现代物理学对微观世界的研究，首先遇到的是让人惊奇的是微粒的波粒二象性，就是微粒在运动过程中，既表现出粒子特性，同时又具有象声波、水波类似的波动特性。波粒二象性的发现最先是起源于对光的研究。光是我们人类观测世界最重要的物质，如果没有光可能人们也就无法理解世界。连基督教的圣经里描述的上帝在创造天地时，首先创造的就是光。在创世纪的第一日，上帝说“要有光”，于是便有了光。我们学习传统物理的时候，知道光是光波，光与我们平时听广播，看电视用到的电磁波一样也是电磁波。它以电磁波的形式在真空中间以约30万公里/秒的速度传播，这是目前我们所知道的宇宙中所有物质运动的最快速度。但是，当物理学家深入研究光的一些性质的时候，发现在一些物理现象中，光居然有象粒子一样的特性。如在光电现象中光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子。而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。
进一步的研究发现，不仅仅是光，包括电子、质子、中子甚至原子，只要物质的微粒足够的小，那么在它们的运动中都可以表现出波粒二象性。所以，波粒二象性是物质的一种基本特性。这在人们的直观感觉中也是不可思义的，如你可以坐上一辆汽车往前开，汽车周围有发动机的噪音声波，喇叭声波。但是，你不可能想象你坐的汽车同时也是一种波，你感觉到的只是汽车的颠簸，绝对感觉不到汽车的波动特性。甚至连你自己同时也是一种波，这简直让人太不容易接受了。
在研究微粒的运动特性时，物理学家用量子力学来描述具有波粒二象性的微粒的运动规律。量子的概念，起始于普朗克对黑体光谱中的能量分布的分析，他发现了辐射能量的数值大小的取值具有非连续的量子特性，并且计算出能量量子（自然界中能量的最小单位）的数值等级为6.626×10-34焦耳*秒，这是一个非常小的数。后来被称为普朗克常数，这是量子物理中一个很常用的基本数据。根据量子力学的理论，微粒的波粒二象性使得它在运动过程中，在没有对它进行测量观察之前，它是以某种波动的形式（可以用薛定鄂波动方程或者海森堡的矩阵方程来描述）运动，而一旦对它进行测量时，它马上变成一个确定的粒子运动（称为波函数的坍缩），并且该粒子的运动特性数据是以与波函数有关的概率规律出现的。
同时，对具有波粒二象性的微粒运动进行测量时，粒子的运动状态（空间位置和运动速度）具有不确定性，就是说你如果确定了粒子的位置，就无法确定它的运动速度；或者如果确定了粒子的运动速度，就无法确定它的位置。这就是量子力学中著名的测不准原理。这个量子力学中的测不准原理，不光我们一般的人不容易接受，而且连科学巨人爱因斯坦也长时间拒绝接受，因为它破坏了整个经典物理学理论体系的严密的因果原则。不赞成量子物理理论的科学家提出了很多疑问，如著名的“处于不死不活的薛定鄂的猫实验”、“爱因斯坦等人提出的ERP佯谬”等等。
海森伯在1927 年首先提出来的不确定性原理，反映了对物质的微观粒子运动的测量时的一种规律，是微观世界的一种与经典物理学中完全不同的特性。不确定性原理是量子力学的一条基本原理。应用量子力学的理论可以证明，凡是乘积具有普朗克常数量纲的成对物理量都不能以任意高的精确度同时确定。比如位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式 △q△p≥h/4π ，其中，h 是普朗克常数。
尽管如此，量子力学理论的确很好地解决了一些微粒运动的物理特性问题，并且在这个令人难以理解的理论的指导下，一些对世界有极其重大影响的技术发展起来，如激光、半导体等。此外，科学家也做了很多实验，验证了量子力学理论的正确性，最著名的是对贝尔不等式（说明两个相关的量子的概率相关性的上限值）的验证实验。对于这些物质的量子特性的具体描述因为涉及到比较深奥的数学公式，所以在这里也不对物质的量子特性说得更加专业化了。
总之，在理解物质的微观结构，和物质微粒的运动特性等方面，量子理论比传统的物理学要正确和深刻得多。在新的量子物理理论的指导下，对“物质是什么？”、“世界是什么样的”等问题认识与传统物理学的解释是不同的，如平行的多世界解释，人择原理的宇宙等等、等等。那么，对于物质的构成会进一步问到，构成物质的微粒的分解还有没有止境？根据，量子理论，物质的可分性不是无止境的。对于粒子的分解到一定的阶段（现在认为到“夸克” ）再分解就没有意义了。这个问题在后面对物质的来源还要谈。
现代物理学正是通过对物质微粒运动的这些奇异特性的研究，进一步揭示了物质的本质。关于物质的本质是微粒还是波，物理学家经历了几十年的争论，同时物理学家对于微粒的运动提出了十分完美、规则的数学描述（主要有海森堡的矩阵方程和薛定鄂波动方程）。但是与经典力学的物体运动方程最大的不同，这些数学描述并不是说明物质微粒的具体的运动状态（空间位置和运动速度），而是说明物质微粒的可能的运动状态的概率分布情况。实际上是对物质微粒的运动状态的随机性（不确定性）的描述。这些数学描述都比较专业，一般的介绍中都会避免去讨论它们。
这里我们从认识物质的本性出发，也只从定性的方面去理解物质的这些特性。实际上世界上不存在绝对的真空，我们通常意义上所说的真空是指在某一空间中没有有形的物质（包括各种原子、分子、离子等）。但是，从现代物理学的物质观，物质还应该包括无形的场。所以，在一般意义的真空中间实际上是充满了场物质的，特别是引力场是必定存在于我们所能够研究的任何空间中的。当然，在一般的空间中可能还存在其它的各种场物质，如磁场、电场等。这样物质微粒在空间运动过程中实际上是在场物质中间进行的。
在传统物理学中能量被定义为物体做功的能力，它有很多表现形式，如动能、势能、热能、光能、原子能等等。场态的物质只能以它们和有形物质之间的相互作用（能量交换），才能被感觉到，所以我们是以能量的强度来说明场态的物质。但是场态的物质的能量和物理中所说的能量是不同的，能量本身并不是物质，能量是物理学中用来说明场物质的存在和对周围的影响程度的一个物理量。在传统力学中，我们在分析在地球引力场中间物体的运动，就必须考虑地球的引力场（重力加速度）。在传统物理学中，地球的引力产生的加速度被定义为9.8米/秒2。其实，人们早就知道在地球的不同地方，甚至不同的时间这个值是有所不同的。我们分析高空物体的运动，如人造卫星的运动，那么可能除了考虑地球引力以外还需要考虑太阳等其它星球的引力。
类似的，物质微粒在空间的运动状态实际上是要受到场物质的作用的，也就是说如果我们要精确地确定一个物质微粒在空间的运动参数就必须精确地确定它所受到的所有场的作用。但是，宇宙中所有的有形物质，在它们形成的同时，也就在空间产生了一个引力场，引力场在空间也是以光速传播的。有形的物质在宇宙中已经产生了几百亿年了，所以在几百亿光年的空间范围中都充满了引力场。根据万有引力定理，引力的强度与物体的质量成正比，而与距离的平方成反比。虽然，宇宙空间中星体的距离都很大，但是质量也很大，数量也很大。而且星体之间都处于不停的相对运动中。
所以，就地面情况来说，除了最强大的地球引力之外，宇宙中其他星球的引力场也是起作用的，再加上地球引力场的变化，要确定空间任意一点的场的强度的精确值是不可能的，虽然这个值变化是非常小的。对于分析一般的质量比较大的物体运动，这个微小的变化对一般物体的运动状态的影响是非常微小，可以忽略。但是当物质微粒的质量非常小时，如光子、电子、中子、质子、原子，甚至小分子，这个影响就不能忽略。
这样，是不是可以把物质微粒的量子特性，理解为不可确定的、波动变化的宇宙场（主要是引力场）的作用对物质微粒的运动造成影响的结果。因为，宇宙中任何物质都不可能绝对地脱离其他物质的影响而独立存在，所以物质的量子特性是宇宙中物质的固有特性。只要我们观察的物质质量足够小，它的不可确定的（或者叫不可测量的）量子特性就会明显地表现出来。同时，因为场物质对有形物质的作用是量子化的，而不是连续的，所以这个影响表现出来的是量子特性的不连续性。如我们观察围绕原子核运动的电子，虽然从电磁场理论可以知道有电磁力把电子吸引到原子核的周围运动，但是具体的电子运动状态还要受到其他各种场物质的作用的影响，所以这些电子的运动状态象云一样模糊，并以量子特性在不连续的层次上形成电子云。
原子核中的质子、中子通过强力相互吸引，它们只能在原子核心位置上波动。原子之间，通过电子的连接键结合成为分子，或者晶体的晶格，它们也只能在一定的位置附近波动。等等这些情况下物质微粒被比较强大的力约束，它们的量子特性只是在一个很小的范围内表现出来。所以对于整个物体来说，在整体的宏观上是觉察不到这些奇特的量子特性。而当某微粒脱离了这些强作用力，在场中间运动时，这些量子特性就可以明显地被观察到了。
这种对世界的整体看待的观念在中国古代的哲学思想中就是一种主流观念。如道家的老子学说，周易太极等都提倡从整体观念和事物的互相关联来看待世界。所以，这种从宇宙事物的互相影响、互相联系的整体观念来描述物质的特性也应该是正确地认识世界的必然之路。虽然，到目前为止科学家对宇宙，对世界和物质的看法还没有一个完整的、统一的认识，但是随着现代物理的发展人类对宇宙的看法又达到了新的高度。
量子力学对物质世界的解释中更加让人匪夷所思的是对“真空”的描述。在传统的观念中真空就是没有实际物质的空间，当然严格来说“真空”中实际上还是会有场态的物质，如对于引力场目前还无法从测量空间中屏蔽掉。根据量子力学的理论真空中随时可以产生出物质微粒（量子理论认为真空实际上是一片不停波动的能量空间。当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子，当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量）；而物质微粒也可能随时在真空中消失，又在空间中另外一个位置突然冒出来。根据量子理论物质的微粒就是不停地在空间中神奇地变化着。只不过这些神奇的现象都发生在很小的尺度空间中，大约只有10-33厘米，（称为普朗克长度， 普朗克长度由引力常数、光速和普朗克常数的相对数值决定，它大致等于1.6*10-33厘米，是一个质子大小的10- 20倍。）我们一般是完全感觉不到的。但是在一些十分精确的物理实验中，这些“真空”中的奇妙的变化的确可以被间接地测量出来。
而根据现代物理学理论我们宇宙中所有的物质就是来源于一次大爆炸的能量。为了把狭义相对论与量子概念结合起来，物理学家们首先把力量集中在电磁力与物质的相互作用上。经过一系列激动人心的进步，他们创立了量子电动力学。通过与量子电动力学类比，物理学家构造了强力与弱力的量子场论，叫量子色动力学和量子弱电理论。物理学家把这个关于引力外的三种力和三族物质粒子的理论叫做标准理论，或者，更多的时候称它是粒子物理学的标准模型。物理学的标准模型很好地描述了微观粒子的物理性质。但是对于大尺度下的物质特性却难以说明。现代物理学对宇宙整体的看法是起始于相对论。
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