经典物理学天空的“乌云”
物理学发展到19世纪末期，一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观。在1900年，英国物理学家开尔文他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了……第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”
第一朵乌云源于1887年著名的迈克耳逊－莫雷实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，否定了“以太”的存在，经典物理学无法解释。
第二朵乌云源于黑体辐射研究中的“紫外灾难”。从瑞利——金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这是根本不可能的。这无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。
实际上，“乌云”并非只有两朵。
1859年，德国物理学家基尔霍夫解释了太阳光谱中暗线的含义，开创了光谱分析方法，拉开了近代原子物理学研究的序幕。但是，当时科学家们还无法解释物质特征谱线产生的原因。
1887年，德国物理学家赫兹发现光电现象。
1895年，德国物理学家伦琴发现X射线。
1896年，法国物理学家贝克勒尔发现天然放射现象。
1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森在研究阴极射线时发现电子。
这些都是经典物理学无法解释的。
物理学革命
1900年，普朗克为解决黑体辐射实验结果同经典理论的矛盾，提出了量子假说，认为在辐射的发射或吸收过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元，即量子。以此为指导，他推导的数学公式和实验结果完美吻合，“紫外灾难”得以解决。
1905年，爱因斯坦于创立的狭义相对论。狭义相对论否定了作为牛顿力学理论基础的绝对空间和绝对时间概念，否定了作为一切电磁现象和光学现象载体的“以太”的存在，驱散了由迈克耳逊－莫雷实验所带来的困恼。狭义相对论把古典力学定律全部加以改造，使之适合于低速运动的极限情况。
1915年，爱因斯坦进一步建立了广义相对论。广义相对论揭示了空间、时间同物质的统一关系，指出空间、时间不是离开物质独立存在的，时空的结构取决于物质的分布；物理空间不是平坦的，而是弯曲的，空间曲率表现为引力。1917年,爱因斯坦根据广义相对论考察整个宇宙空间，开创了现代宇宙学。他提出的有限无界的宇宙模型，后来发展成为宇宙膨胀理论和大爆炸理论。这是继哥白尼之后对天文学宇宙观的又一次革命。
1916年，爱因斯坦预言了引力波的存在。2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）观测到了引力波信号，证实了爱因斯坦的预言。
从20世纪初开始，在由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同努力下，量子力学于1920年代后期建立。
量子力学是描述微观物质的理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱，许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学（半导体物理的基础）、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科都是以量子力学为基础所进行的。
量子场论（QFT）结合了量子力学、狭义相对论和场的概念，把所有基本粒子描述为存在于宇宙时空各处基本场中的不同振动模式。它是基本粒子物理标准模型的理论框架。2012年，欧洲核子研究组织通过大型强子对撞机（LHC）实验证实了希格斯玻色子（即“上帝粒子”）的存在，粒子物理标准模型的最后一环被补齐。量子场论现在已经能够将强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用通过标准模型理论统一起来，但是没有包括引力相互作用。
