐努德日團隊基於多普勒效應開發的一種方法，可以將少量的原子冷卻至微開爾文的溫度範圍，這樣就可以對原子進行很高精度的研究，為玻色·愛因斯坦凝聚的發現奠定了基礎。
一直以來，因為單個原子過於微小，被認為不能夠進行科學研究。最近，科學家已經成功使用一單個金屬原子與一個有機配體連接形成一個單電子晶體管。在一些實驗中，通過激光冷卻的方法將原子減速並捕獲。這些實驗能夠使我們對於物質更好的理解。
對中微子的探索非常重要。
中微子是1931年由德國著名的物理學家泡利最先預言存在的一種亞原子。在微觀世界中，中微子一直是一個無所不在、而又不可捉摸的過客。中微子產生的途徑很多，如恒星內部的核反應，超新星的爆發，宇宙射線與地球大氣層的撞擊，以及地球上岩石等各種物質的衰變等。盡管大多數科學家承認它可能是構成我們所在宇宙中最常見的粒子之一，但由於它穿透力極強，而且幾乎不與其他物質發生相互作用，因此，它是基本粒子中人類所知最少的一種。因此，對它的發現與研究一直延續到了當代。
人們一直想盡辦法希望能捕捉到中微子的身影。由於地球環境中各種粒子的幹擾，要想探尋到中微子是極為困難的事。為了盡量排除幹擾，科學家在遠離地麵的深坑中安放一個極大的容器，容器內裝滿純度極高的純淨水，容器周圍安裝一些高靈敏度的質子探測器。這樣，既排除了宇宙射線的幹擾，也防止雜質微粒的幹擾。科學家希望用這種裝置捕捉到單個衰變所產生的信號。日本在神岡的鋅礦深坑裏，以及美國俄亥俄州的鹽礦深坑裏，都安放了這樣的裝置。人們在耐心地觀測和等待奇跡。
1987年2月23日的夜晚，在智利安第斯山上的拉斯坎伯納斯天文台外，加拿大天文學家伊恩·謝爾頓的助手正在戶外散步，在他漫不經心地掃視熟悉的星空時，忽然發現了一個以前所沒有的新星。他立即向謝爾頓報告了這個發現。他們進行了認真的觀測，確定這是一顆超新星。很快，這一消息傳遍了全世界的天文學界。這是自1604年開普勒記錄到超新星以來第一顆肉眼可見的超新星，隨後許多天文台都對這顆編號為“1987A”的超新星進行了最詳盡的觀測和記錄。