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说明了电磁场概念和电磁场能传送波后，我们很快就认识到，这些波的行为实际上十分奇怪，看起来完全不像波。在频率较高时它们的行为更像 粒子 ！正是在1920年后发展起来的 量子力学 解释了这种奇怪的行为。在1920年之前，爱因斯坦就已改变了把空间看作是三维空间，把时间看成单独存在的这种图像。他首先把它们组合在一起，并且称之为时空，然后又进一步用弯曲的时空来描绘万有引力，这样，“舞台”就变为时空，而万有引力则大概是时空的一种调整。以后，人们又发现有关原子运动的规则也是有问题的：在原子世界中，“惯性”与“力”的力学法则是不正确的——牛顿定律已不再成立。人们发现小尺度范围内事物的行为与大尺度范围内事物的行为没有任何相似之处。这给物理学造成困难——但又十分有趣。之所以困难，是由于事物在小尺度范围内的表现如此“反常”，我们对之没有直接的经验。在这里，事物的表现完全不像我们所知道的任何事情，因而除了用解析的方式，用任何其他方法都不可能描写这种特性。这的确是困难的，需要作大量的想象。
量子力学有许多观点。首先，一个粒子既有确定的位置也有确定的速度这种概念已被抛弃，那是不正确的想法。表明经典物理是怎样不正确的一个例子是，在量子力学中有这样一条定则：不可能既知道某个粒子在什么地方，又知道它运动得多快。动量的不确定性与位置的不确定性是并协的，两者的乘积是常数。我们可以把这条定律写成Δ x Δ p ≥ h ／2π，在以后将会更详尽地解释它。这条定则解释了这样一个十分神秘的佯谬：如果原子是由正负电荷所构成，那么为什么负电荷不是简单地位于正电荷的顶端（它们彼此是吸引的），从而彼此靠拢以至于完全抵消？ 为什么原子这么大 ？为什么原子核在中心，而其周围环绕着一些电子？起先曾认为原子核很大，但事实并非如此，它是 非常小 的。一个原子的直径约为10 －8 cm，一个原子核的直径约为10 －13 cm。如果我们有一个原子，为了看到原子核，就要把整个原子放大到一个大房间那样大，这时原子核才是一个刚刚可以用眼睛分辨出来的斑点，但是原子的几乎所有重量都集中在这个无比小的原子核上。是什么原因使电子没有直接落入原子核呢？正是由于上述的原理。如果电子在原子核里出现，我们就会精确地知道它们的位置，而不确定性原理则要求它们具有很大的（不过是不确定的）动量，即很大的动能。电子具有这样大的能量就要脱离原子核。然而这些电子作出了让步：由于不确定性，它们为自己留下一个狭小的空间，于是以由这个定则所决定的最小的运动晃动着（记得我们曾经说过，当晶体冷却到绝对零度时，原子并没有停止运动，它们仍然在晃动，为什么？如果它们停止运动，我们就能知道它们在什么地方，而且它们不运动，这就违反了不确定性原理：我们不能既知道它们在哪里，又知道它们以什么速度运动，所以它们必须在那里不断地摆动）。
另一个由量子力学带来的在科学的观念和哲学方面最有趣的变化是，在任何情形下要精确地预言会发生什么事都是不可能的。比如我们有可能使一个原子处于准备发光的状态，在原子发光时，可以利用探测光子的方法进行测量（这一点我们马上就要讲的），但是，我们无法预计它将在 什么时候 发光，或者在有几个原子的情况下，究竟 哪一个 原子将发光。你们可能说，这是由于某种我们还没有足够仔细观察过的内部“转轮”在起作用。然而，这里根本没有什么内部的转轮。按照我们今天的理解，大自然的表现是这样的： 根本不可能 精确地预言在一定的实验中究竟会发生什么事情，这是一件糟透了的事。事实上，哲学家曾经声称：科学所必需的基本东西之一就是，每当你安排了同样的条件时，那么发生的必定是同一件事。但是，这完全 不正确 ，它 并不是 科学的基本条件。事实是所发生的并不是同一件事，我们所能得到的只是发生一些什么的统计平均。不过，科学并没有完全崩溃。顺便说一下，哲学家们讲了一大套科学之绝对必需是什么，但就像人们所能看到的那样，这些总是相当天真的，甚至还是错误的。例如，某个哲学家宣称，对科学的成就来说十分重要的是，如果同一个实验先在某处（比如说在斯德哥尔摩）做，然后在另一处（比如说在基多）做，那么必定会出现同样的结果。完全错了。对科学来说，这并不是必然的。它可能是一个经验事实，但并不是必然的情况。比如有一个实验是在斯德哥尔摩观察天空，这时会看到北极光，如果在基多则看不到这种现象，这就是出现了不同的情况。“但是”，你会说：“这是一件与外部情况有关的事，如果你把自己关在斯德哥尔摩的一个房间里，拉下窗帘的话，那么会发现什么差别吗？”肯定会。假如我们在一个万向接头上挂一个摆，让它开始摆动，它就会差不多在一个平面里摆动，但也并不完全如此。在斯德哥尔摩，平面会缓慢地转动着。但是在基多就不会。在那里，窗帘也是垂下的。这件事的发生并没有引起科学的毁灭。科学的基本假设，它的基本哲学观念是什么呢？我们在第1章里讲到过： 实验是任何观念的正确性的唯一试金石 。假如结果是在基多所做的大多数实验与在斯德哥尔摩所做的实验效果一样，那么这“大多数实验”就可用来提出某种一般性的定律，至于对那些效果不同的实验我们就将说：“这是由于斯德哥尔摩周围的环境不同所引起的。”我们将能想出一些办法来概括实验结果，而没有必要在事先就被告诫说，这些办法看起来像什么。假如有人告诉我们说，同样的实验总是产生同样的结果，这固然很好。但是当我们试了一下后，发现并非如此，因而结论的确就是并非如此。我们正是必须相信自己所看到的，然后才能借助于实际的经验来形成我们的一切其他观念。
现在让我们回到量子力学和基本物理上来。当然，我们在此刻还不能详细叙述量子力学的原理，因为它们是颇难理解的。我们将假定它们成立，然后叙述一下某些结果。其中一个是，我们通常视作为波的那些事物也具有粒子的特性，而粒子则具有波的特性。实际上，每一种事物的行为都是一样的，不存在波和粒子的区别。这样，量子力学就将场的概念与场的波与粒子 统一起来 。的确，频率低时，现象的场的特性比较明显，或者说作为日常经验的近似描写时比较有用。但当频率增加时，现象的粒子特性对于我们通常用来作测量用的仪器来说更为明显。实际上，虽然我们提到过许多频率，但目前还没有探测到任何直接涉及频率在10 12 Hz以上的现象，我们只是在假定了量子力学的波粒二象性概念是正确的之后，根据有关规则从粒子的能量来推断出这些较高的频率的。
于是，我们对电磁相互作用有了新的见解。我们把一种新类型的粒子加入到电子、质子及中子的行列，这种新的粒子称为 光子 。而这种电子与质子相互作用的新的见解被称为量子电动力学，它就是电磁理论，不过其中的一切在量子力学上都是正确的。这是光和物质，或电场与电荷之间相互作用的基本理论，就物理学来说它是我们最伟大的成就。在这个理论中，我们得到了除万有引力与原子核过程之外的所有一般现象的根本规则。比如，从量子电动力学可以得出所有已知的电学、力学和化学定律：弹子碰撞的定律、导线在磁场中运动的定律、一氧化碳的比热、霓虹灯的色彩、盐的密度、以及氢与氧形成水的反应等全都是这一理论的推论。所有这些细节，如果简单到能使我们运用近似方法的话，都可以得出，这实际上当然不可能，不过我们总能对发生的事多少有所理解。目前，在原子核外面还没有发现量子电动力学定律有什么例外，对于原子核我们不知道是否会有例外，因为对于核内的过程我们简直还不太清楚。
这样，在原则上，量子电动力学是一切化学以及生命的理论——如果生命最后归结为化学，因而也就归结为物理的话（因为化学本身已经归结为物理，涉及化学中的那部分物理早就知道了）。不仅如此，量子电动力学这个伟大的理论还预言了许多新的事实。首先，它说明了甚高能光子、γ射线等的性质。它还预言了另一个十分出乎意外的事：除电子外，还应当有同样质量、但带有正电荷的称为正电子的粒子，并且这两种粒子碰在一起时，会彼此湮没而放出光或γ射线（其实，光与γ射线完全是一回事，只是频率不同而已）。这件事情的推广——即对每个粒子总有一个反粒子——现在知道是正确的。电子的反粒子有另一个名称，即正电子，但其他大多数反粒子，就称反某某子，如反质子、反中子。在量子电动力学中，提出了两个基本数据——电子质量与电荷，所有世界上其他的数被认为可以从这两个数据推导出来。实际上，这不完全正确，因为化学还有一整套数据，它告诉我们原子核是多重，这就把我们引导到下一部分内容中去了！