广义相对论支配着整个宇宙在大尺度下是如何运作的，而微观尺度下则由量子力学所掌管。量子力学正是起源于对量子化、不确定性原理和波粒二象性的理解，它完美地描述了亚原子粒子的运作方式，尽管这背后的原理带来了许多反直觉的概念。正如广义相对论一样，量子力学也仅仅是一个框架。在它可以用来描述真实的粒子之前，它必须结合狭义相对论，因为这些粒子通常都以接近光的速度在运动。
量子纠缠：
量子力学有一个非常令人困惑的性质，那就是量子纠缠。爱因斯坦在1935年和另外两位物理学家提出了一个思想实验。简单的说就是，两个相互关联的粒子会一直保持这种关联，无论它们相距多远。只要知道了其中一个粒子的状态，就会立即知道另一个粒子的状态。爱因斯坦把这称为“鬼魅般的超距作用”，坚持认为有某种看不见的力量在影响着这种纠缠状态。因此量子力学必须是不完备的。过去，有许多实验都表明量子纠缠的确存在，爱因斯坦或许错了。
量子场论：
狭义相对论告诉我们，质量和能量是等价的。量子力学告诉我们粒子可以在任何地方出现。而量子场论则将这两个理论联姻在一起，描述了所有的粒子其实都是由场“激发”出来的。英国物理学家狄拉克在1928年写下了相对论性的量子力学方程——狄拉克方程，描述了相对论电子的行为。他的方程预言了一种跟电子完全一样的粒子，除了拥有相反的电荷。在理论提出的不久后，科学家在宇宙射线中发现了第一个反粒子——正电子。
粒子物理学的标准模型：
经历了几十年的努力，物理学家发展出了粒子物理学的标准模型，描述了自然界中的三种基本力和基本粒子。在过去的几十年，标准模型漂亮的通过了所有的实验检验。它描述了携带基本力的玻色子和构成物质的费米子之间的相互作用，而两个量子场论则是它的核心。量子电动力学（QED）描述了光与物质间的相互作用，并和弱核力被统一成单一的电弱力。量子色动力学（QCD）则是描述强核力的一个理论。标准模型的巅峰来自2012年，当希格斯玻色子的发现填补了标准模型的最后一块拼图。
基于这六个基本原理，物理学家发展了标准宇宙学模型和粒子物理学的标准模型，它们各自都成功地经受住了无数次的检验，但同时我们也面临着六个亟待解决的问题。
