量子力学
尽管物理学的各个分支在实验方法和理论方法上有所不同，但某些一般原则适用于所有物理学。当代物理学进展的前沿在于亚微观状态，无论是原子、核、凝聚态、等离子体或粒子物理学，还是量子光学，甚至是恒星结构的研究。所有这些都基于量子理论(即量子力学和量子场论)和相对论，它们共同构成了现代物理学的理论基础。许多物理量，其经典对应物在一系列可能的值上连续变化，在量子理论中被约束为具有不连续或离散的值。此外，经典物理学中值的内在确定性在量子理论中被内在不确定性所取代。
根据量子理论，电磁辐射并不总是由连续波组成;相反，在某些情况下，它必须被视为粒子状光子的集合，每个光子的能量和动量与其频率成正比(或与其波长成反比，光子仍然具有一些波状特征)。相反，在经典物理学中以粒子形式出现的电子和其他物体也被量子理论赋予了波状性质，这种粒子的量子波长与其动量成反比。在这两种情况下，比例常数都是作用的特征量子(作用定义为能量×时间)——也就是说，普朗克常数除以 2π 或 ħ。
原则上，所有的原子和分子物理学，包括原子的结构及其动力学，元素周期表及其化学行为，以及原子，分子和凝聚态的光谱，电学和其他物理性质，都可以用量子力学来解释。粗略地说，原子中的电子必须以某种驻波(如薛定谔方程给出的)的形式围绕原子核，类似于弹拨小提琴或吉他弦上的波。由于拟合决定了量子波的波长，它必然决定了它的能量状态。因此，原子系统被限制在某些离散或量子化的能量上。当一个原子经历不连续的跃迁或量子跳跃时，它的能量会突然变化一个急剧定义的量，当原子的能量减少时，就会发射出该能量的光子，或者在相反的情况下被吸收。
虽然原子能可以明确定义，但原子内电子的位置不能，量子力学只给出了电子具有某些位置的概率。这是量子理论区别于所有其他物理学方法的特征的结果，即德国物理学家维尔纳·海森堡的不确定性原理。这一原理认为，越来越精确地测量粒子的位置必然会增加粒子动量的不确定性，反之亦然。不确定性的最终程度由普朗克常数的大小控制，普朗克常数非常小，除了微观结构之外没有明显的影响。然而，在后一种情况下，由于粒子的位置及其速度或动量必须在某个时刻精确地知道才能预测其未来历史，量子理论排除了这种特定的预测，从而逃脱了决定论。
电磁辐射和物质粒子的互补波和粒子方面，或波粒二象性，为不确定性原理提供了另一个例证。当电子表现出波状行为时，如电子衍射现象，这排除了它在同一观察中表现出的粒子状行为。同样，当光子形式的电磁辐射与物质相互作用时，例如在康普顿效应中，X射线光子与电子碰撞，结果类似于粒子状碰撞，电磁辐射的波动性质被排除在外。开创原子结构理论的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)主张互补原则指出，物理世界以各种互补图片的形式呈现，其中没有一个是完整的，所有这些图片对于我们的完全理解都是必不可少的。因此，理解电子或光子都需要波和粒子图片。
虽然它涉及概率和不确定性，但量子理论在解释其他无法接近的原子现象方面取得了惊人的成功，并且迄今为止满足了每一个实验测试。它的预测，尤其是QED的预测，是物理学中最精确和最好的;其中一些已经过测试，发现精度超过十亿分之一。
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