20. yüzyılın başında J.J.Thomson elektron kavramını bularak, sonraki yıllarda Bohr tarafından son şekline kavuşturulacak olan atom teorilerinin en dikkate değer olanını tasarladı.
Thomson'a göre elektronlar pozitif yüklü ortamlarda gömülü olarak bulunmaktaydılar. Daha sonra Ernest Rutherford'un neredeyse atomun tüm kütlesini içeren atom çekirdeğini bulmasıyla atomun yapısı biraz olsun şekillenmeye başladı. Atom teorisine en son şekli Niels Bohr verdi. Bohr'a göre elektronlar, çekirdeğin çevresindeki enerji seviyelerinde bulunurlardı. Bu teoriye göre elektronlar cismin sıcaklığına bağlı olarak enerji seviyeleri arasında sıçramalar gerçekleştirerek radyasyon yayıyorlardı veya radyasyonu emiyorlardı. Bu dönemde, konuyla ilgili bilim adamları bir yandan atom teorisine son şeklini vermeye çalışırken bir yandan da Max Planc'ın şanslı tahminini tartışıyorlardı.
1800 lerin sonlarında fizikteki en temel sorunlardan biri ısıtılan bir metalden nasıl ve neden radyan enerjinin yayıldığıydı. Gustav Kirchhoff'un kara cisim radyasyonu olarak bilinen deneyinin (bir cismin ısındıkça değişen radyasyon tayfını konu eden bir deney) grafiğini formüle etmek bir çok fizikçiyi ciddi anlamda uğraştırdı. İlk yorum Lord Rayleightan geldi ama onun sunduğu formüller sadece düşük frekanslar için geçerliydi. Sonrasında, Wilhelm Wien?in sundukları ise sadece yüksek frekanslarda işe yarıyordu. Bu sorunun üstesinden Max Planc, şanslı tahmin olarak da bilinen teorisiyle geldi. Daha önce radyasyonun kesintisiz bir dalga gibi olduğunu söyleyen bilim adamlarının aksine o, radyasyonun -bugün kuant dediğimiz- parçalardan oluştuğunu söyledi. Ulaştığı verilere aslında kendi bile inanmadı; sadece çözümsüz radyasyon frekanslarıyla ilgili grafikler hakkında doğru sonuçlar verdiği için bunun geçici bir cevap olarak tasarlandığını söyledi. Bu çılgınca fikir bilim camiasında hiç bir yankı bulmadı ve Einstein, Max Plancın tamamen doğru düşündüğünü söyleyene kadar da bu çılgınca fikir tarihin çöplüğünde unutulmaya yüz tutmuş bir vaziyette kaldı.
Ve bilim tarihinin kaderini değiştiren dahi adam -Albert Einstein- sahneye çıktı. O zamana kadar ışığın dalga mı yoksa parçacık mı olduğunu tartışan bilim adamlarına neden her ikisi de olmasın? diyen Einstein yepyeni bir alanı, kuantum mekaniğini, dünya bilimine kazandırmış oldu.
Kuantumun gelişimi sancılı bir sürece sebep olmuştur. Öncelikle genç bir Fransız prensi olan Louie de Broglie, madde parçalarının da, örneğin elektronların, dalgalı ve parçalı olduğunu ileri sürdü. Daha açık bir deyişle, parçacıklar elektronlarla birlikte bir dalga hareketine sahipti. Daha sonraları Alman fizikçi Werner Heisenberg, matris denilen diziler geliştirdi. Bu diziler kuantum hakkında birçok problemi çözmesine karşın pek çok bilim adamı tarafından tercih edilmediği için kullanılamadı ve haliyle teorisi de popülarite kazanamadı. Aynı yıllarda Erwin Schrödinger dalga denklemleri üzerine bir makale yayımladı. Differansiyel denklemlerle oluşturulmuş bu işlemler ilgi gördü; çünkü kolay anlaşılabilir olmasından dolayı bu denklemler bilim adamları tarafından tercih ediliyordu. Ancak sorun şuydu: ortada 2 tane birbirinden farklı teori vardı ve ikisi de problemler karşısında aynı sonuçları veriyordu. Kısa bir süre içinde, Schrödinger Heisenbergin matrisleriyle kendi denklemlerini birleştirmeyi başardı ve her iki teorinin aslında aynı şeyleri öngördüğünü açıkladı.
Daha sonra Heisenberg, kuantum teorisinin kaderini tamamen değiştirecek ve teoriyi fikir babasından (Einstein) tamamen soğutacak bir prensip ortaya attı. Bu prensip belirsizlik ilkesiydi. Buna göre bir cismin konumu ve momenti, dolayısıyla enerjisi ve zamanı aynı anda ölçülemez. Bu prensibe göre atomal dünyadaki birçok şeyi aslında belirsizlikler belirler. Einstein bu yargıyı Tanrı zar atmaz? diyerek şiddetle reddetmiş ve böylece kuantum teorisindeki önemli bir kutuplaşmanın ilk adımlarını atmıştır. Bu kutuplaşma daha sonraları iki büyük bilim adamı (Niels Bohr-Albert Einstein) arasında adeta bir söz düellosuna dönüşmüştür. Einstein kendi doğurduğu kuantum teorisini çürütmek için ortaya birçok paradoks atmasına karşılık Niels Bohrun bunlara ustalıkla cevaplar bulması bu tartışmanın galibiyet ibresini kuantumcular lehine çevirmiştir.
Schrödinger 1935 yılında Schrödinger?in kedisi olarak bilinen ünlü paradoksunu ortaya atmıştır. Buna göre kedi, içinde radyoaktif parçacıkları bulabilen bir detektör ve radyoaktif bir kaynak bulunan çelik bir kafese kilitlenir. Eğer detektör radyoaktif bir parça bulursa, açığa çıkan zehirli gaz kediyi öldürür. Radyoaktif parçacığın bir dakika içindeki emisyon olasılığı %50 dir. Kafesin biraz uzakta olduğunu düşünürsek radyoaktif kaynağını uzaktan açıp bir dakika bekleriz. Peki kedi bu bir dakikanın sonunda ölmüş mü olur yoksa hala hayatta mıdır? Aslında bunu gözlemleyene kadar ya da ölçene kadar kedi ne ölüdür ne de canlı. Bu sistem dalga fonksiyonu olarak tanımlanır ve dalga fonksiyonunu söndürene kadar kedi belirli bir durum kazanmaz. Einstein ve kuantumcular arasındaki bu tartışmaya 1965 yılında CERN fizikçilerinden John Bell yaptığı araştırmalar ve deneylerle kuantumcular lehine son noktayı koydu.