宏觀的宇宙宇宙浩瀚超乎人類的想像，它的起源為何？本質真相又是什麼？人類自古至今在追本溯源的好奇心驅動下，隨著科技的發展，對宇宙的認識似乎已有幾個階段的大幅增進。按天文物理學家的研究，我們能觀測到的最遠星系，約在 140 億光年（約 1023 公里）之外。在這麼一個廣大的空間裡，有數兆個星系（約 1012 個），平均每個星系包含 1,000 億個恆星（約 1011 個），因此目前所能觀測到的這個宇宙，約包含有 1011 × 1012 = 1023 個恆星，也就是 1,000 億兆個恆星。
這個天文數字，如果用較容易理解的說法來描述，可以說成：宇宙恆星的總數量，未必比地面上所有海邊砂粒的總數量來得少。這個比喻，讓人想起在《舊約聖經》〈創世紀〉第 22 章第 17 節記載的，神承諾亞伯拉罕：「我必使你的後裔繁增，如同天上的星，海邊的砂。」這一應許，似早已向人們宣告，天上星星的數量和海邊砂粒的數量是等量齊觀的！
微觀的基本粒子
宏觀的宇宙固然令人讚嘆其廣闊無邊，微觀的宇宙同樣令人驚訝其細微奧祕。依據物理學家所建立的物質基本粒子標準模型，宇宙中所有的物質都由基本粒子構成。各元素的基本粒子是各元素的原子，各種原子則由原子核與繞原子核旋轉的電子所組成。各元素的原子核由不同數量的質子及中子所構成，質子及中子則由更小的基本粒子夸克、輕子等所組成。
夸克：目前經實驗間接證實有上、下、魅、奇、頂、底等 6 種夸克存在，兩個一組計 3 組夸克。其中魅夸克是在 1974 年由華裔物理學家丁肇中發現的，頂夸克則是於 1995 年由美國費米國家實驗室發現的。各種夸克間質量差異很大，最重的頂夸克，其質量相當於一個金的原子核，而最輕的上夸克，其質量只有頂夸克的三萬六千分之一。理論上，各夸克都有其相對應的反粒子存在。2 個以上的夸克藉強核力作用，組成強子，例如兩個正反夸克組成介子，3 個夸克則組成重子。
輕子：輕子也是構成物質的微小基本粒子，目前經實驗證實存在的輕子有電子、緲子、濤子及其各自相對應的微中子等，各類輕子理論上也各有其相對應的反粒子存在。1931 年安德森在宇宙射線中發現正電子，1956 年實驗證實微中子的存在。電子的質量大約是頂夸克的三十五萬分之一。
而基本粒子間的相互作用力有 3 種，按其強度大小，依序是強核力、電磁力、弱力。基本粒子間的這三種作用力與重力，構成自然界已知的 4 種基本作用力。
強核力是強度最大的基本作用力，是短程力。當夸克被束縛在強子中，它攜帶的「色荷」（分為紅、綠、藍 3 種）發揮作用，而產生「色力」（類似因電荷而產生電磁力），好像一條弦一樣，把夸克拉在一起形成強子。這條弦稱作「膠子管」，靠膠子來傳遞力。這種描述強核力的理論，稱為量子色動力學，這理論使強作用得以和弱作用、電磁作用統一用相似的數學模式加以描述。
2004 年的諾貝爾物理獎，就頒給 3 位美國理論物理學家，以表彰他們在 1973 年發現強作用理論中夸克粒子具有「漸近自由」的性質。也就是夸克間的作用力，會隨著距離變小而減弱（漸近自由），反之，當夸克彼此越離開，交互作用就越大，無法成為自由粒子，而會綁在一起。以上發現，對奠定量子色動力學的基礎及建構粒子標準模型，貢獻良多。
電磁力是因電荷而產生，其強度大約是強作用的 10?2 倍。
弱力是輕子之間電磁力以外的作用力，其強度大約是強作用的 10?14 倍。
作用力傳遞子：按粒子標準模型，基本粒子間的相互作用，是藉由交換傳遞子來顯現的。例如夸克之間的強作用，是由 8 種不同膠子所傳遞；微中子以外的其他輕子，因有電荷，它們間的電磁作用是由光子來傳遞；輕子（包含微中子）間的弱作用，是由Ｗ玻色子及Ｚ玻色子來傳遞的。最後這二種傳遞子於 1983 年經實驗室發現證實，至於傳遞重力的重子，至今尚未經實驗證實。
暗物質及暗能量
物理學家綜合各項重要的最新天文觀測數據，包括宇宙微波背景、星系團、超新星等資料，獲致驚人的推論：前述數量龐大的星體中，所包含的傳統、可見的物質總量，實際上只占宇宙全部物質及能量總和的 5％。換言之，宇宙中尚有約 95％ 的物質及能量，屬於「暗物質」及「暗能量」，人類對其一無所知，科學家既觀測不到，也不了解這些「暗物質」及「暗能量」存在的形式及性質。
宇宙微波背景源自約 140 億年前宇宙大爆炸初始，熾熱的電漿物質所放射出的光線。在宇宙不斷膨脹擴大過程中，它們經過數十億年才傳抵地球，使人類有機會藉由現代先進儀器，觀測分析其顯現的能譜形式，以了解宇宙初期物質及能量的情形，及隨著宇宙膨脹擴大後其相對應的變化。
星系團是宇宙中物質集中的區域，其中包含能釋放Ｘ光的大量熾熱氣雲。藉由熾熱氣雲的溫度及銀河運行的速度，科學家可以推估星系團的總質量，發現它遠遠超過由觀測得到的銀河及熾熱氣雲的質量。此外，在宇宙擴展過程中，隨著時間而大量形成的銀河體系，也提供了暗能量存在的佐證。
超新星是恒星爆炸時所形成的，它能在很短暫時間內放出如銀河般亮度的光芒，因此雖在極為遙遠的地方，天文學家仍得以捕捉觀測，並藉由量測其亮度，可推算其距離及運行速度，以了解宇宙隨時間而膨脹的情形。中央大學太空及遙測研究中心近幾年的天文觀測，也曾發現超新星的爆炸，並得到國際的承認。
關於「暗物質」及「暗能量」占宇宙絕大部分物質及能量的重大發現，使人類對宇宙的認知及探索，進入了一個全新的起點。它對科學界所造成的影響及震撼，可媲美 16 世紀波蘭天文學家哥白尼提出的「地動說」，這學說主張地球是繞著太陽運轉，而推翻了當時公認的地球是太陽系中心的錯誤觀念，對人類的宇宙觀奠立一重要的新里程碑。
新物理理論的建構
由於天體物理學及粒子物理學不斷地有新發現及新推論，使得前述粒子標準模型在解釋相關現象時不夠完美，無法一體適用。例如自愛因斯坦以來，科學家們一直希望能找到一種大統一理論，把 4 種基本作用力用統一的數學模型加以描述，但至今尚未完全達成，特別是重力尚未能以量子理論，與電磁作用、弱作用、強作用統一加以描述。
此外實驗觀測所見，偶有與既有標準模型不能完全吻合的地方，似顯示可能有尚未被人發現的其他基本粒子及作用關係。如今推斷有人類一無所知，且占宇宙絕大部分的「暗物質」及「暗能量」，更進一步佐證粒子標準模型有待補強及修正。
希格斯場（Higgs field）、弦論（string theory）、超對稱理論（supersymmetry）等，就是理論物理學家逐步建構的理論模型，以補強既有的標準模型，藉由數學推演來推論若干物理現象。但這些理論尚未能藉由實驗得到完全的驗證。
希格斯場以理論物理學家彼得‧希格斯（Peter Higgs）的名字命名，該理論認為每個基本粒子的質量是經由某種機制產生的。根據這理論，所有物質的基本粒子和載力粒子，都會與另一種粒子－希格斯玻色子，發生交互作用，而為粒子帶來質量。交互作用愈強，粒子的質量就愈大。
弦論是 1970 年代為解釋某些強子現象開發出來的，再推展到基本粒子的物理理論。它把物質基本粒子視為一個線段，這線段可能是「開弦」，也可能是一個迴圈，稱作「閉弦」。不論是何者，弦可以振動，各個振動態的性質對應到不同粒子的性質。
弦論的特殊處是它描述的量子場論可能只有一個，也就是數學上可能的模型只有一個，符合萬有理論必須的唯一性，使很多科學家相信這是一個找尋更基本理論的正確方向。其次，在粒子量子場論的數學推算中，總是出現一些無限大的量，而顯得不合理，但弦論沒有這種無限大的問題。再者，弦論自動包含了量子重力場，因為弦論模型中，總是有一個振動態對應到重力子的性質，使弦論得以推導出愛因斯坦的廣義相對論，也就是重力作用的理論可以用量子化的方式來描述。
弦論中除了一維的弦外，還有其他維數的物體，一維物體的獨特角色被淡化了，各種不同維數的物體地位平等地存在於弦論中。弦論的預測之一是時空的維數是十維，也有另一個對偶理論預測的時空是十一維。雖然經驗告訴我們時空只有四維，但可能的原因之一是多出的六維或七維縮得很小，未被觀測到。另一個可能，是我們其實活在一個四維的孤立領域上，且時空的形狀及維度，要看我們如何定義其測量方法才有意義。理論中推導出來的時空性質，在一些假想的情況中，可以和我們的經驗大不相同。
超對稱理論最早於 1971 年被提出，理論中每個玻色子都有它相對應的費米子，而每個費米子有它相對應的玻色子。這種玻色子與費米子相互轉換的對稱性，就叫做超對稱性，它相對應伴隨的粒子稱為超伴子。超伴子還未被發現，每種粒子的超伴子簡稱為超粒子，例如夸克、輕子的超伴子稱為超夸克、超輕子，其餘如中性伴子、重力伴子，膠伴子等都是。
為了探索前述 95％ 以上的宇宙未知物質及能量，各國物理學家、天文觀測設備及最先進的實驗室，正分工合作進行多方面的研究，期望能把人類所知極其有限的宇宙奧祕逐步解開。
宇宙科學探索的方向
依據美國國家科學基金會及能源部委由 17 位美國知名物理學家組成的顧問委員會，於 2004 年 6 月提出的報告〈量子宇宙，21 世紀粒子物理的革命〉（Quantum Universe，the revolution in 21st century particle physics）（登載於美國史丹福大學工學院網站），具體建議以下列三個主軸，九項相關的物理基本問題，做為 21 世紀探索宇宙科學的主要方向。
主軸一：大統一力場理論（1）是否還有未被發現的自然界原理？新的物理法則、定律？
（2）如何解開「暗能量」的奧祕？
（3）除已知的 4 維時空外，是否有更多維度的空間？
（4）自然界的 4 種基本作用力是否歸於同一來源？主軸二：物質基本粒子（5）迄今已知物質的基本粒子有 57 種，為何有如此多種粒子？
（6）「暗物質」究竟是何物？如何在實驗室中製造出來以供研究？
（7）微中子能提供科學家何種探索宇宙的線索？主軸三：宇宙演化進程（8）宇宙如何演化成今日的狀態？
（9）「反物質」為何消失無蹤？