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西方世界中最早的光學研究記載來自歐幾里德的《反射光學》；而在托勒密的著作《光學》（原作已佚）中記載了他對折射定律的研究，他在當時認為折射角正比于入射角，這個觀點后來被阿拉伯學者海什木發現有誤。海什木本人對光學有著相當的研究成果，在他的著作《光學全書》里記載了大量他進行過的光學實驗，他研究過光的直線傳播、反射和折射、透鏡和各種反射鏡等。在折射的研究中，是他首先發明了將反射光和折射光在水平和豎直方向上分解這一幾何光學中的基本方法。他甚至得到了類似于斯涅爾定律的結論，但沒有經過定量的數學推導。
開普勒在他1611年的光學著作《折光學》中記載了他所進行的光的折射實驗，記錄表明他在實驗中曾觀察到全反射現象。1621年，荷蘭物理學家斯涅爾通過進行和開普勒相類似的實驗首次總結出了正確的折射定律，后來折射定律也常被稱作斯涅爾定律。笛卡爾在他的著作《方法論》中也有關于折射的研究，他將光看作機械的彈性小球，認為小球在不同的介質中的速度是不同的，并假設平行于介質交面的光速分量始終保持不變，由此可以推出入射角與折射角的正弦的比值是定值。不過，笛卡爾的結果和事實相比需要假設光在光疏媒質中要比在光密媒質中走得慢。1661年，法國數學家皮埃爾·德·費馬將費馬原理應用于幾何光學，得到了折射定律的正確形式。費馬原理作為最小作用量原理的一個特例，應用它來證明折射定律具有物理上的正確性。
牛頓在光學領域也做出了巨大貢獻，其中最重要的發現是光的色散。牛頓的青年時代正是望遠鏡和顯微鏡逐漸占領科學實驗觀測重要地位的時期，人們在使用這些儀器的同時卻發現成像總是帶有像差和色差等問題。因此牛頓研究光學的初衷是為了改進這些光學儀器。1666年，牛頓在參考了笛卡爾、胡克和波義耳等人的分光實驗后，把房間弄成漆黑，只讓室外的陽光透過留在窗戶上的一個小孔，陽光照射到放置的三棱鏡上，如此牛頓在對面的墻上得到了光譜。牛頓本人描述說：“當我第一次看到由此而產生的鮮明強烈的光色時，使我感到極大的愉快”。隨后牛頓還進行了其他實驗證明了色散不是光和棱鏡相互作用的結果，以及色散后的光譜能通過倒置的棱鏡再次還原為白光。通過這些實驗，牛頓總結出了幾條結論，包括不同的色光具有不同的折射率、白光是由多種色光按比例混合而成的等，并解釋了物體呈現各種顏色的原因是該物體對特定顏色的光反射更強所致。1704年，牛頓出版了《光學——關于光的反射、折射、繞射和顏色的論文》一書，集中匯總了他在光學領域所做的研究工作。
光的本性問題是物理學界長久以來一直爭論不休的一個難題。牛頓在思考這個問題時，將他所擅長的物質、粒子和力等概念滲透到光學中，從而將光的本性解釋為物質的微粒。這些微粒以一定的速率在真空中保持直線運動，碰撞到光滑的鏡面則產生彈性反射，而前文中笛卡爾的理論推導也證明了這種假說能夠解釋光的折射現象。微粒說能夠在相當程度上完整地解釋幾何光學，而對于色散的問題，則要假設每一種顏色的光對應一種顏色的微粒，不同顏色的微粒在真空中具有相同的速度，而在介質中則具有不同的速度。然而，關于光的本性很多物理學者一直持有另外一種觀點，即光是一種彈性的機械波，持這種波動觀點的代表人物有胡克和惠更斯等人。惠更斯在1678年所闡述的觀點認為，光是發光體內部的粒子振動所產生的機械波，這種機械波傳播所依靠的介質被稱作以太。惠更斯認為光是一種縱波，從而以太這種物質類似于空氣一樣，但沒有任何質量，彌漫于整個宇宙中而無處不在。因此在波動說看來，光的本質就是能量通過以太的振動在空間中的傳遞。波動說同樣可以解釋很多光學現象，例如波在其他介質中的傳播速率要小于在以太中的傳播速率，因而這種效應會引起折射。對于色散，波動說認為每種顏色的光對應有不同的波長，因而在以太以外的其他介質中波速不同。盡管波動說能夠貌似更簡單地解釋光學現象（除去需要假設存在以太的問題），當時的科學界由于更相信牛頓的權威，在波動說提出的一百多年里一直更推崇微粒說。
奧古斯丁·菲涅耳
這種情形一直持續到十九世紀初，1801年英國科學家托馬斯·楊成功實現了光的雙縫干涉實驗，這是對波動說的有力證明。他通過實驗還初步測定了空氣中不同色光的波長，已經接近于現代測定的精確值。1809年法國物理學家馬呂斯發現了光的偏振，為了解釋這種現象托馬斯·楊在1817年假設了光波具有一個非常小的振動的橫向分量，不過到了1821年，法國物理學家奧古斯丁·菲涅耳通過數學計算得出結論，光的振動完全是橫向的。菲涅耳對波動光學進行了理論和實驗的全方位研究，締造了波動光學的理論基礎，他的主要理論成就包括：提出了兩束光的干涉條件，在數學上完善了描述光傳播規律的惠更斯－菲涅耳原理，菲涅耳指出光波的包絡面實際是各個子波彼此干涉的結果，并描述了近場的菲涅耳衍射；菲涅耳還得到了在物理上定量描述反射和折射規律的菲涅耳方程；以及關于光的偏振的研究，并發現了圓偏振光和橢圓偏振光。
盡管波動說在十九世紀的發展非常成功，光是一種橫波的事實意味著惠更斯關于以太的理論需要修改：以太不能像空氣那樣是“氣狀”的，而必須是彈性“膠狀”的。然而，假設一種膠狀的以太無疑會帶來更多麻煩，例如只有光才會和以太產生相互作用，而物質不會產生任何作用。正如愛因斯坦所評價的那樣，需要假設彈性膠狀的以太意味著試圖完全用力學的觀點來解釋光的本性是沒有希望的，這也正是法拉第和麥克斯韋提出場的概念的重要意義所在。
十九世紀八十年代以前，人們對光譜學的研究還僅限于對光譜的觀測。著名的測量研究包括德國物理學家約瑟夫·夫瑯和費在1814年至1815年間測定的太陽光譜，他將得到的八條吸收光譜線用字母A-H標記，后人稱之為夫瑯和費線。后來的光譜學主要用于新的化學元素的發現上，例如德國物理學家古斯塔夫·基爾霍夫就是通過研究堿金屬的光譜發現了新元素銫（1860年）和銣（1861年）。然而，從哪方面來看都需要對光譜的成因以及譜線之間的關系作出一個物理上的解釋，而這一點恰恰又是在當時高度依賴機械觀的物理學界無法企及的問題。相反，一名瑞士中學教師約翰·巴耳末於1884年總結出了一個經驗性的氫光譜公式，正是這個公式的正確性引發了物理學家對原子光譜進一步的探索。1890年，瑞典物理學家約翰尼斯·里德伯在不了解巴耳末工作的情況下得到了一個更具有普遍意義的經驗公式，而巴耳末公式正是里德伯得到的一個特例，后人并由此進一步成功預言了帕邢系的存在。然而即便如此，此時人們對光譜的理解依然是唯象的，真正在物理層面上的解釋則要等到尼爾斯·玻爾的時代。
在1900年4月27日，開爾文勛爵在英國皇家研究所做了一篇名為《在熱和光動力理論上空的十九世紀烏云》的發言，演講中開爾文聲稱：
開爾文所言的兩朵烏云分別是指邁克耳孫-莫雷實驗測量的零結果和黑體輻射理論出現的問題。出自對牛頓理論的高度信任，開爾文也相信這兩個問題會被最終掃清，發言中他針對這兩個問題提出了自己的解決方案。對于波動說中為何光以外的其他物質不會和“膠狀”以太發生相互作用的問題，開爾文提出假設以太是可伸縮的，從而邁克耳孫-莫雷實驗不能完全否定以太的自由運動；而對于黑體輻射的問題，開爾文認為麥克斯韋、玻爾茲曼和瑞利等人對能量均分定理永遠成立的維護是不必要的，“解決問題最簡單的途徑就是否定這一結論”。開爾文對這兩個問題的在意程度反映了當時物理學界對物理學理論體系的普遍憂慮，但他很有可能沒有想到的是，這兩朵烏云給物理學帶來的是一場突如其來的風暴，這場風暴顛覆了舊理論體系的框架，分別導致了二十世紀物理學的兩大理論體系：相對論和量子力學的誕生。
從1895年德國物理學家威廉·倫琴發現X射線開始，物理學界在短短十年間誕生出很多前所未有的研究發現，包括天然放射性（貝可勒爾，1896年）、塞曼效應（塞曼，1896年）、電子（約瑟夫·湯姆孫，1897年）、α和β射線（盧瑟福，1898年）、放射性元素釙和鐳（居里夫婦，1898年）、電子質量隨速度增長（沃爾特·考夫曼，1901年）等。其中X射線和電子的發現都可以追溯至人們在真空放電管內所做的真空放電實驗，這種放電現象被稱作陰極射線。1895年11月8日，時為德國維爾茨堡大學校長的倫琴在進行陰極射線的實驗時，觀察到放在射線管附近涂有氰亞鉑酸鋇的屏上發出的微光，最后他確信這是一種尚未為人所知的新射線。1895年12月28日他完成了初步的實驗報告《一種新的射線》并發表于《維爾茨堡物理醫學學會》上。為了表明這是一種新的射線，倫琴采用表示未知數的X來命名（盡管很多人建議他將其命名為倫琴射線，這后來也成為了X射線的別名）。倫琴為此獲得了首屆諾貝爾物理學獎，不過他很長時間都沒有弄清這種新射線的本質，直到1912年德國物理學家馬克斯·馮·勞厄通過晶體衍射的方法確定了X射線是一種頻率很高的電磁波，而后來英國物理學家亨利·莫塞萊則指出X射線產生于原子內部內層電子的量子躍遷。
英國物理學家、劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·湯姆孫自1890年起開始研究陰極射線，他在1897年重做了赫茲的實驗，但精細程度上有相當大的提高：他使用了真空度更高的放電管和更強的電場。實驗中他觀察到了電場中穩定的偏轉，并利用測量的偏轉角度計算了這種未知粒子的荷質比，這個測量值不依賴于電極的材料和氣體的成分。湯姆孫等人又測定了這種粒子所帶的電量，發現其與氫離子的帶電量相同。其后湯姆孫又采用類似方法研究了光電效應中的光電流和熱電發射效應中的電流，發現它們也都是由相同粒子組成的。這些事實加上法國物理學家亨利·貝可勒爾對β射線成分的研究結果，證明這種粒子普遍存在于電流中，并且是比原子更小的組成單元。湯姆孫采用“電子”這個名稱來稱呼這種粒子，電子是人類發現的第一個基本粒子，它的發現改變了長久以來人們認為原子不可分的傳統觀念。
以太是光的波動說基于機械觀的論點引入的假想光波介質，同時它也是一種絕對慣性系。由于這種假想物質無處不在、絕對靜止、與光以外的物質不會發生任何可觀測的作用，而且它又是膠狀彈性的，關于以太是否真的存在一直是理論和實驗物理學界關注的問題。由于以太是絕對慣性系，地球在以太中的運動相當于在地球上形成相對地球運動的反方向的以太風，這從而成為了人們能夠想到的一種測量以太的途徑。麥克斯韋在《大英百科全書》的《以太》條目中提到了這種實驗方案：由于以太的運動會引起在其中傳播的光速的變化，而以太風的速度又相當于反向的地球軌道速度，則可以通過比較這兩種速度來觀察以太。然而受當時在地面上測量光速的技術所限，以太風所導致的光傳播時間變化也只能為總傳播時間的億分之一，這種精度的測量對于的當時的技術而言是非常困難的。不過到了1880年，美國物理學家阿爾伯特·邁克耳孫制造了一種全新的高靈敏干涉儀——邁克耳孫干涉儀，如此光速的變化將能反映到干涉的相位差中，邁克耳孫干涉儀的靈敏度已能達到麥克斯韋所言的測量要求。
1881年4月邁克耳孫在波茨坦天文臺進行了上述干涉實驗，結果是干涉條紋的移動遠遠小于可能的預期，并與地球軌道運動并不相關，邁克耳孫從而猜測絕對靜止的以太慣性系并不存在。1887年他又和愛德華·莫雷合作改進了干涉實驗，提高了實驗的穩定性和靈敏度，然而結果依然沒有變化。根據他們記錄的測量結果，即使地球和以太之間的相對運動導致了條紋位移，這種位移不會大于條紋間距的0.01倍，而假設以太存在時的理論值則會達到0.4倍。邁克耳孫-莫雷實驗的零結果對當時的物理學界是一朵名副其實的烏云，為了解釋這個結果同時又維護以太理論的正確性，荷蘭物理學家亨德里克·洛倫茲於1892年提出了收縮假說，并於1895年給出了著名的長度收縮公式。這一假說不但可以解釋邁克耳孫-莫雷實驗的零結果，也否定了任何在地球上觀察以太風的可能性。
紫外災變這一概念的提出起源于人們對熱輻射定律的研究，或更準確的說，是從古斯塔夫·基爾霍夫1859年提出黑體輻射的概念開始的。1879年，斯洛文尼亞物理學家約瑟夫·斯特藩經驗性得到黑體輻射能量正比于黑體溫度的四次方的結論，并由玻爾茲曼于1884年從理論上證明，這被稱作斯特藩-玻爾茲曼定律。1893年德國物理學家威廉·維恩得到了描述黑體輻射的電磁波波長與黑體溫度之間反比關系的定律，即維恩位移定律；而后在1896年又得到了一個描述黑體輻射能量和波長之間關系的定律，即維恩近似（也叫維恩輻射定律）。維恩的定律引起了物理學界的注意，由于它基本上屬于基于實驗測量的經驗性公式，很多理論物理學家試圖在理論上對其進行修正。德國物理學家馬克斯·普朗克自1897年起開始進行這項工作，通過將電磁理論應用于熱輻射和諧振子的相互作用，他于1899年得到了維恩輻射定律的理論版本。然而，實驗觀測表明維恩近似并不適用于長波情形，在低頻區域需要進行修正。這種偏差導致了普朗克對能量進行了量子化假設，從而在1900年導出了普朗克黑體輻射定律。
真正引起紫外災變的導火索是能量均分定理。瑞利勛爵在研究黑體輻射的過程中，注意到對頻率較低的情形能量均分定理應當成立，從而假設在空腔中輻射的電磁波能量按自由度均分。這樣得到的公式符合長波情形，然而當頻率趨于無窮大時輻射的能量也因此趨于無窮大，瑞利注意到了這種情形的荒謬性并試圖對公式加以修正。1905年，詹姆斯·金斯爵士發現了瑞利公式中系數的錯誤，修正后這個公式被稱作瑞利-金斯定律，代表了能量均分定理應用于黑體輻射的結果。由于麥克斯韋、玻爾茲曼和瑞利等人對能量均分定理正確性的維護，瑞利-金斯定律在紫外區域發散的情形對經典物理學而言是不可理解的，這被奧地利物理學家保羅·埃倫費斯特于1911年稱作所謂“紫外災變”。紫外災變是二十世紀之初物理學的又一朵烏云，它的存在預示著能量均分定理并非永遠成立，而普朗克的能量量子化假設則為二十世紀物理學的另一大支柱——量子力學的建立開創了先河。
亨德里克·安東·洛倫茲
邁克耳孫-莫雷實驗對以太風觀測的零結果表明，或許所有有關以太的理論需要修改，例如像洛倫茲那樣引入長度收縮因子，這樣會帶來一系列的修補工作；或者認為以太存在的理論根本就不成立。其實早在1865年麥克斯韋就已經證明電磁波傳播速度只和介質有關，1890年赫茲在研究電磁理論時也得出了電磁波波速與波源速度無關的結論。然而，這個結論顯然是不符合伽利略變換的，這說明對于運動中的物體需要一種新的電動力學。洛倫茲曾經在維持以太存在性的前提下發展過這樣一種電磁理論，這被稱作。在這一理論中，以太和其他物質被嚴格區分開，以太是絕對靜止的，這也是牛頓的絕對時空觀的反映；然而有別于機械觀的以太，洛倫茲的以太是一種“”：洛倫茲假設電磁場是以太狀態的體現，但他對此沒有做更多的解釋。洛倫茲用這一理論解釋了塞曼效應，為此獲得了1902年的諾貝爾物理學獎。1895年，洛倫茲給出了長度收縮的假設，并通過他的相關態定理提出了所謂“本地時”的概念，運用這一概念他解釋了光行差現象、多普勒頻移和斐索流水實驗。相關態定理是說相對于以太運動的觀察者在他的參考系中觀測到的物理現象應當和靜止坐標系中的觀察者看到的是相同的。本地時的概念在數學上相當于狹義相對論中的相對同時概念，但在洛倫茲的理論中它只是一種數學上的輔助工具，沒有實在的物理意義。同一年，洛倫茲引入了一組適用于麥克斯韋電磁理論在相對以太運動的坐標系中時空變換的方程，即洛倫茲變換，并於1899年和1904年對洛倫茲變換進行了補充和修正，他1904年的論文《以任意小于光速的系統中的電磁現象》給出的洛倫茲變換已經非常接近於現代的定義。
法國數學家、科學家昂利·龐加萊一直是洛倫茲觀點的闡釋者及批判者，1900年他對洛倫茲的本地時概念的起源作出了具有物理意義的解釋，即本地時來自不同坐標系間通過光速進行的時鐘同步，這就是狹義相對論中同時性的相對性的概念。1904年龐加萊在獨立于愛因斯坦工作的情形下提出了相對性原理：任何力學和電磁學實驗都不能區分靜止和勻速運動的任何慣性參考系，這條原理后來成為狹義相對論的兩條基本原理之一。1905年6月5日，龐加萊在給洛倫茲的信中證明了洛倫茲於1904年論文中給出的電磁方程組不是洛倫茲協變的，并重新修正了洛倫茲變換的方程。龐加萊的這一組方程正是沿用至今的洛倫茲變換形式，也正是龐加萊此時首次將這一組方程命名為洛倫茲變換。
他證明了洛倫茲變換是最小作用量原理的一個推論，并用群論的語言描述了洛倫茲變換，即洛倫茲群，這些內容都包含在他於1906年1月發表的論文《論電子的動力學》中。愛因斯坦將洛倫茲和龐加萊稱作相對論的先驅，他指出在他之前“洛倫茲已經認識到這種以他名字命名的變換對分析麥克斯韋方程組的重要作用，而龐加萊則做出了更深入的研究……”。
德國猶太物理學家阿爾伯特·愛因斯坦於1900年畢業于蘇黎世聯邦理工學院，而后於1901年獲瑞士國籍。愛因斯坦首先在各種對以太風觀測的零結果中猜想到以太的不存在性，并在對洛倫茲和龐加萊的理論的研究中發現了運動物體的電動力學導致的光速不變性與原本的速度疊加原理的矛盾。對于這一矛盾，愛因斯坦聲稱是其好友米歇爾·貝索幫助他領悟到了解決方案，即同時性的相對性。1905年6月30日，愛因斯坦完成了劃時代的著名論文：《論運動物體的電動力學》，并發表在同年9月的《物理年鑒》上。在這篇論文中，愛因斯坦開頭便指出了麥克斯韋電磁理論應用于運動物體時表現出的內在不對稱性（引用了一個著名的理想實驗——移動中的磁鐵與導體問題來說明），為同時性下了新的定義，從而引出了他的狹義相對論理論，這一理論基于兩個基本公設（原文用詞為“原理”）：
第一條公設也就相當于龐加萊的相對性原理，第二條公設來自于從麥克斯韋理論推出的光速不變原理。愛因斯坦首先從這兩條基本原理出發，從而可以推導出電動力學中坐標系的變換法則，即洛倫茲變換（這有別于洛倫茲首先從坐標變換規律出發的方法）。在洛倫茲變換的基礎上，愛因斯坦很自然地在論文的動力學部分中推導出長度收縮、時間膨脹、速度的合成等新的物理概念。在電動力學部分中，愛因斯坦描述了麥克斯韋-赫茲方程組在洛倫茲變換下的形式，并應用狹義相對論解釋了多普勒頻移和光行差現象，以及加速電子的動力學。其中在有關加速電子的章節中，愛因斯坦得到了運動電子的相對論動能公式。同年11月，愛因斯坦在另一篇論文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》中闡述了狹義相對論中的質能等價關系，從此提出有別于經典能量的“靜止能量”的概念。
值得注意的是，《論運動物體的電動力學》沒有引用其他任何參考文獻，于是人們因此關注愛因斯坦在創立相對論時到底受到了哪些啟發。愛因斯坦本人聲稱他的思想受到了經驗主義哲學家大衛·休謨和恩斯特·馬赫的影響。其他影響愛因斯坦發展狹義相對論的物理研究應該還包括龐加萊的相對性原理、運動的磁體和導體問題、各種對以太風觀測實驗的否定結果——然而，愛因斯坦否認了其中最重要的實驗，即邁克耳孫-莫雷實驗對他產生過任何重要影響。其他可能的參考來源還有龐加萊描述相對性原理的《科學與假說》，以及的著作，愛因斯坦從中借用了“麥克斯韋-赫茲方程組”和“縱向和橫向質量”等詞匯。根據他對于電動力學和光速不變原理的觀點，愛因斯坦認為洛倫茲在1895年的理論（所謂麥克斯韋-洛倫茲電動力學）和斐索流水實驗對他的思想產生過相當大的影響。1909年和1912年愛因斯坦兩次敘述說他曾借用過洛倫茲的靜止以太理論中的原理（意味著承認麥克斯韋方程組在以太系下的正確性以及光速不變），但他發現如果同時假設光速不變和相對性原理，則以太的概念是沒有用的。根據他1907年及其后續論文，這兩個原理看似矛盾之處是可以被解決的，方法就是不再將洛倫茲的本地時概念看作一個數學上的輔助參量，而是當作與信號速度有關的具有物理實在的時間。如前所述，龐加萊在獨立于愛因斯坦工作的情形下也得到了本地時的類似物理解釋，并且也和信號速度有關；然而他的不足之處在于仍然堅持認為在以太中的時間才是真正的時間，相對以太運動的時鐘指示的是表象的時間。愛因斯坦在1953年回憶狹義相對論的發展時曾說：“對我而言，我當時只了解洛倫茲於1895年的工作……而并不清楚他之后的工作，也不清楚龐加萊的后續研究。從這個意義上說，我在1905年的工作是獨立完成的……”。即使承認了洛倫茲、龐加萊和馬赫等人為狹義相對論的創立做出了重要鋪墊工作，但正如愛因斯坦所言，他在狹義相對論中無與倫比的突出貢獻是建立了麥克斯韋方程組和洛倫茲變換兩者之間的內在聯系，并認識到在狹義相對論的框架下“洛倫茲不變性是任何物理定律都普遍具有的時空本性”。
沃爾特·考夫曼
早期的物理學界對相對論一直持懷疑態度，即使到了1921年愛因斯坦獲諾貝爾獎的原因仍然并非由于相對論的建立。相對論最初的支持者大多來自愛因斯坦的故鄉德國：最早引用愛因斯坦工作的物理學家可能是德國實驗物理學家沃爾特·考夫曼，他在1905年至1906年間比較了洛倫茲和愛因斯坦的理論，并稱自己更偏好愛因斯坦的觀點，但他又認為這兩種理論在觀測上是等價的。從而他將相對性原理稱作“洛倫茲-愛因斯坦”的基本假設，而“洛倫茲-愛因斯坦理論”這一名稱也被其他人使用過數年之久。馬克斯·普朗克也隨后發表了他的第一篇有關相對論的論文，其中他將愛因斯坦的理論看作是洛倫茲理論的推廣。據研究表明，普朗克在1906年曾使用詞語“相對性理論”（，這一名稱是相對亞伯拉罕的“球體理論”而言的）和“洛倫茲-愛因斯坦理論”并稱狹義相對論。愛因斯坦本人及其他一些人的稱法是“相對性原理”，很長一段時間里這些不同的稱呼被不同的物理學家交替使用著。
1906年考夫曼發表了他對加速電子荷質比測量的實驗結果（即質量與速度的相關性），這一結果清楚地顯示了和相對性原理及洛倫茲-愛因斯坦理論的相違背，卻反而支持了亞伯拉罕理論。在這以后幾年里，這一實驗都被看作是反對狹義相對論的有力佐證，而洛倫茲對這一實驗結果感到非常失望。然而德國物理學家（1908年）等人的其后類似實驗都支持洛倫茲-愛因斯坦理論，反對亞伯拉罕的理論。不過，后來有人指出所有以上提到的實驗精度都不足以測量出洛倫茲-愛因斯坦理論和亞伯拉罕理論的區別，因此直到二十世紀四十年代更精確的實驗結果得出后才真正顯示出狹義相對論的正確性。
愛因斯坦於1907年發表了論文《關于相對性原理和由此得出的結論》，這篇論文標志著他對建立一個基于狹義相對論基礎的引力理論的漫長探索的開始。愛因斯坦試圖將牛頓萬有引力定律加以修改得能夠與狹義相對論互相融合．初步結果顯示這方向可行，然而，愛因斯坦並不滿意，因其中涉及到一些尚未建立的假說。有一天，他坐在他喜好的椅子上思考問題時，忽然靈機一動，「假若一個人自由地墜落，他必不會感覺到自己的重量。」他後來描述這是他一生最快樂的思維，其賦予他深刻的印象，激勵他繼續發展出合理的引力理論。愛因斯坦在這篇論文中將弱等效原理擴展為愛因斯坦等效原理：“在足夠小的時空區域中物理定律約化成狹義相對論中的形式；而且沒有任何局域實驗能夠探測到周圍引力場的存在。”既然非慣性系等價于引力場，愛因斯坦從而將狹義相對論中的相對性原理也做了推廣：在狹義相對論中所有的慣性系都是平權的，物理定律形式不變；但在新的理論中，所有的參考系都是平權的，物理定律形式不會因慣性系或非慣性系而改變，這一推廣的相對性原理被稱作廣義相對性原理。
馬塞爾·格羅斯曼
雖然認識到了狹義相對論需要推廣為廣義相對論，并確立了兩條基本原理，愛因斯坦仍然為探索這一新理論研究了八年之久（1907年至1915年）。這期間他面臨的一個主要問題是缺乏有效的數學工具，直到1913年他在德國數學家馬塞爾·格羅斯曼的幫助下發表了一篇突破性的論文：《廣義相對論和引力理論綱要》，題目標注了物理部分作者為愛因斯坦，數學部分作者為格羅斯曼。這篇論文中原來單一的牛頓標量引力場被一個具有十個分量的四階對稱黎曼張量引力場替代，從此物理學中的時空不再是平直的，而成為了在全局上具有曲率但在局部平直的黎曼流形。1914年，愛因斯坦發表了《廣義相對論正式基礎》，其中他得到了廣義相對論中描述粒子運動的方程：測地線方程，并籍此推導了引力場中的光線偏折和引力紅移的結果（此次得出的光線偏折結果并不正確，而愛因斯坦曾于1907年用等效方法推導出引力紅移）。1915年11月，愛因斯坦發表了他最終推導出引力場方程的四篇論文，其中《用廣義相對論解釋水星近日點運動》證明了廣義相對論能夠解釋自1859年以來困擾天文學家的水星的反常進動現象，而《引力場方程》則正式給出了描述引力場和物質相互作用的愛因斯坦引力場方程。
亞瑟·斯坦利·愛丁頓爵士
廣義相對論創立之初還沒有一個穩固的實驗觀測基礎來證實，愛因斯坦本人提出過三種驗證廣義相對論的實驗方法，分別為水星軌道的近日點進動、太陽引力場中的光線偏折和光波的引力紅移。在當時只有第一種方法是很早就被觀測到的現象：1859年法國天文學家勒維耶就發現水星的實際軌道進動與預期的并不十分相符，即使考慮到太陽系中其他行星的影響，實際的進動速度還是要比經典力學所預言的稍快一點（根據西蒙·紐康在1882年的計算，這個差值大約為每世紀43弧度秒）。在很長時間內這個原因都得不到合理的解釋，經典的假說包括行星際塵埃、太陽本身未被觀測到的橢球性、水星未被觀測到的衛星、水內小行星的存在，甚至有人猜測牛頓的萬有引力定律并非嚴格的平方反比律，但這些假說都沒能獲得成功。1915年，愛因斯坦在論文《用廣義相對論解釋水星近日點運動》中計算了水星在太陽引力場中的軌道進動并推導出了進動的角位移公式，所得的理論數值完全符合紐康的結果。
愛丁頓於1919年為驗證廣義相對論拍攝的日全食底片
1911年愛因斯坦在論文《論引力對光的傳播的影響》中提出光線在太陽附近經過時會因太陽引力場的作用導致傳播方向發生偏折，不過直到1915年他才給出正確計算得出的偏折角度。當時正值第一次世界大戰期間，英國與德國之間的學術交流也由此中斷。所幸的是，英國天體物理學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓爵士當時在英國皇家天文學會任秘書一職，他通過來自荷蘭物理學家威廉·德西特的論文和書信成為了第一個了解廣義相對論的英國人。愛丁頓在當時是為數不多的具有良好數學功底從而能理解廣義相對論的天文學家，也因為他是當時為數不多的國際主義者和和平主義者，這都使得他有興趣去了解一名德國物理學家的理論。很快，愛丁頓成為了廣義相對論在英國的主要支持者和推廣者。戰后，愛丁頓於1919年5月29日前往西非幾內亞灣的普林西比島觀測日全食。日全食發生時他對太陽附近的恒星進行拍攝，由于光線在引力場中會發生偏折，拍攝到的恒星位置將會發生偏移。愛丁頓指出牛頓理論預言的偏移量將只有愛因斯坦理論所預言偏移量的一半，他的測量結果表明是支持愛因斯坦理論的。次年愛丁頓將這一結果發表并肯定了愛因斯坦的理論，這一發現隨后被全球報紙競相報導，一時間使愛因斯坦和廣義相對論名聲赫赫，有報道甚至撰文稱“發現了一個新宇宙”。
1925年美國威爾遜山天文臺的沃爾特·亞當斯對天狼星的伴星天狼B譜線的觀測表明，譜線的頻移基本符合廣義相對論所預言的引力紅移值。1959年的利用穆斯堡爾效應測定的引力紅移值和理論值相差不超過5%。此后廣義相對論又產生了更多的實驗驗證方法，但那是二十世紀六十年代以后，天體物理學和宇宙學進入了所謂廣義相對論的黃金時代之后的事，這部分內容詳見下文當代天體物理學和宇宙學兩節。
1900年普朗克在黑體輻射研究中的能量量子化假說是量子理論建立的前奏。盡管在最初的思考中普朗克并不贊同玻爾茲曼的統計理論，但由于他發現無法通過經典的熱力學定律來導出輻射定律，他不得不轉而嘗試統計規律，其結果就是普朗克黑體輻射定律。同時普朗克還計算得到了公式中的普適常數，即普朗克常數。然而即使如此，普朗克的能量量子化假說最初也未得到應有的重視，在當時的物理學界看來，將能量與頻率聯系起來（即）是一件很不可理解的事，連普朗克本人對量子化也深感懷疑，他仍然試圖尋找用經典手段解決問題的辦法。
1905年，愛因斯坦在他的革命性論文《關于光的產生和轉變的一個啟發試探性的觀點》中秉承了普朗克的能量量子化假說，提出了光量子的概念。在愛因斯坦看來，將光看作是一份份不連續的能量子將有助于理解一些電磁理論無法理解的現象：
如前所述，這里提到的陰極射線正是光電效應所產生的電流。愛因斯坦進一步將光量子概念應用到光電效應的解釋中，并提出了描述入射光量子能量與逸出電子能量之間關系的愛因斯坦光電方程。雖然這一理論在1905年就已提出，真正通過實驗驗證則是美國物理學家羅伯特·密立根在1916年才完成的。密立根的光電效應實驗測量了愛因斯坦所預言的遏制電壓和頻率的關系，其曲線斜率正是普朗克在1900年計算得到的普朗克常數，從而“第一次判決性地證明了”愛因斯坦光量子理論的正確。不過，密立根最初的實驗動機恰恰相反，其本人和當時大多數人一樣，對量子理論持相當大的保守態度。
1906年，愛因斯坦將普朗克定律應用于固體中的原子振動模型，他假設所有原子都以同一頻率振動，并且每個原子有三個自由度，從而可求和得到所有原子振動的內能。將這個總能量對溫度求導數就可得到固體熱容的表達式，這一固體熱容模型從而被稱作愛因斯坦模型。這些內容發表於1907年的論文《普朗克的輻射理論和比熱容理論》中。
1903年，長岡半太郎最早發展出原子的準行星模型，稱為半太郎土星模型。他認為，原子是由一個位於中心帶正電的大圓球與上百個環繞在四周帶負電的電子所組成，這些電子被靜電力穩定束縛於原子內部，就如同由很多小顆粒物質組成的土星環因重力而穩定環繞於土星四周。半太郎聲稱，原子光譜應該直接與電子的軌道頻率有關，而原子的放射性行為是因為偶而發生的土星環崩潰導致電子從原子裡被射出。然而，半太郎模型的種種理論預測不符合實驗結果。另外，辦太郎模型的電子軌道，對於垂直於轉動平面的震盪，無法維持穩定性。這穩定性問題最終促使長岡半太郎在1908年放棄這模型。
1908年至1909年間，歐內斯特·盧瑟福在研究α粒子散射的過程中發現了α粒子的大角度散射現象，從而猜想原子內部存在一個強電場。其后他於1911年發表了論文《物質對α、β粒子的散射和原子構造》，通過散射實驗的結果提出了全新的原子結構模型，稱為盧瑟福模型：正電荷集中在原子中心，即原子中心存在原子核，在原子核的四周是帶負電的電子雲。從拉塞福模型，拉塞福推導出散射公式，其預測與實驗結果相符合。然而，在拉塞福散射實驗裡，主角是原子核，而電子並不重要，因此拉塞福不能無憑無據地給出原子的電子組態，也無法用這模型對於化學結合、元素列表、原子光譜給出解釋。儘管拉塞福模型並不完備，它為後來的波耳模型奠定了良好的基礎。
1912年至1913年間，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾指出，原子的穩定性問題不能在經典電動力學的框架下解決，而唯有依靠量子化的方法。玻爾從氫原子光譜的巴耳末公式和約翰尼斯·斯塔克的價電子躍遷輻射等概念受到啟發，對圍繞原子核運動的電子軌道進行了量子化，而原子核和電子之間的動力學則依然遵守經典力學，因此一般來說玻爾模型是一種半經典理論。這些內容發表在他1913年的著名三部曲論文《論原子構造和分子構造》中。論文中他建立了一個電子軌道量子化的氫原子模型，這一模型是基于兩條假設之上的：
阿諾·索末菲
這一模型良好地描述了氫原子光譜的規律，并且和實驗觀測值相當符合。此外，玻爾還從對應原理出發，將電子軌道角動量也進行了量子化，并給出了電子能量、角頻率和軌道半徑的量子化公式。玻爾模型在解釋氫原子的發射和吸收光譜中取得了重大成功，是量子理論發展的重要里程碑。
不過，玻爾模型只能解釋氫原子光譜，對其他稍復雜的原子光譜就毫無辦法，它創立之時人們還沒有自旋的概念，從而玻爾模型無法解釋原子譜線的塞曼效應和精細結構；玻爾模型也無法說明電子在兩條軌道之間躍遷的過程中到底是處于一種什么狀態。泡利批評這為“糟糕的躍遷”。
德國物理學家阿諾·索末菲在1914年至1915年間發展了玻爾理論，他提出了電子橢圓軌道的量子化條件，從而將開普勒運動納入到量子化的玻爾理論中并提出了空間量子化概念，他還給量子化公式添加了狹義相對論的修正項。索末菲的量子化模型很好地解釋了正常塞曼效應、斯塔克效應和原子譜線的精細結構，他的理論收錄在他在1919年出版的《原子結構與光譜線》一書中。索末菲在玻爾模型的基礎上給出了更一般化的量子化條件：，這一條件被稱作舊量子條件或威耳遜-索末菲量子化定則，與之相關聯的理論是埃倫費斯特指出的被量子化的物理量是一個絕熱不變量。
1905年愛因斯坦對電磁輻射的能量進行量子化從而提出了光量子的概念，但此時的光量子只是能量不連續性的一種體現，還不具有真實的粒子概念。1909年，愛因斯坦發表了《論我們關于輻射的本性和組成的觀點的發展》，在這篇發言兼論文中愛因斯坦證明了如果普朗克黑體輻射定律成立，則光子必須攜帶有動量并應被當作粒子對待，同時還指出電磁輻射必須同時具有波動性和粒子性兩種自然屬性，這被稱作波粒二象性。1917年，愛因斯坦在《論輻射的量子理論》中更深入地討論了輻射的量子特性，他指出輻射具有兩種基本方式：自發輻射和受激輻射，并建立了一整套描述原子輻射和電磁波吸收過程的量子理論，這不但成為五十年后激光技術的理論基礎，還促成了現代物理學中迄今最精確的理論——量子電動力學的誕生。1923年，美國物理學家阿瑟·康普頓在研究X射線被自由電子散射的情況中發現X射線出現能量降低而波長變長的現象，他用愛因斯坦的光量子論解釋了這一現象并於同年發表了《X射線受輕元素散射的量子理論》。康普頓效應從而成為了光子存在的論斷性證明，它證明了光子攜帶有動量，愛因斯坦在1924年的短評《康普頓實驗》中高度評價了康普頓的工作。
1923年，法國物理學家路易·德布羅意在光的波粒二象性，以及布里淵為解釋玻爾氫原子定態軌道所提出的電子駐波假說的啟發下，開始了對電子波動性的探索。他提出了實物粒子同樣也具有波粒二象性的假說，對電子而言，電子軌道的周長應當是電子對應的所謂“位相波”波長的整數倍。德布羅意在他的博士論文中闡述了這一理論，但他同時認為他的電子波動性理論所描述的波的概念“像光量子的概念一樣，只是一種解釋”，因此真正的粒子的波函數的概念是等到薛定諤建立波動力學之后才完備的。另外，德布羅意在論文中也并沒有明確給出物質波的波長公式，雖然這一想法已經反映在他的內容中。德布羅意的博士論文被愛因斯坦看到后得到了很大的贊許，愛因斯坦并向物理學界廣泛介紹了德布羅意的工作。這項工作被認為是統一了物質粒子和光的理論，揭開了波動力學的序幕。1927年，貝爾實驗室的克林頓·戴維孫和雷斯特·革末進行了著名的戴維孫-革末實驗，他們將低速電子射入鎳晶體，觀測每一個角度上被散射的電子強度，所得的衍射圖案與布拉格預測的X射線的衍射圖案相同，這是電子也會像波一樣發生衍射的確鑿證明。特別地，他們發現對于具有特定能量的入射電子，在對應的散射角度上散射最明顯，而從布拉格光柵衍射公式得到的衍射波長恰巧等于實驗中具有對應能量電子的德布羅意波長。
有別于舊量子論的現代量子力學的誕生，是以1925年德國物理學家維爾納·海森堡建立矩陣力學和奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤建立波動力學和非相對論性的薛定諤方程，從而推廣了德布羅意的物質波理論為標志的。矩陣力學是第一個完備且被正確定義的量子力學理論，通過將粒子的物理量闡釋為隨時間演化的矩陣，它能夠解釋玻爾模型所無法理解的躍遷等問題。矩陣力學的創始人是海森堡，另外他的德國同胞馬克斯·玻恩和帕斯庫爾·約當也做出了重要工作。
1924年，23歲的海森堡還只是哥廷根大學未取得終身教職的一名年輕教師，他於同年九月應玻爾的邀請來到哥本哈根進行六個月的交流訪問，此間海森堡受到了玻爾和他的學生漢斯·克喇末等人的深刻影響。1925年海森堡回到哥廷根，在五月之前他的工作一直是致力于計算氫原子譜線并試圖只采用可觀察量來描述原子系統。同年六月為了躲避鼻炎的流行，海森堡前往位于北海東部并且沒有花粉侵擾的黑爾戈蘭島。在那里他一邊品味歌德的抒情詩集，一邊思考著光譜的問題，并最終意識到引入不可對易的可觀察量或許可以解決這個問題。其后他在回憶中寫道：“當時正是凌晨三點，最終的計算結果即將出現在我面前，起初這讓我深深震撼了。我非常興奮以至于無法考慮睡覺的事，于是我離開房間前往巖石的頂端等待朝陽。”回到哥廷根后，海森堡將他的計算遞交給沃爾夫岡·泡利和馬克斯·玻恩評判，他對泡利附加評論說：“所有內容對我來說都還很不清楚，但似乎電子不應當在軌道上運動了”。在海森堡的理論中，電子不再具有明確的軌道，他從而意識到電子的躍遷幾率并不是一個經典量，因為在描述躍遷的傅里葉級數中只有頻率是可觀察量。他用一個系數矩陣取代了經典的傅里葉級數，在經典理論中傅里葉系數表征著輻射的強度，而在矩陣力學中表征強度的則是位置算符的矩陣元的大小。海森堡理論的數學形式中系統的哈密頓量是位置和動量的函數，但它們不再具有經典力學中的定義，而是由一組二階（代表著過程的初態和終態）傅里葉系數的矩陣給出。玻恩在閱讀海森堡的理論時，發現這一數學形式可以用系統化的矩陣方法來描述，這一理論從而被稱作矩陣力學。于是玻恩和他的助手約爾當一起發展了這種理論的嚴謹數學形式，他們的論文在海森堡的論文發表六十天后也公布于眾。同年11月16日，玻恩、海森堡和約爾當三人又聯合發表了一篇后續論文，論文將情形推廣到多自由度及含有簡并、定態微擾和含時微擾，全面闡述了矩陣力學的基本原理：
#所有的可觀察量都可用一個厄米矩陣表示，一個系統的哈密頓量是廣義坐標矩陣和與之共軛的廣義動量矩陣的函數。
#可觀察量的觀測值是厄米矩陣的本征值，系統能量是哈密頓量的本征值。
#廣義坐標和廣義動量滿足正則對易關系（強量子條件）。
#躍遷頻率滿足頻率條件。
如上所述，海森堡的矩陣力學所基于的觀念是，電子本身的運動是無法觀測的，例如在躍遷中只有頻率是可觀察量，只有可觀察量才可被引入物理理論中。因此如果不能設計一個實驗來準確觀測電子的位置或動量，則談論一個電子運動的位置或動量是沒有意義的。1927年，海森堡從位置和動量的共軛對易關系推導出了兩者的不確定性之間的關系，這被稱作不確定性原理。海森堡設想了一個理想實驗，即著名的海森堡顯微鏡實驗，來說明電子位置和動量的不確定性關係；以及通過斯特恩-蓋拉赫實驗來說明自旋的幾個正交分量彼此之間的不確定性關係。不過，玻爾雖然對海森堡的不確定性原理表示贊同，卻否定了他的理想實驗。玻爾認為不確定性原理其實是波粒二象性的體現，但實驗觀測中只能展示出粒子性或波動性兩者之一，即不可能同時觀測到電子的粒子性和波動性，這被玻爾稱作互補原理。海森堡的不確定性原理、玻爾的互補原理和波恩的波函數統計詮釋以及相關聯的量子觀念，構成了被當今物理學界最為認可的量子力學思想——哥本哈根詮釋。
1925年，在蘇黎世大學擔任教授的埃爾溫·薛定諤讀到了德布羅意有關物質波理論的博士論文，薛定諤本人又受愛因斯坦波粒二象性等思想的影響頗深，他從而決定建立一個描述電子波動行為的波方程。當時由于人們還不十分理解電子自旋這一量子力學中最大的相對論效應，薛定諤還無法將波動方程納入狹義相對論的框架中，他從而試圖建立了一個非相對論性的波方程。1926年1月至6月間，薛定諤發表了四篇都名為《量子化就是本征值問題》的論文，詳細論述了非相對論性電子的波動方程、電子的波函數以及相應的本征值（量子數）。哈密頓曾認為力學是波動理論在波長為零時的極限情形，而薛定諤正是受此引導發展了這一觀念，他將哈密頓力學中的哈密頓-雅可比方程應用于愛因斯坦的光量子理論和德布羅意的物質波理論，利用變分法得到了非相對論量子力學的基本方程——薛定諤方程。
薛定諤發現這個定態方程的能量本征值正對應著氫原子的能級公式，由此他得出，量子化條件是不需要像玻爾和索末菲那樣人為引入的，它可以很自然地從本征值問題推出。在三維球坐標系下將薛定諤方程應用于氫原子可以得到三個量子化條件：軌道量子數（決定電子的能級）、角量子數（決定電子的軌道角動量）和磁量子數（決定電子在垂直方向的磁矩）。在其后的論文中，他分別討論了含時的薛定諤方程、諧振子、微擾理論，并應用這些理論解釋了斯塔克效應和色散等問題。薛定諤把自己的理論稱作波動力學，這成為了現代量子力學的另一種形式。特別是，薛定諤的理論是以一個偏微分方程為基礎的，這種波動方程對人們而言相當熟悉，相比之下海森堡的矩陣力學所采用的數學形式則不那么易懂（在海森堡的理論之前，矩陣只是數學家的玩具，從未被引入任何物理理論中）。因此一開始波動力學比矩陣力學要更受科學界的青睞，愛因斯坦、埃倫費斯特等人對薛定諤的工作都非常贊賞。直到1926年薛定諤在研究海森堡的理論之后，發表了《論海森堡、玻恩與約爾當和我的量子力學之間的關系》，證明了兩種理論的等價性；不過，對當時大多數的物理學家而言，波動力學中數學的簡明性仍然是顯而易見的。
波動力學建立后，人們還一直不清楚波函數的物理意義，薛定諤本人也只能認為波函數代表著粒子波動性的振幅，而粒子則是多個波函數所構成的波包（所謂電子云模型）。1926年，玻恩在愛因斯坦光量子理論中光波振幅正比于光量子的幾率密度這一觀點的啟發下，聯系到量子力學中的散射理論，提出了波函數的統計詮釋：波函數是一種幾率波，它的振幅的平方正比于粒子出現的幾率密度，并且波函數在全空間的積分是歸一的。玻恩由于波函數的統計詮釋獲得了1954年的諾貝爾物理學獎。
1921年，德國物理學家阿爾弗雷德·朗德指出反常塞曼效應意味著電子的磁量子數只能為半整數。1924年，奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利提出這個半整數代表著電子的第四個自由度，并在此基礎上提出了泡利不相容原理。泡利最初未能對這第四個自由度的物理意義作出解釋，但其后美國物理學家拉爾夫·克羅尼格提出這個自由度可以看作是電子的一種內稟角動量，相當于電子在沿自己的軸旋轉，然而泡利對此不以為然，他很反對將這種經典力學模型引入量子力學中。不過僅半年后，埃倫費斯特的兩個學生：烏倫貝克和古茲米特再次提出了類似的自旋假說，兩人在埃倫費斯特的推薦下投稿給《自然》雜志。盡管洛倫茲從這種假說得出電子-{表面}-速度將遠遠大于光速，但其后由于玻爾、海森堡和英國物理學家等人在相對論力學下的計算都支持這一理論，海森堡和約爾當用矩陣對自旋做了充分的描述，自旋模型最終得到了充分肯定。不過，泡利始終反對這種“電子自轉”的經典模型，而他最終也真正做到了將電子自旋和自轉嚴格區別：自旋并不是電子做的經典的自轉，它應當理解為電子的一種內稟屬性，這種屬性被泡利用量子化的矩陣來描述。泡利后來將自旋的概念引入薛定諤方程中，得到了在外加電磁場作用下考慮電子自旋的量子力學波動方程，即泡利方程。
1928年，英國物理學家保羅·狄拉克在泡利方程的基礎上，試圖建立一個滿足洛倫茲協變性并能夠描述自旋為1/2粒子的薛定諤方程，這么做的部分動機也是試圖解決描述自旋為零的相對論性波方程——克萊因-戈爾登方程所出現的負值概率密度和負能量的問題。狄拉克考慮到薛定諤方程只含對時間的一階導數而不具有洛倫茲協變性，他從而引入了一組對空間的一階導數的線性疊加，這組疊加的系數是滿足洛倫茲協變性的矩陣。由于系數是矩陣，則原有的波函數必須改為矢量函數，狄拉克將這些矢量函數稱作旋量。如此得到的波動方程被稱作狄拉克方程，它成為了相對論量子力學的基本方程，同時它在量子場論中也是描述自旋為1/2粒子（夸克和輕子）的基本旋量場方程。在此項工作中狄拉克首創了“量子電動力學”一詞，他從而被看作是量子電動力學的創始人。狄拉克發現，雖然旋量的概率密度可以保證為正值，方程的本征值卻仍然會出現負能量。在理論上如果電子可以擁有能級低至靜止能量負值的負能量態，則所有的電子都能通過輻射光子而躍遷到這一能級，狄拉克由此推算出在這種情形下整個宇宙會在一百億分之一秒內毀滅。狄拉克對這一問題的解釋是著名的狄拉克之海：真空中排滿了具有負能量的電子，在泡利不相容原理的制約下正能量的電子無法躍遷到負能量態。同時，狄拉克還由此提出了反電子的存在，它同時具有負能量態電子的所有相反屬性，即具有正能量和正電荷。1932年狄拉克關于反物質存在的預言通過美國物理學家卡爾·安德森使用宇宙射線制造出正電子的實驗得到了證實。
1930年，狄拉克出版了他的量子力學著作《量子力學原理》，這是整個科學史上的一部里程碑之作，至今仍然是流行的量子力學教材之一。狄拉克在這部著作中將海森堡的矩陣力學和薛定諤的波動力學統一成同一種數學表達：
#用相空間中的厄米算符來表示可觀察量，并用希爾伯特空間中的矢量來表示系統的量子態。
#對可觀察量而言，厄米算符的本征態構成一個正交歸一的完備坐標系，所有可觀察量的測量值都是厄米算符的本征值，對系統的測量會導致系統的波函數坍縮到對應的本征態。
#共軛算符之間滿足正則對易關系，從而可得到不確定性原理。
#量子態隨時間的動力學演化可由含時的薛定諤方程描述（薛定諤繪景），算符隨時間的動力學演化可由類似的海森堡方程描述（海森堡繪景），這兩者是等價的。
1939年狄拉克引入了他的數學符號系統——狄拉克符號，并應用到《量子力學原理》中。直到今天，狄拉克符號仍然是最廣泛使用的一套量子力學符號系統。
玻爾和愛因斯坦在埃倫費斯特的家中（1925年）
玻爾、海森堡等人建立哥本哈根詮釋之后，立刻遭到了以愛因斯坦為首的一批物理學家的反對。愛因斯坦非常反對哥本哈根學派所作出的波函數的詮釋、不確定性原理以及互補原理等觀點。在愛因斯坦看來，電子的這種“自由意志”行為是違反他所鐘愛的因果律的，他從而認為波函數只能反映一個系綜的粒子的量子行為，而不像是玻爾所說的一個粒子的行為。這種矛盾引發了分別以玻爾和愛因斯坦為代表的兩種學說的論戰，時間長達半個多世紀之久。
1927年第五次索爾維會議
1927年的第五次索爾維會議上雙方爆發了公開的論戰。德布羅意在會中發表了他原創的導航波理論，其可以對於波函數的統計詮釋給出另一種替代詮釋，然而這理論遭到玻爾與薛丁格等人大肆抨擊。德布羅意因此期望愛因斯坦給予支持，但是愛因斯坦選擇保持沉默。其后玻恩和海森堡發表了他們關于矩陣力學與的觀點，并在最后陳述說：“我們主張，量子力學是一種完備的理論，它的基本物理假說和數學假設是不能進一步被修改的。”愛因斯坦除了對於統計詮釋發表一些簡單的反對意見以外，並沒有在會議中發表甚麼意見，但在住宿旅館的餐廳裡，他與玻爾等人進行了多次激盪的研討，愛因斯坦提出一個理想實驗：愛因斯坦狹縫，用來質疑位置-動量不確定性原理的正確性。后來玻爾和海森堡等人對愛因斯坦的理想實驗做了批判，但愛因斯坦并沒有因此改變自己的觀點。于是在三年后的第六次索爾維會議上，愛因斯坦再次提出了另一個理想實驗：愛因斯坦光盒，用來說明時間-能量不確定性原理的不正確。這一理想實驗起初讓玻爾非常困擾，但經過一天的思索，他發現愛因斯坦忽略了測量時的廣義相對論效應導致的時間不確定性，從而不確定性原理仍然成立。
兩次挑戰不確定性原理的失敗嘗試，迫使愛因斯坦認識到量子力學理論本身是自洽的，他從而轉向討論量子力學的完備性。1935年愛因斯坦和美國物理學家鮑里斯·波多爾斯基、納森·羅森聯合發表了論文《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎？》，提出量子力學對物理實在的描述是不完備的。為了說明這一點，他們提出了一個著名的理想實驗：愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬（也稱作EPR佯謬）并從這個實驗得到結論：或者，在量子力學中波函數對物理實在的描述是不完備的；或者，兩個對應于不可對易算符的物理量不能同時是實在的。而后他們通過分析指出，如果否定第一點則也必須否定第二點，從而波函數對物理實在的描述是不完備的。不過在玻爾看來，從實證主義的意義上說這種佯謬根本不成立，因為哥本哈根學派認為只有可觀測才意味著物理實在。盡管如此，愛因斯坦和玻爾兩個人終生都沒有被對方說服。同年，愛因斯坦和薛定諤就EPR佯謬在書信中交換了意見。薛定諤為了進一步顯示量子力學的不完備性，將量子力學應用到宏觀效應中，從而構思了著名的薛定諤貓思想實驗。1953年，英國物理學家大衛·玻姆同樣認為哥本哈根詮釋對物理實在的解釋是不完備的，需要附加的參量來描述，他從而提出隱變量理論
《起世經》，又稱《起世因本經》，為佛陀解說宇宙形成、發展、組織和滅亡的經書。
《起世經》分十二品，包括閻浮洲品、郁單越洲品、轉輪圣王品、地獄品、諸龍金翅鳥品、阿修羅品、四天王品、三十三天品、斗戰品、劫住品、世住品、最勝品。現存譯本包括：
*西晉法立、法炬共同譯《大樓炭經》，
*東晉佛陀耶舍、竺佛念共譯的《長阿含經》（卷十八至卷二十二）中的《世記經》，
*隋朝達磨笈多譯《起世因本經》，
有關的佛典，還有陳真諦譯《佛說立世阿毘曇論》、說一切有部的「施設論」（大毘婆沙論或稱「施設世界經」，大智度論稱「分別世處分」）。
《起世經》主要包括四個部分，首先闡述了劫前世界（宇宙）的狀況；其次闡述了世界壞滅時世間經歷的諸多劫難；再次闡述新的世界所成立的狀況；最后闡述世間眾生的誕生。
婆羅門教有「往世書」Purā?a，敘述五事──宇宙的創造，宇宙的破壞與再建，神統與王統的世系，古代諸王治世的情形，月族的歷史。「世記經」，可說是佛教立場的「往世書」。
印順法師認為「世記經」稱為佛說，只是某一部派的傳說（如，法藏部四分律說長阿含中，有「世界成敗經」），而不是各派公認的，如銅鍱部「長部」，就沒有與「世記經」相當的契經。世間施設，是當時佛教界的共同論題，共同要求。各部派都有類似的部類，但或稱為經，或稱為論，並不一致。
伊爾根覺羅氏，又作依爾根覺羅氏、宜爾根覺羅氏、民覺羅氏，是滿洲-{著}-姓覺羅氏的分支，位列滿族八大姓之一。赫哲和在清代屬于佛滿洲的“陳錫伯”也有此姓。
伊爾根覺羅氏傳說為被金人擄走的北宋宗室后裔，還有一部分來自清朝皇帝賜姓。明朝末期，伊爾根覺羅氏各家族主要分布于穆溪、葉赫、興堪、呼訥赫、瓦爾喀、松花江、阿庫里等地區，在清太祖努爾哈赤崛起的過程中相繼歸附。清朝時期，伊爾根覺羅氏世家貴族、文臣武將等著名人士甚多。民國以后，伊爾根覺羅氏多因起源傳說或覺羅的近似發音而使用“趙”為漢姓。
根據《欽定皇朝通志》記載，“宗室、覺羅之外，有民覺羅氏”，所以伊爾根覺羅氏在廣義上也可以泛指愛新覺羅氏之外所有非皇族的“民覺羅氏”，史籍中亦常見其他民覺羅人士被稱為伊爾根覺羅氏的情況。
伊爾根覺羅氏的起源尚無定論，據一種自清代起即廣為流傳的說法稱其先為靖康之變中被金國俘獲的宋徽宗、欽宗等北宋宗室，因有民公之封（一說貶為平民），故名“民覺羅”。另一種來源為清朝皇帝賜姓。皇帝賜姓的對象主要有寵臣、功臣、新附部眾等，其所賜之覺羅氏多上加民字以不同于國姓愛新覺羅。太宗朝八壯士之一的騰起是其中較為知名的一例，其本姓兆佳，父滿平阿被努爾哈赤賜姓覺羅，此后改為伊爾根覺羅氏。
明末清初，伊爾根覺羅氏有340戶，主要分布于穆溪、葉赫、嘉木湖、興堪、撒爾湖、呼訥赫、雅爾湖、烏喇、瓦爾喀、松花江、阿庫里、佛阿拉、哈達等地。其余散居長白山、輝發、訥殷、瓦湖木、扎庫木、穵哄萼漠、寧古塔、杭佳、董鄂、東、虎爾哈、馬察、沈陽、沙濟、綏分、索爾和碧漢、鐵嶺、那木都魯、哈爾敏、賴布村、瓦爾吉和屯、雅哈、訥殷布爾哈圖、錫爾門、訥殷江、黑龍江、汪秦、額爾敏、勒福河、小西門、舒赫德、廣寧、海佳、蘇巴爾漢、遼河、瓦里湖、阿和羅、庫倫、岡子、蜚悠城、界凡、鄂多里、愛哈、穆赫林、喇哈村、西巴里城、哲音、穆齊里、鰲碩、覺佳溝、薩楚庫山、貝登、二格村、板城、伊爾哈、呼努渾河、費德里哈達、大楊爾屯、蘇克蘇滸河、陽古屯、薩克蘇和羅、赫門、師師和羅、東安、多巴庫、安福和羅、敦都、屯圖、羅羅、俄莫和蘇魯、道開、巴爾達鄂林村、尼馬察、蘇克德、哈爾薩、覺羅禪、薩克達、薩穆拉達、雷佳堡、李佳堡、清堪俄莫、安圖瓜爾佳、福齊希美佛赫、額爾景、商顏哈達、紅山口、牛莊、薩克蘇、穆湖哈達、安巴覺爾察喇、福齊希和、瑚普察、吉林烏喇、瓦色、和寧、完顏、老寨子。不同支系伊爾根覺羅氏之間的親屬關系非常模糊，雖然不同世居地之間也有同宗的情況存在，但更多情況下并無明確關聯，甚至同一世居地的伊爾根覺羅氏也未必同宗。
伊爾根覺羅氏在清代位列五爵者中較為知名的有正藍旗穆溪穆昆阿爾塔什家族的一等子兼一云騎尉阿爾津、一等子阿山；鑲黃旗葉赫穆昆的三等子圖魯什、二等男偏俄；正黃旗撒爾湖穆昆瓜喇家族的二等男喀愷等。其中，由于阿爾塔什家族為建立清朝所做的貢獻可與諸多功勛世家并列，因此也擁有較高的政治地位。五爵之外，伊爾根覺羅氏獲封輕車都尉、騎都尉、云騎尉等世職者不計其數，并在八旗之中擁有40個佐領世職。此外，伊爾根覺羅氏還有多位皇帝妃嬪，其中清太祖側妃伊爾根覺羅氏生饒余郡王阿巴泰、清太宗庶妃伊爾根覺羅氏生輔國公常舒。
部分伊爾根覺羅氏因世居地或世居地的遷移而改變姓氏，例如巴雅拉、蒙鄂羅、董鄂、賴布、希卜魯、嘉穆瑚覺羅、穆奇覺羅等姓氏即由此而來。清中后期至民國以后，伊爾根覺羅氏主要依據起源傳說和漢語的近似語音而使用“趙”為漢姓，其余多使用顧、伊、薩、佟、公、兆、曹、包、哲、席、于、葛、馬、高、胡、陳、白等漢姓。
世居穆溪（，今新賓滿族自治縣木奇鎮）的阿爾塔什家族在《八旗滿洲氏族通譜》伊爾根覺羅氏各家族中名列第一位，也被認為是八旗中較為顯赫的功勛世家之一。因世居地的緣故，家族姓氏又作穆奇覺羅氏。阿爾塔什早年率領七個村子的人口歸附努爾哈赤，努爾哈赤將族姐嫁給他，因此又稱“額駙阿爾塔什”。其原有部眾依照佐領形式改編，主要隸屬于滿洲正藍旗第四參領第七、八佐領，第五參領第四、六、七、十二、十三佐領。阿爾塔什長子阿山從征遼東、永平、山海關等地，因戰功封一等子，世襲罔替，其后人乾隆年間定襲一等男；阿爾塔什次子阿達海曾任扎爾固齊，位列十六大臣；三子濟爾海任都統；四子噶賚原任副都統兼佐領。阿爾塔什之孫夸札尚清太宗第六女，為固倫額駙；札塔因戰功封屢次晉封至二等輕車都尉；其余諸孫托倫、費揚古、岳博、漠爾渾、噶爾柱均任護衛。阿爾塔什曾孫延布為和碩額駙，其余諸曾孫、四世、五世孫多任護衛、參領、佐領、護軍校、城守尉、筆帖式等官職。
阿爾塔什之弟齊瑪塔也跟隨其兄歸附努爾哈赤，任二等侍衛。齊瑪塔之子阿爾津曾任大將軍，因戰功屢次晉封為一等子兼一云騎尉，乾隆年間定其后人三等子世襲罔替。齊瑪塔未襲爵之諸孫庫穆絡禮、滿色均任護軍參領、瑪庫任七品官、阿林任長史、卓博任前鋒參領。齊瑪塔諸曾孫、四世孫多任佐領、典儀、侍衛、驍騎校等官職。
圖魯什家族世居葉赫，族人主要被編隸屬于滿洲鑲黃旗第五參領第七、八、九佐領。圖魯什在后金軍中有“驍勇冠軍”之稱，每戰必為先鋒，因戰功屢次晉封為三等子，長子巴什泰襲爵后一度進封為三等侯，乾隆年間定其爵位為一等子世襲罔替。圖魯什次子拉什泰任官頭等侍衛。諸孫未襲子爵之位者有參領兼佐領博爾屯；曾孫寶云任三等侍衛兼佐領、武世寶任佐領；元孫兆榮任佐領、兆善為蔭生。
圖魯什之弟偏俄與其兄一同歸附努爾哈赤，起初以佐領身份管理牧場，因管理有方屢次晉封至二等男，由其三子色赫承襲，乾隆年間定世職為一等輕車都尉。偏俄之長子巴晉泰官至工部侍郎、次子薩哈廉、四子尼堪官至護軍參領、五子倭赫任頭等侍衛兼佐領。偏俄之孫阿玉璽、六十任職員外郎、羅明任筆帖式；曾孫赫格、伊拉齊、元孫齡德、齡昌任筆帖式、赫星任佐領；四世孫羅多和任六品官。
巴雅爾圖家族世居葉赫，與同地的圖魯什屬不同家族。其族人主要被編隸于滿洲鑲黃旗第三參領第十七佐領、第四參領第七佐領；正黃旗第三參領第八佐領、第五參領第一、二佐領；蒙古正藍旗右參領第四、五佐領。巴雅爾圖本人隸正黃旗，從征遼東因戰功晉封至三等輕車都尉，寧遠之戰中陣亡，由長子阿齋襲職。其弟額色襲職時因戰功加恩詔加至三等男，后由其從弟桂尼分襲三等輕車都尉；額色長子納爾瑚泰也分襲三等輕車都尉，納爾瑚泰之子常清襲職時改襲云騎尉。此外，巴雅爾圖第六子費揚古官至六品。巴雅爾圖其余諸孫多任云騎尉、步軍總尉、郎中、佐領等官職，其中濟格爾任護軍校從征四川陣亡，追贈騎都尉由后人承襲。巴雅爾圖諸曾孫多任侍衛、筆帖式、員外郎、護軍參領等。
巴雅爾圖同族薩穆禪、都坦與其同時歸附，隸滿洲正黃旗。二人曾孫、元孫、四世、五世孫輩多擔任驍騎校、筆帖式、防御、主事、護軍參領等官職，其中薩穆禪四世孫偉璱官至盛京工部侍郎。
巴雅爾圖同族富拉塔、王山、安達理、和絡穆于天聰時期歸附后金，編隸于鑲黃旗。富拉塔曾任佐領，其子莽吉圖從征北京、山東、錦州、松山、杏山等地，后跟隨清軍入關擊敗農民軍，因戰功多次晉封至三等輕車都尉，官至副都統，其后人改襲騎都尉。富拉塔其余諸孫任護軍參領、侍衛驍騎校；曾孫輩任參領、佐領、護軍校、筆帖式，其中莽鵠立官至鑲白旗滿洲都統、署理工部尚書兼任佐領。元孫莽泰、翰班等任員外郎。王山、安達理、和絡穆之后裔多擔任佐領、筆帖式、驍騎校、護軍校、步軍校等官職。
朱瑚達世居興堪（今中俄邊境興凱湖地區），本為當地部長，后金初年率部歸附努爾哈赤，授騎都尉，子弟編為佐領仍使朱瑚達統領，主要編隸于滿洲正藍旗第一參領第十、十一佐領。其子畢輅以佐領身份從征黑龍江、北京、山東、九江府等處立功，授云騎尉三遇恩詔加至三等輕車都尉，其嫡裔以云騎尉世襲。朱瑚達之孫、曾孫、元孫、四世孫多擔任參領、佐領、中書、筆帖式、員外郎等官職。其中曾孫滿丕為佐領，官至都統。滿丕之孫蘇昌、曾孫富綱皆官至總督，富綱之子嵩溥官至綏遠城將軍。
朱瑚達之弟阿克善與其兄一同歸附，任驍騎校。其子孫后裔多擔任佐領、步軍校、副護軍校、護軍校、郎中、筆帖式、員外郎等官職。其中阿克善曾孫武達色以前鋒校身份從征準噶爾陣亡，贈云騎尉，因無嗣由其侄伊林襲。
朱瑚達同族葉穆柱、奇努、黨淑、哲庫愼等也與朱瑚達同時歸附并同隸正藍旗，其中葉穆柱授騎都尉。他們的后裔大多擔任佐領、防御、主事、筆帖式、侍衛、長史等官職，其中葉穆柱之孫黃塔曾任委署護軍校，在三藩之亂中隨清軍收復浙江、福建，直搗云南，授云騎尉世職，因無嗣，由從弟、頭等侍衛羅密承襲。
噶蓋家族世居呼訥赫（今吉林省東部至俄羅斯濱海邊疆區南部一帶），于努爾哈赤創業早期歸附，家族初隸滿洲鑲黃旗，后改為鑲紅旗，族人多分布于該旗第二參領十一、十二、十三佐領，第四參領第十七、十八佐領。噶蓋官至扎爾固齊，地位僅次于五大臣，曾奉命創制滿文。噶蓋長子武善曾任工部參政，次子布善官至護軍統領，因戰功授騎都尉，布善之子夸札官至都統，襲職后三遇恩詔加至二等輕車都尉，又在三藩之亂中立功，加封一等輕車都尉，其后裔定襲騎都尉兼云騎尉。噶蓋其余孫輩、曾孫、元孫、四世孫等多擔任佐領、員外郎、主事等官職，其中噶蓋之孫瓦爾達官至西安副都統。
噶蓋從弟孟格圖、伯祖阿爾哈巴顏同隸鑲紅旗。孟格圖因軍功授騎都尉，由次子綽內承襲，其后嗣在襲職過程中因遇恩詔曾一度加封至二等輕車都尉，后來定襲騎都尉。孟格圖其余諸孫、曾孫、元孫輩等多擔任御史、護軍參領、郎中、佐領、筆帖式、驍騎校等官職。阿爾哈巴顏之孫外圖庫任三等護衛、富山任驍騎校；曾孫、元孫、四世、五世、六世孫輩多擔任御史、護軍校、驍騎校、筆帖式、護衛等官職，其中曾孫蘇完拜官至參領，因戰功授騎都尉，其后人襲爵時曾遇恩詔一度加至三等輕車都尉，后定為世襲云騎尉。
英嬪（玶常在）騎馬像