تئوری کوانتوم
تا سال 1911 چارچوب کلی ساختار اتم مشخص شده بود. قسمت اعظم جرم اتم در مرکز آن که منطقه ای بسیار کوچک است و هسته نام دارد متمرکز بود. اوایل دانشمندان ساختار اتم را به منظومه شمسی

کوچکی تشبیه می کردند که هسته دارای بار مثبت، نقش خورشید را برعهده دارد. الکترون ها نیز که ذرات باردار منفی هستند همانند سیاراتی هستند که به گرد خورشید می گردند. این تشبیه برای تصور قلمروی که آنچنان کوچک و غیر قابل مشاهده است، کمک بسیار مؤثری محسوب می شد، اما نمایش کاملا دقیقی از اتم به حساب نمی آمد. گام بزرگ بعدی را نظریه پرداز بزرگ دانمارکی نیلزبور (Niels Bohr) برداشت.
وی ایده های نو ماکس پلانک (Max Plank) فیزیکدان آلمانی را که می گفت انرژی به صورت ذرات مجزا از هم، همانند دانه های شن یک ساعت شنی منتقل می شود و همانند عبور رودخانه به صورت قسمت هایی از یک جریان پیوسته نیست، به دنیای اتم وارد کرد.
در سال 1913 تصور می شد که ابرهای الکترونی، مدارهای ثابتی را اشغال کرده اند و سطوح انرژی ثابتی دارند ، که این سطوح انرژی با جذب یا نشر یک ذره انرژی که فوتون (Photon) نام دارد، تغییر می کند. فیزیکدانانی که ساختار هسته ای را دقیقتر کاویدند، دریافتند که هسته اتم یک جنگل تمام عیار از ذرات زیر اتمی با طول عمر متفاوت جدید سامان یافت. این تئوری فرض می کند که جهان از تعداد کمی ذرات مشخص که کوآرک (quark) نام دارند، تشکیل شده است. بسته به آرایش این ذرات و روش انجام آزمایش ها، کوآرک ها حضور خود را به شکل یکی از این ذره زیر اتمی آشکار می سازند. هم اکنون، مفهومی که مدل استاندارد (Standard Model) نامیده می شود، اغلب (و البته نه همه) اسرار قلمرو کوانتوم را کشف می کند.
طی این روند بود که تمام انواع تجهیزات مفید سربرآوردند: از تصویر برداری مغناطیسی هسته (MRI) که قادر به شناسایی غده سرطانی موجود در قسمت های داخلی بدن است، گرفته تا لیزر که می توان آن را چنان دقیق تنظیم کرد که سلول های سرطانی را از بین ببرد بدون آنکه به بافت های سالم اطراف آن آسیبی وارد کند. علی رغم همه این پیشرفت های عظیم که حاصل شده است، هنوز یک راز ناگشوده باقی مانده است. تئوری نسبیت می تواند دنیای بسیار بزرگ اطراف ما و نحوه عملکرد نیروهای گرانشی در گیتی را به شیوه ای بسیار عالی تشریح کند. تئوری کوانتوم هم برای تفسیر قلمروهای بسیار کوچک، یعنی فواصل درون اتم به کار می رود.
چیزی که هنوز حاصل نشده است و فیزیکدانان امیدوارند طــی آزمایش های قرن بیست و یکم بـه آن دسـت یـابـنـد، تئـوری هـمـه چیــز (Theory of every thing) نام دارد. پاداش عظیم دستیابی به این بینش توانایی استفاده از الکترومغناطیس برای ایجاد گرانش است، همانطور که با کلید می توان چراغ را روشن و خاموش کرد.
پیشرفت های صورت گرفته در زمینه علوم پزشکی طی قرن بیستم مدیون توصیفات غنی و عمیقی است که از دنیای طبیعی توسط زیست شناسان طی 200 سال گذشته صورت گرفته است. این مشاهدات عمیق نهایتا منجر به کشف آنتی بیوتیک ها شد، که همانند گلوله ای در مقابل آلودگی ها می مانند و واکسن هایی که عملا فلج اطفال را ریشه کن کردند، شد. بزرگترین شکاف موجود در آگاهی ما از سیستم زنده با کشف DNA، پر شد. با پر شدن این شکاف، زیست شناسان توانستند با ارائه یک نظریه منسجم چگونگی تشکیل و عملکرد حیات را شرح دهند.