과학이란 실험을 통해 지식을 검증하는 행위인데, 이 때 상상력과 추론을 통해 새로운 법칙들을 찾아내는 일이 이론 물리학이다.
원자가설은 모든 물질은 원자로 이루어져 있고 영원히 운동을 계속하는 작은 입자로서 거리가 떨어져 있을 때에는 서로 잡아당기고, 외부의 힘에 의해 압축되어 거리가 가까워지면 서로 밀어낸다는 가설이다. 온도를 높이면 부딪치는 횟수도 늘어나 압력이 증가하고, 기체를 압축시키면 온도가 상승하게 된다. 원자들이 정해진 위치를 고수하고 규칙적으로 분포되어 있으면 고체 상태가 되고 자유로운 운동을 하는 상태에서는 액체로 존재한다. 고체에 명확한 결정구조가 있어도, 원자들은 지정된 위치에서 진동을 계속하고 있다. 절대온도가 되면 최소한의 진동만 남게 된다.
물의 경우 분자가 공기 중으로 방출되면서 증발이 일어난다. 증발하는 분자는 평균치보다 많은 에너지를 갖고 있으며 물에 남은 분자들의 평균적인 운동상태는 이전보다 활발하지 못하다. 다른 분자들로부터 에너지를 빼앗기 때문에 증발하고 있는 액체는 서서히 온도가 내려간다.
앞의 물리적 과정과 달리, 원자가 파트너를 바꾸고 결합상태에 변화가 초래되어 새로운 분자로 다시 태어나는 것을 화학반응이라고 한다. 산소원자끼리 또는 탄소원자끼리 당기는 힘보다 탄소원자와 산소원자 사이에 인력이 훨씬 강한데, 결합하면서 주변의 다른 원자들에게 그 여파가 전달되며 운동에너지가 생성되면서 연소가 일어난다. 아주 짧은 시간 안에 탄소를 태우면 연소 시간이 매우 짧아서 이산화탄소가 생성되지 않고 일산화탄소가 생성되는데, 이 때 에너지가 발생하여 폭발이나 불꽃반응 등의 현상이 일어난다.
모든 물질과 자연현상을 분해해 이해하기 위해 노력하고 있고, 관측과 논리, 일련의 실험으로 진행하는 것을 과학이라고 한다. 기본규칙에 대한 것이 기본 물리학이다. 기본 규칙의 진위 여부는, 우선 단순한 구조를 가진 자연현상이라면 앞으로 일어날 일을 비교적 정확하게 예측할 수 있고 기본 물리학과 잘 맞는지도 확인할 수 있기에 확인 가능하다. 규칙으로부터 유도된 다소 불분명한 규칙을 이용할 수도 있다. 그리고 근사적인 방법을 통해 검증하는데, 근사적인 방법은 세련미는 다소 떨어지지만 가장 막강한 힘을 갖고 있다.
1920년경 원자 중심에 양전하를 띤 매우 무거운 핵이 있고 주위는 음전하를 띤 전자들이 에워싸고 있다는 세부구조를 이해했다.핵은 양성자와 중성자의 집합으로 이루어져있다.