相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论是：物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存在没有物质的运动，两者可以相互转化。这一规律已在核能的研究和实践中得到了证实。
当物体的速度远小于光速时，相对论力学定律就趋近于经典力学定律。固此在低速运动时，经典力学定律仍然是很好的相对真理，非常适合用来解决工程技术中的力学问题。
狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革，并且否定了“以太”的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式，因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。
弯曲的时空——广义相对论
狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用，它的传递不需要时间，产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此，必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。
实验证明，惯性质量和引力质量相等，因此不论行星的质量多大多小，只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同，那么它们的运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想：万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现，从而提出了广义相对论。
根据广义相对论，空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小的情况下，广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯曲较大的情况下，就有区别。不过这种区别常常很小，难以在实验中观察到。从广义相对论提出到现在，就只有四种实验能检验出这种区别。
广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。
原子物理学
现代原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森伯、薛定谔、狄里克莱等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学的主要区别是：物理量所能取的数值是不连续的；它们所反映的规律不是确定性的规律，而是统计规律。
应用量子力学和量子电动力学研究原子结构、原子光谱、原子发射、吸收、散射光的过程，以及电子、光子和电磁场的相互作用和相互转化过程非常成功，理论结果同最精密的实验结果相符合。
微观客体的一个基本性质是波粒二象性。粒子和波是人在宏观世界的实践中形成的概念，它们各自描述了迥然不同的客体。但从宏观世界实践中形成的概念未必恰巧适合于描述微观世界的现象。
早期的原子弹设计蓝图。现在看来，需要粒子和波动两种概念互相补充，才能全面地反映微观客体在各种不同的条件下所表现的性质。这一基本特点的另一种表现方式是海森伯的测不准原理：不可能同时测准一个粒子的位置和动量，位置测得愈准，动量必然测得愈不准；动量测得愈准，位置必然测得愈不准。
量子力学和量子电动力学产生于原子物理学的研究，但是它们起作用的范围远远超出了原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律，因此不仅应用于原子物理学，也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体的微观结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须遵循的规律。直到现在，还没有发现量子电动力学的局限性。
量子统计力学
以量子力学为基础的统计力学，称为量子统计力学。经典统计力学以经典力学为基础，因而经典统计力学也具有局限性。例如，随着温度趋于绝对零度，固体的热也趋于零的实验现象，就无法用经典统计力学来解释。
在宏观世界中，看起来相同的物体总是可以区别的，在微观世界中，同一类粒子却无法区分。例如，所有的电子的一切性质都完全一样。在宏观物理现象中，将两个宏观物体交换，就得到一个和原来状态不同的状态，进行统计时必须将交换前和交换后的状态当作两个不同的状态处理；但是在一个物理系统中，交换两个电子后，得到的还是原来的状态。因此进行统计时，必须将交换前和交换后的状态当作同一个状态来处理。
根据微观世界的这些规律改造经典统计力学，就得到量子统计力学。应用量子统计力学就能使一系列经典统计力学无法解释的现象，如黑体辐射、低温下的固体比热容、固体中的电子为什么对比热的贡献如此小等等，都得到了合理的解释。
原子核物理学
原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质、内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程的学科。
原子的核裂变示意图。在原子核被发现以后，科学家们曾经以为原子核是由质子和电子组成的。1932年，英国科学家查德威克发现了中子，这才使人们认识到原子核可能具有更复杂的结构。
质子和中子统称为核子，中子不带电，质子带正电荷，因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子相互吸引，但在两个质子之间的静电排斥力比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以，一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为核力，核力来源于强相互作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计，核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。
原子核主要由强相互作用力将核子结合而成，当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如铀原子核）在吸收一个中子以后，会裂变成两个较轻的原子核，同时放出20～30个中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量。这种原子核的熔合过程叫作聚变。
粒子加速器的发明和裂变反应堆的建成，使人们能够获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子。可以用来轰击原子核，系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和相互作用过程的研究。
高能物理研究发现，核子还有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域。目前，关于原子核结构，原子核反应和衰变的理论都是模型理论，其中一部分相当成功地反映了原子核的客观规律。
固体物理学
固体物理学是研究固体性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。
固体物理学为集成电路技术迅速发展奠定了基础。固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。1912年劳低温高压空气等离子体发生仪。厄等发现X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析基础。对于磁有序的结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排列的对称性，直到20世纪50年代舒布尼科夫才建立了磁有序的对称理论。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部固体物理学是从研究晶体开始的。运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。
固体物理对于技术的发展有很多重要的应用。晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。
等离子体物理学
等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着。高温等离子体还有多种不稳定性，因此等离子体研究是个非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难准确预言等离子体的性质和行为。
物理学应用技术与发明
微观世界的揭秘者——电子显微镜
电子显微镜的诞生，人们可以通过它看到细胞内部极为细小的结构，可以在分子的基础上研究生命的奥秘，由此还产生了一门重要的现代新学科——分子生物学。电子显微镜是现代科学技术进步的成果，也是推动现代科学技术不断发展的有力工具。
电子显微镜下的DNA。1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼博士和海·罗雷尔博士及其同事们共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（STM）。它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。为此，1986年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获得了诺贝尔物王早学奖。
基本粒子相互作用
基本粒子按照其质量、寿命、自旋以及参与的相互作用等性质，可分为轻子、强子（重子、介子），以及相互作用的传递子等。在这些基本粒子所组成的基本粒子的世界中存在着四种相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力作用在微观世界中太弱，因此可以不考虑。
温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础，完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获得1979年诺贝尔物理学奖。目前科学家们想把强相互作用和引力相互作用也统一进来，但困难比较大。目前最有希望的理论是超弦理论。
夸克模型
基本粒子如此之多，难道它们真的都是最基本、不可分的吗？近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的。
1964年盖尔曼（生于1929年）提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获得1969年诺贝尔物理学奖。1990年，弗里德曼、肯德尔和泰勒因在粒子物理学夸克模型发展中的先驱性工作而获得诺贝尔物理学奖。1965年，费曼、施温格、朝永振一郎因在量子电动力学重整化和计算方法上的贡献，对基本粒子物理学产生深远影响而获得诺贝尔物理学奖。温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础，完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此获得1979年诺贝尔物理学奖。目前统一场论的发展正向着把强相互作用统一起来的大统一理论和把引力统一进来的超统一理论前进；并且这种有关小宇宙的理论与大宇宙研究的结合，正在推动着宇宙学的发展。
粒子研究的强力工具——高能加速器
高能加速器是核物理学和粒子物理学研究的强有力工具和现代化实验手段。它采用人工方法加速带电粒高能核子加速器子，以产生高速度、高能量的新粒子。为什么需要高能量的粒子呢？这是因为在核物理学和粒子物理学研究中，需要深入到基本粒子的内部，才能探求其秘密。高能加速器的原理，就是使带电粒子在电场中获得能量而加速，再用磁场约束其运动轨道，根据实验的需要进行有效的控制。它的原理虽然简单，但技术十分复杂。
中国第一台正负电子对撞机
正负电子对撞机是高能粒子加速器的一种，是研究核物理、高能物理，认识微观世界的一个重要手段。
我国的对撞机工程是邓小平同志亲自拍板、在1981年正式上马的。1988年10月16日，北京正负电子对撞机首次对撞成功，这是我国研制成功的第一台正负电子对撞机。北京正超导师磁悬浮列车负电子对撞机的研制成功，是继“两弹一星”之后我国科技史上的一次重大突破，标志着我国的粒子物理研究又迈上了一个新的台阶，使我国在世界高科技领域占有了一席之地。
揭示低温下的奇迹——低温物理学
经过长期实践，人们发现在一个大气压下，空气要在81K（约－192℃）以下才可能液化，便把低于81K以下的温度范围称为低温。如果采用特殊技术（称低温技术）把气体液化，并将它们置于特殊的容器中保存起来，就可以获得低温。许多物质在低温范围里显示了从未有过的奇异特性和规律。我们把研究物质在低温下的结构、特性和运动规律的科学，叫做低温物理。