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물리학의 다양한 분야들은 각기 다른 실험방법과 이론적 접근방법을 갖고 있지만 어떤 일반적인 원리는 모든 분야에 적용된다. 많은 분야에 걸쳐 물리학의 최첨단은 매우 미시적인 영역에 있으며 모든 것들은 현대물리학의 이론적 기반인 양자이론과 상대성이론에 기초하고 있다. 고전이론에서 연속적인 값들을 갖는 물리량들이 양자이론에서는 불연속적으로 분리된 값들로 된다.

고전물리학의 결정론적인 본질은 양자이론에서는 본질적 불확실성으로 대체된다.

양자이론에 따르면 전자기복사는 어떤 경우에는 에너지와 운동량이 파동의 진동수에 비례하며 입자처럼 행동하는 광자들의 집합체라고 볼 수 있다. 한편 고전물리에서는 입자로 보이는 전자나 다른 입자들이, 파장이 그 입자의 운동량에 반비례하는 파동의 성질을 가지게 된다. 두 경우의 비례상수는 모두 작용량의 특성양자인 플랑크 상수 h이다(→ 파동입자 이중성).

원칙적으로 모든 원자·분자 물리학은 양자역학으로 설명된다.

원자 속의 전자는 핵 주위에서 슈뢰딩거 파동함수라 부르는 일종의 정상파를 이룬다. 이 정상파에 의해 양자파동의 파장이 결정되어 양자의 에너지 상태도 결정된다. 결과적으로 원자계는 불연속적인 양자화된 에너지 상태에 제한된다. 원자가 불연속적 전이를 할 때, 원자의 에너지는 정밀하게 정의된 양만큼 바뀌고 그 차이만큼의 에너지를 가진 광자가 방출, 또는 흡수된다. 원자의 에너지는 정밀하게 정의될 수 있지만 원자 속의 전자들의 위치는 그렇지 못하다. 양자역학은 다만 전자위치에 대한 확률만을 줄 수 있다. 이것은 바로 하이젠베르크의 불확정성원리에 의한 결과이다. 이 원리에 의하면 입자의 위치측정에 대한 정밀도가 높아질수록 운동량의 불확정성은 높아진다. 불확정성의 정도는 플랑크 상수의 크기만큼으로 조절되는데 그 양은 너무 작아서 미시적 세계를 벗어나면 양자역학이 아무런 영향을 주지 않는 것처럼 보인다. 어떤 입자의 미래를 결정하기 위해서는 어떤 순간에 그 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 알아야 하므로 양자역학은 이러한 결정론적 예측이 불가능함을 암시한다.

전자기복사와 입자들의 상보적(相補的)인 파동성과 입자성, 즉 파동입자 이중성은 불확정성원리의 또하나의 예이다. 전자가 회절에서와 같은 파동성을 보일 때 전자의 입자성은 감춰지고, 반대로 전자기복사가 콤프턴 효과에서와 같은 입자성을 보일 때 복사의 파동성은 나타나지 않는다. 닐스 보어에 의해 주장된 이와 같은 상보성원리는, 물리세계가 여러 상보적 형태로 나타나고 어느 하나도 완전하지 않으며 완전히 이해하기 위해서는 모든 상보적 형태가 필수적이라는 것을 의미한다.