进入20世纪，物理学的发展来到一个新时代，即现代物理学（或近代物理学）时代。
以太论落幕、相对论与量子论的提出、对原子内部结构的深入研究……这些都是物理史上划时代的大事，而这些大事无不发生在1900年前后。
首先是世纪之交的三大发现：电子、X射线和放射性现象，这三个发现终结了原子不可分[8]等传统观念，揭开了物理学革命的序幕。
其次是经典物理学的万里晴空出现了两朵乌云：莫雷实验的零结果与黑体辐射的“紫外灾难”。前者以爱因斯坦创立相对论并撼动了牛顿时代的经典物理体系为终结，后者则使普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔等一批科学家创立了量子力学。
爱因斯坦的相对论打破了牛顿经典物理的统治地位（认为经典物理只是相对论物理在低速状态下的近似），也改变了人们对时间与空间的经验认知。而量子力学则从根本上颠覆了人类对物质本质及其相互作用的理解。
早在16世纪，人们就对光的性质感到疑惑，因为它有时会表现出粒子的性状，有时又会展现出波动的特征。光的波动说与粒子说之争是一个持续了几百年的争论，其拥护者各有胜负，但谁也无法彻底击败对方。直到爱因斯坦提出“波粒二象性”这个概念，也就是光子可以同时具有波动与粒子的双重属性（虽然在理解上反直觉，但在应用上成立），人们开始试着接受这个新的观点，并开始了与以往不同的尝试，那就是以实验结果为主导，修正我们对世界的认知。
到了1924年，德布罗意进一步拓宽了这一观念，提出物质波假说，认为一切粒子都具有波粒二象性的性质，不只是光子，电子也应当具有波动性。根据这个假说，电子也应当有干涉和衍射等波动现象，而这被后来的电子衍射试验所证实。
在宏观世界，波动就是波动，粒子就是粒子，这是两种不同的物理类型。但到了微观世界，人们发现不只是光子与电子，所有微观粒子都可以表现出奇特的波粒二象性，所以相关研究者认为，构成世界的底层物质具有波粒二象性的特征，也就是同时表现出粒子性与波动性，但在更大尺度的宏观世界中，我们只能观测到粒子性。
在宏观世界，我们可以确定一个宏观物体（哪怕再遥远的星球）具体的空间位置，也能确定它在任何时刻的速度，但在微观世界里，这种确定性不复存在。而在微观世界，随着粒子的能量降低，它的粒子性会变得越来越弱，波动性则越来越强，这也使得我们再也不能通过以往的方式获知粒子确定的信息。
举个例子。我们无法同时知道一个电子确切的空间位置及其动量，只能知道这个电子出现在不同空间位置的概率。我们甚至无法知道电子运动的细节，比如电子在空间中两个位置之间如何移动，是“移动”了过去还是“闪现”了过去。
因此，在量子力学中，我们无法再如宏观世界那样想象一个小球于空间中运动的清晰轨迹，而要把每一个微观粒子都想象为覆盖一定空间的概率云——它无法告知这个微观粒子的具体位置，但可以告诉我们关于这个粒子位置的全部可能性。
我们无法同时获知一个微观粒子的全部属性，这就是德国物理学家海森堡于1927年提出的不确定性原理的核心思想。
有一种解释认为，当我们对微观粒子进行测量时，至少需要通过一个光量子与目标粒子发生作用，才可能知道目标粒子的位置与动量等信息。但这个实验用的光量子会对目标粒子造成影响，观测行为会破坏被观测者的状态，以至于无法获悉这个粒子被观测以前的物理状态。
在此前提下，我们还是可以依照宏观世界的物理规则去想象这个微观粒子的位置，只是出于测量方法的现实问题，我们无法知道在测量发生以前这个微观粒子的物理状态——这还是一种决定论思维。如果这种观点成立，现实物理世界依然可以理解，只是无法如宏观世界那样对微观世界进行预测。(www.xing528.com)
以上是爱因斯坦与海森堡看待微观世界的观点，还带有经典物理学的痕迹，除此之外还有许多种其他诠释，它们从数学逻辑上看同样合理，但却与普通人对世界的理解大相径庭。
比如说，有人认为在微观世界中物质的基础形态不再是粒子，而是波动。微观粒子对应的波动存在于空间中的某个范围，而外来影响会作用其上。比如，当有人对这个微观粒子的位置进行观测时，它的波动性会消失，而粒子性变显著，使人能观测到一个具体的粒子，因为它会随机出现在这个空间范围中的某一点上。正因为物质的本质具有波动性，粒子的位置会随机发生变化，粒子的状态只是其被观测时的表现，所以我们不能再用宏观世界的方式去定义粒子。为此，物理学家用一种名为“波函数”的概念来描述这个粒子或波动的物理量。
以上描述对应的物理细节与日常所知迥然相异，而在这种诠释中，观测行为会导致物质由波动态“塌缩”为具体的粒子态，这在物理学上叫“退相干”，是科幻作者非常喜欢的一类观点，他们甚至会猜测人的主观意愿是否会影响微观物质的实在性。
上述观点还算比较温和，认为外界观测只是影响了某个被观测的粒子，让这个粒子从无数种可能中选择了一种呈现方式。更极端的，还有人认为外界观测影响的是整个宇宙，每一次观测都会带来宇宙的无数种未来，然后我们的意识随机进入其中一种，大名鼎鼎的平行世界便是由这个理论而来。
微观世界到底是怎么回事，没人敢说自己都弄明白了。爱因斯坦表示，自己思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然想不明白。研究原子弹的费曼干脆很确定地告诉大家：没有人懂量子力学。
所以，我们暂且不深究这个话题，只需要确认，虽然我们还不能很好地诠释微观世界的物理机制，但用量子力学的工具来描述微观物理的确是准确可用的。
虽然我们不能像在经典物理体系下那样明确计算一个粒子的位置，但可以计算它出现在某个位置的概率，只要知道它的动量、能量等物理量，就不影响对它的计算与应用。
一言以蔽之，对于现代物理学而言，量子力学是一个可用且准确的理论体系，只不过不同于牛顿时代的经典物理，微观世界的物理规律不容易被人理解，它背后存在着一些奇怪的随机性，而没人知道其背后的秘密。
在量子力学出现以前，这个世界由决定论主导。其代表人物法国的拉普拉斯曾假定，宇宙像时钟一样精准运行，如果一个智能生物能确定某一个时刻宇宙的完整信息（从最大天体到最轻原子的运动的现时状态），就能按照力学规律推算出整个宇宙过去及未来任何时刻的状态。但现在，至少在微观世界中，决定论似乎不再成立。
为什么会这样？如前文所说，有人认为是人的意识在主导，也有人认为世界的本质就是随机的；有人认为粒子是确定存在的，只不过它的位置是随机的，也有人认为压根就不存在粒子，真实存在的是波函数，只是它偶尔以粒子的方式出现……争论此起彼伏，甚至延续了一百多年也没有答案，不过现在执着于这个问题的人并不多，因为最终胜出的是实用主义，能用就好。
现在对量子力学的主流诠释是随机性，其代表人物有玻尔等，而爱因斯坦等人倡导的是决定论，也被称作隐变量解释，认为量子力学背后隐藏着一个尚未发现的理论，可以完整解释物理系统可观测的演化行为，而规避掉任何不确定性或随机性。但直到现在，量子力学背后的物理机制仍不明确。
如今，相对论与量子论已成为现代物理学的两大支柱。相对论研究的是速度、质量与时空的关系，而量子论研究的是微观粒子的运动规律。除却这两者以外，人们对粒子本身的结构也有了更深入的认知。
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