Fizyka kwantowa powstała jako rewolucyjna teoria w latach dwudziestych XX wieku. Podstawowymi jej założeniami są:
- Oddziaływania są wynikiem wymiany ściśle określonych porcji energii - kwantów, pomiędzy oddziałującymi cząstkami. Według fizyki kwantowej światło jest strumieniem cząstek - fotonów. Oddziaływanie pomiędzy dwoma zderzającymi się elektronami opisuje się jako wymianę fotonu pomiędzy nimi, czyli wymianę porcji energii.
- Rozróżnienie oddziaływań na jądrowe silne, jądrowe słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne wynika z wymiany pomiędzy oddziałującymi cząstkami różnych porcji energii - kwantów. W przypadku oddziaływań jądrowych silnych, które utrzymują składniki jądra ze sobą, wymianie ulega mezon π, zwany w skrócie pionem. W przypadku oddziaływań słabych wymienianym kwantem jest cząstka W.
- Istniej pewna nieoznaczoność w wyniku której nigdy nie możemy jednocześnie określić położenia i pędu cząstki. Zasada ta jest nazywana zasadą nieoznaczoności i wynika z tego iż pomiar jednej wielkości może zakłócić pomiar drugiej wielkości. Jedyne co w takim przypadku możemy określić to prawdopodobieństwo znalezienia się cząstki w takim położeniu i prawdopodobieństwo posiadania przez cząstkę określonego pędu.
- Wynikającym z zasady nieoznaczoności jest możliwość przetunelowania określonej bariery przez cząstkę. Zjawisko to jest nazywane efektem tunelowania. Eksperymentem myślowym pomagającym zrozumieć ten efekt jest umieszczenie elektronów wewnątrz pudełka. Według mechaniki klasycznej elektron nie może wyskoczyć z pudełka i znaleźć się poza nim. Jednak według teorii kwantowej istnieje określone prawdopodobieństwo, że położenie elektronu będzie znajdować się poza pudełkiem. Efekt tunelowania wykorzystywany jest w diodzie tunelowej, która z kolei jest wykorzystywana na szeroką skalę w elektronice użytkowej.
Nazwą cząstek elementarnych określa się cząstki, które nie są złożone z innych cząstek. Przykładami są tu miony, neutrina, elektrony czy kwarki. Kwarki jednak nie są obserwowalne jako cząstki swobodne, jednak są składnikami hadronów, czyli protonów lub neutronów, które także określa się mianem cząstek elementarnych. Dotychczas odkryto około 200 cząstek elementarnych. Większość tych cząstek jest bardzo krótko żyjących. To że rzeczywiście istnieją takie cząstki, dowodzą eksperymenty akceleratorowe w których w wyniku zderzania ze sobą cząstek o wysokich energiach powstają nowe cząstki. Dla przykładu w wyniku zderzania ze sobą nukleonów i pionów powstają cząstki zwane hiperonami, o czasie życia 10-10 s. Każda cząstka elementarna ma stowarzyszoną ze sobą antycząstkę. Antycząstka ma taką samą masę spoczynkową, spin czyli kręt własny, ale przeciwny ładunek. I tak w przypadku elektronu, antycząstką jest pozyton który ma ładunek dodatni, a poza tym nie różni się od elektronu. Jednak, gdy spotka się pozyton i elektron, oddziałują ze sobą anihilując wydzielając przy tym energię równą sumie ich mas spoczynkowych w postaci dwóch kwantów gamma. W połowie XX wieku odkryto antycząstki protonu i neutronu: antyproton i antyneutron, które także anihilują po zetknięciu się ze swoimi odpowiednikami. Jednak co ciekawe antyneutron ma taki sam ładunek jak neutron, czyli równy 0.
Wszystkie antycząstki określa się mianem antymaterii i większość fizyków uważa, że ze względu na symetrię obserwowaną w przyrodzie, cały wszechświat powinien być w połowie wypełniony antymaterią.
Podczas lawinowego odkrywania coraz to nowszych cząstek elementarnych powoli zaczęto sobie zdawać sprawę, że muszą istnieć bardziej elementarne składniki materii. Hipotezę taką wysnuto w 1964 roku zakładając iż cała materia oprócz fotonów i leptonów składa się z 3 rodzajów kwarków. Hipoteza ta została potwierdzona przez eksperymenty, w których zderzano elektrony z nukleonami. Jednak dalsze eksperymenty akceleratorowe z wykorzystaniem większych energii wykazały istnienie dwóch kolejnych kwarków, oraz kolejnego szóstego. Kolejne badania wykazały, iż każdy z kwarków może występować w 3 tzw. kolorach odpowiadających stanom ładunkowym, co daje w sumie 18 rodzajów kwarków.