1.量子重力
「量子重力」是對重力場進行量子化描述的理論，研究方向主要嘗試結合廣義相對論與量子力學，為當前的物理學尚未解決的問題。理論物理上最深奧的問題之一便是調和廣義相對論以及量子力學，廣義相對論描述重力並且適用在大尺度結構（恆星、行星、銀河），而量子力學描述其他三種作用在微觀尺度下的基本交互作用。現有為數不少的量子重力理論被提出來：
2.量子場論
「量子場論」是量子力學和古典場論相結合的理論，已被廣泛的應用於粒子物理學和凝聚態物理學中。量子場論為描述多粒子系統，尤其是包含粒子產生和湮滅過程的系統，提供了有效的描述。自然界目前人類所知的有四種基本交互作用，除去重力，另三種交互作用都找到了合適滿足特定對稱性的量子場論來描述(參見下表)。
項目
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對象
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綱要
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電磁交互作用
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量子電動力學
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量子場論
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強交互作用
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量子色動力學
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弱交互作用
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費米點作用理論
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重力交互作用
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廣義相對論
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廣義相對論
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3.量子力學
「量子力學」是描述微觀物質（原子，亞原子粒子）行為的物理學理論，也是我們理解除萬有引力之外的三種基本力的基礎。關於量子力學的相關理論如下：
(1)黑體輻射：黑體是一個理想化了的物體，它可以吸收所有照射到它上面的輻射，並將這些輻射轉化為熱輻射，這個熱輻射的光譜特徵僅與該黑體的溫度有關。但從維因公式和瑞立公式發現與實驗數據不符，被稱作「紫外災變」。
(2)光電效應：愛因斯坦通過擴展普朗克的量子理論，提出不僅物質與電磁輻射之間的交互作用是量子化的，而且量子化是一個基本物理特性的理論。通過這個新理論，他得以解釋光電效應。依據實驗，發現通過光照，可以從金屬中打出電子來。不論入射光的強度，只有當光的頻率，超過一個臨限值後，才會有電子被射出。此後被打出的電子的動能，隨光的頻率線性升高，而光的強度僅決定射出的電子的數量。
(3)原子結構：首先，按照古典電磁學，拉賽福的原子模型不穩定。按照電磁學，電子不斷地在它的運轉過程中被加速，同時應該通過放無線電磁波喪失其能量，這樣它很快就會墜入原子核。其次原子的發射光譜，由一系列離散的發射線組成，比如氫原子的發射光譜由一個紫外線系列（來曼系）、一個可見光系列（巴耳麥系）和其它的紅外線系列組成。按照古典理論原子的發射譜應該是連續的。
(4)物質繞射：也就是電子的雙縫實驗。通過這個試驗，可以非常生動地體現出多種不同的量子力學現象。下圖顯示了這個試驗的結果：打在螢幕上的電子是點狀的，這個現象與一般感受到的點狀的粒子相同；電子打在螢幕上的位置，有一定的分布機率，隨時間可以看出雙縫繞射所特有的條紋圖像。假如一個光縫被關閉的話，所形成的圖像是單縫特有的波的分布機率。在圖中的試驗裡，電子源的強度非常低（約每秒10顆電子），因此電子之間的繞射可以被排除。顯然電子同時通過了兩個縫，與自己繞射導致了這個結果。
量子力學理論延伸(以下概述)：
(1)量子色動力學 (QCD)：是一個描述夸克膠子之間強交互作用的動力學理論。
(2)量子電動力學 (QED)：結合了量子力學和狹義相對論，用量子場的方法來描述粒子之間的電磁交互作用，可能是人類歷史上最為精確的物理理論，而被稱為「物理學的珍寶」。
(3)迴圈量子重力論：在此理論下，時空描述是呈背景獨立，由關係性迴圈織成的自旋網路鋪成時空幾何。蒲郎克尺度下的時空幾何充滿量子漲落，因此自旋網路又稱為自旋泡沫。
(4)量子糾纏：兩個粒子在經過短暫時間彼此耦合(也就是彼此有作用)之後，單獨擾動其中任意一個粒子，會影響到另外一個粒子的性質，儘管兩個粒子之間可能相隔很長一段距離。
(5)量子遙傳：又稱「量子隱形傳輸」、「量子遠距傳輸」，利用分散量子糾纏與一些物理訊息的轉換來傳送量子態至任意距離的位置的技術，且並不會傳送任何物質或能量。
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※走入量子世界:
 在量子力學的世界(你可以假設是比蒲郎克尺度大一點點的世界)，我們都是一種「波」的形式，因此，我們全身上下都一團模糊。由於光的能量很高，因此出門很容易就被曬傷，必須穿著防護衣。但是我們又不能安靜待在家中，由於測不準定理，我們不得不隨時動來動去。即使是緊閉紗窗，室內還是會湧進有存在機率的蚊子。在量子的世界裡，一切皆由「機率」所主宰，就算犯人被抓，審判的結果有可能是：「被告將有90%的機率在監獄，剩餘的10%待在家中。」但是不管監獄裡看守再嚴謹，穿隧效應便可使其輕易逃脫。所以，量子世界是混亂又危險的，幸虧我們這世界的蒲郎克常數不大！ |
※測量問題的解答：
如右圖所示，發現自己被跟蹤的職員怕事情曝光，當然不再到外遇情人家中。如此一來，卻時每次跟蹤都能知道他要去哪裡，但這並非真實情況，因為事情結果已經被觀察這個行為所改變。正確來說，這位職員下班後的狀態只能是去串燒店的20%、到情人家中的10%...這些狀態的疊加。量子力學認為，影響事件結果的最小單位便是蒲郎克常數，由於其值非常小，現實生活幾乎毫無感覺。但在微觀世界，測量的影響不可能低於最小單位，所以測量必定會對被測量對象造成影響。
 請想像有一把電子槍和一個有孔隙可穿透的牆面：電子槍所發射一個又一個的電子，當然可以測量其行蹤，但是一經測量，每個電子都確實會經過A或B某個開孔。這樣的結果與經過A與B兩種狀態的疊加並不相同，因此經過測量所得到的結果，是被測量所擾亂的結果(這便如同本書第30頁底圖所呈現的意思)。因此真相是：沒有人知道結果，量子力學也不在乎是否能提供解答。愛因斯坦和薛丁格認為，其中一定存在著「隱變數」，但至今仍是一個謎團。所謂「上帝不擲骰子」便是對此否定這種機率概述。 |
 在量子力學裡，微觀粒子既是粒子也是波，有時會顯示出波動性（這時粒子性較不顯著），有時又會顯示出粒子性（這時波動性較不顯著），在不同條件下分別表現出波動或粒子的性質。以電子為例，根據波耳派的解釋，用「波函數」這個波表示電子的位置、以及發現電子的機率，一旦在某處測量到電子，機率的波(也就是所謂的「波包」)會在瞬間縮併，使電子看起來像粒子。如右圖所示，一個圓柱體橫放在地面，若光源往圓形面投射，牆上出現的是圓形；光源若向側面處投射，牆上的光影顯示出方形─這是理所當然的事實，在此要強調的是：同樣事物從另一角度觀測便有不同結果，這也是量子力學的重點觀念所在。 |
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