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物理學研究中有兩個極端：極小微觀的粒子物理和極大宇觀的宇宙學。大爆炸理論使得這兩個尺度具天壤之別的研究領域相互「聯姻」。事實上，宇宙早期模型就是一個超高能物理世界，沒有量子力學和粒子物理，不可能徹底破解宇宙奧秘。因此，有必要在這兒介紹一點量子力學及粒子物理的知識。
普朗克尺度
前面曾經說過，廣義相對論當宇宙小到一定的程度就不適用了，小到什麼尺度呢？那叫做普朗克尺度。德國物理學家普朗克（Max Planck，1858年－1947年）是量子力學的創始人，他的名字經常和量子理論中的一個基本常數：普朗克常數連在一起。量子力學背後的基本思想是波粒二象性。比如說，頻率為n的光波可以看成是由一個一個的量子組成，每個量子的能量是hn，這兒的h便是普朗克常數。普朗克常數是一個很小的數，大約等於6.626x10-34焦耳秒，它的出現標誌著需要使用量子物理規律。
普朗克。圖片來自網絡
普朗克尺度也是以普朗克的名字命名，它指的是必須考慮引力的量子效應的尺度。比剛才所說一般量子力學應用的尺度還要小很多。因為在這樣的尺度，引力的量子效應變得很重要，需要有量子引力的理論。在這兒，尺度的意思可以理解為多種物理量：長度、時間、能量、質量。所以，普朗克尺度便可以用普朗克質量、普朗克能量、普朗克長度、普朗克時間中的任何一個來代表。
有一個問題：為什麼可以用「長度、時間、能量、質量」來表示同一個東西呢？這是因為理論物理學家們經常使用一種特別的單位制，稱為自然單位制。
在自然單位制中，將一些常用的普適常數定義為整數1，這樣可以使表達式看起來大大地簡化。比如說，如果將光速的單位定為1，愛因斯坦的質量能量關係式E=mc2便簡化成了E=m，意味著在這個單位制中，能量和質量的數值相等了！除了光速c=1之外，普朗克自然單位制中，將引力常數和約化普朗克常數（等於普朗克常數除2p）也定義為1。
圖片來自網絡
所以，如果我們首先規定了普朗克質量的數值，那麼通過自然單位制的連接便可以轉換而得到其它三個值。在國際標準SI單位制中，它們的數值分別是：普朗克質量（2.17645 × 10−8 公斤）、普朗克能量（1.22 × 1019GeV）、普朗克長度（1.616252×10−35 米）、普朗克時間（5.39121 × 10−44秒）。
從以上數值可以看出：普朗克長度和普朗克時間都是非常小的數值，因為原子核的尺寸也有10−15 米左右，比普朗克長度還要大20個數量級。探測越短的長度，需要越高的能量，因此，普朗克能量是一個非常大的數值，大大超過現代加速器能夠達到的能量（104GeV）。
換言之，普朗克尺度是現有的物理理論應用的極限。大爆炸模型只能建立在這個尺度以內，宇宙的年齡t不能倒推到0，頂多只能推到（t > 普朗克時間）。
不確定性原理
不確定性原理有時也被稱為「測不準關係」，因為根據不確定原理，對於一個微觀粒子，不可能同時精確地測量出其位置和動量。將一個值測量越精確，另一個的測量就會越粗略。比如，如果位置被測量的精確度是Dx，動量被測量的精確度是Dp的話，兩個精確度之乘積將不會小於ħ/2，即：DpDxsħ/2，這兒的ħ是約化普朗克常數。
精確度是什麼意思？精確度越小，表明測量越精確。如果位置測量的精確度Dx等於0，說明位置測量是百分之百地準確。但是因為位置和動量需要滿足不確定性原理，當Dx等於0，Dp就會變成無窮大，也就是說，測定的動量將在無窮大範圍內變化，亦即完全不能被確定。
雖然不確定性原理限制了測量的精確度，但它實際上是類波系統的內秉性質，是由其波粒二象性決定了兩者不可能同時被精確測量，並非測量本身的問題。因此，稱之為不確定性原理比較確切。
從現代數學的觀念，位置與動量之間存在不確定原理，是因為它們是一對共軛對偶變量，在位置空間和動量空間，動量與位置分別是彼此的傅立葉變換。因此，除了位置和動量之外，不確定關係也存在於其他成對的共軛對偶變量之間。比如說，能量和時間、角動量和角度之間，都存在類似的關係。
統一理論和標準模型
根據大爆炸學說，在宇宙演化的早期，所有物質處於高溫高壓高密度高能量的狀態。那種狀態正是人類花費大量經費製造高能粒子加速器所企圖達到的目標。因此，理論物理學家們將近年來粒子物理中的統一理論【33】用於宇宙早期演化過程的研究。
在這條漫長的統一道路上，人類現在走到了哪裡呢？
圖8-4-1：大爆炸模型將粒子物理和宇宙學交匯在一起
圖8-4-1的示意圖中，中間的「能級階梯」被畫得像一條通向遠處的高速公路。實際上它也的確象徵了粒子物理學家們所期望的加速器能量不斷增大的漫長徵途。在「能級階梯」的左側，向上的箭頭以及標示出的各級GeV數值，表示不斷增加的加速器能量，以便能探索到越來越小的物質結構。右側顯示的長度數值，便是相應的能量級別能夠達到的微觀尺度。
比如說，當能量達到106GeV附近時，相對應的長度數值是10-21米左右（原子核的大小被認為大約是10-15米）。目前，歐洲大型強子對撞機LHC的最高能量據說可達13 TeV左右，在圖中的位置，比標示著「現在」的那條水平紅線稍微高一點點，代表了目前加速器能達到的最高水平。
我們常見的物質都是由化學元素表上的各種原子構成的，原子又由質子中子和電子組成。那麼，質子、中子和電子，再加上光子，是否就是組成整個世界的基本粒子呢？也許在上世紀40年代之前，人們是這樣認為的。但後來，科學家們從宇宙射線和粒子加速器中發現了越來越多的「新粒子」，數目不斷增加，到了60年代，觀察到的不同粒子高達200多種，被科學家們笑稱為「粒子家族大爆炸」。大量的「粒子」數據，促進了粒子物理和統一理論的研究和發展。
根據粒子物理現有的理論，世間萬物由12類基本粒子及其反粒子組成。其中包括六種夸克和六種輕子。除了構成物質實體的粒子（夸克、輕子等費米子）之外，粒子之間存在的4種基本相互作用：引力、電磁、強、弱，由相應的規範場及其傳播子來描述，如圖8-4-2右表所示。圖中還畫出了被標準模型所預言最後發現的「希格斯玻色子」，以及不知是否存在的「引力傳播子」。
圖8-4-2：組成宇宙萬物的基本粒子（不包括暗物質和暗能量）
目前的粒子物理標準模型，基本上被主流物理學界所承認，但尚未包括引力、暗物質、暗能量等。2012年CERN的物理學家們確認發現了希格斯粒子之後，標準模型告一段落。
對於4種基本相互作用，粒子物理學家們有一個共識：當能量級別增高，基本粒子之間的距離減小時，四種力將會走向統一。比如說，當能量增加到1012GeV之後，即粒子之間的距離小於10-17米時，電磁作用和弱相互作用表現為同一種力（標準模型）。如果能量再增高到1018GeV時，強相互作用也和弱電一致了，三種力實現大統一（大統一論）。如果距離再繼續減小，能量繼續增加到1021GeV之後，到達量子引力階段，引力也只好屈服了，四種相互作用統一成一種（萬有理論）。
從圖8-4-1的能級階梯也可以看出，我們的現代加速器技術，所具有的能量級別還很低，距離大統一理論及標誌量子引力時代的普朗克能量1019Gev，還差好些個數量級！