只有在次原子尺度下，这两种质体的对立形态才会显现出来。这个尺度下的法则不同于我们在宏观世界中的经验。可能正是在试图理解这些法则内涵的过程中，科学界才偶然发现了反物质的必然性。
通常可见的东西内部都含有无数亿个原子，而牛顿运动定律决定了这些宏观物体的运动规律，从而可以准确预言台球的碰撞和运动轨迹。但对于单独的原子以及其内部粒子而言，其形成的是一个不确定的世界，可以被预言的只有事件发生的相对概率。对于台球而言，相互碰撞和运动会按照固定的轨迹；一束原子在某些角度上的散射概率也会比另一些角度大，最终形成强弱不同的区域，就像水波穿过某个缺口之后形成的波峰和波谷一样。
单个原子的行为可能看起来是随机的，但实际上它并不是这样。描述原子行为的法则称为“量子力学”，它可以预言出某个特定原子进行某种行为的概率。就像我没法确定地预言一次掷硬币的结果是正面还是反面，但是如果我掷了数百万次，我却可以确定正反面的概率基本接近于1:1；而且投掷的次数越多，我预测的概率就越准确。这同样适用于多个原子。量子力学的基本定律也适用于单个原子；我不能准确预言单个原子受到碰撞时会发生什么情况－－它会类似于掷硬币的正面还是反面落地，但是当数百万的原子参与进来时，正面和反面出现的概率就会逐渐显现出来。当考虑到大量的原子时，牛顿确定性定律就会从潜在的量子准则里浮现出来。
根据牛顿定律的预言，由物质构成的球的运动和反物质构成的球的运动会完全一样：数十亿个原子和数十亿个反原子会表现出相同的特性。尽管如此，物质的双极性潜伏在一些独特的原子中，在这些原子中量子准则支配一切。当这些量子准则与爱因斯坦的相对论结合起来时，就揭示出仅有物质这一种形式是不够的：大爆炸中进行的创造一定产生了两个能相互抵消的种类。
现在流行的学说中，原子经常被描绘成形如一个微型的太阳系，其中电子像行星一样围绕着中心的核太阳旋转：小东西围绕着中心的大家伙高速运动。但是，当这个构想第一次被提出时，人们对此是很恐慌的。
地球每一年都会绕太阳公转一圈，这种事情已经持续了超过40亿年，从未被打破过。作为比较，考虑氢原子中的这个电子，它似乎绕着中心质子以约光速的1%在旋转，一秒钟可以旋转上千万亿圈。换种说法：也就是在百万分之一秒内，电子绕着中心质子旋转的圈数，超过了整个历史上地球绕着太阳旋转的总圈数。这个观点出现于20世纪初，根据当时的理论，这种高速旋转的电子会放出大量的电磁辐射，以至于它会在电光火石之间就以螺旋型轨迹下坠到原子核上去。那么，原子怎么能得以幸存呢，万物又是如何得以存在的呢？
对于这些问题，量子理论给出了答案。如果我们考虑一个小于百万分之一微米的距离，这个距离相当于原子的尺度，此时我们日常积累的经验就完全不起作用了。
1900年，普朗克（Max Planck）向人们展示了光波是以一个明显的能量“包”或者能量“量子”的形式发射出来的，这被能量“包”称为光子。1905年，爱因斯坦提出当光穿过空间之后仍然会保持这种“包”的形式。这是量子理论的萌芽，该观点认为粒子有神奇的性质，它不在这儿也不在那儿，而是“最有可能在这儿，不太可能在那儿”。在量子力学中，可能性代替了确定性，而这个可能性会像水波一样上下浮动。这个观点的首个成就，就是解释了为什么原子得以幸存。
概率的量子波可以被想象成一条长绳上的波动。如果将这条长绳像套马索一样接成一个圈，任何波的波长都会不得不恰好与这个周长匹配。把这个圆圈想成一个钟面。如果有一个峰处于12点位置而一个谷处于6点位置，那么下一个波峰就会正好与12点位置重合。但是，如果波峰在12点，而波谷在5点，那么下一个波峰就会在10点，导致12点位置在波的打击下变得混乱。1912年夏天，丹麦物理学家波尔（Niels Bohr）认识到电子沿着原子循环的概率波也必须与每个圈都完全吻合；电子不能想去哪就去哪，而是只能在那些与它们的波长精确匹配的轨道上。尤其是它们不能像螺旋一样坠入原子核发生核毁灭：原子是稳定的。（见图2.1）
图2.1 波要想幸存，就必须与圆圈匹配
这些量子波也解释了一个困扰人类200年的谜题：原子光谱现象。相对而言，人们更容易引出原子内部发出的光，并重现出这些光独特的光谱。要做到这一步，你可以把一些元素－－比如钠－－放到火焰上烧，然后通过一个棱镜或者衍射光栅来观察这些光（它们可以将光内部的不同颜色成分分开）。你会看到它包含一系列明亮的线。对于钠而言，它会含有两条特别强的橘黄色线－－我们现在常用的钠基街灯发出的黄光就源于此。类似地，汞蒸气灯会发出蓝绿色光，而很多星星的照片中看到的粉色的光是因为氢趋于发射彩虹中远红端颜色的可见光。这些美丽的色彩模型需要一个合理的解释：是什么导致了它们的出现？为什么不同元素的色彩不同？现在我们知道，它们来源于原子内部电子的量子跃迁。
只有当电子从一个轨道移动到另一个轨道时，才会发出光。如果初始轨道上只能容纳高能电子，而这个电子又转到了一个低能轨道上，那么这两个轨道能量之差就会以光子的形式发射出来。系统的总能量保持不变，只是进行了再分配。所以发出的光子只能具有某些不连续的能量，而这些能量由电子能进行的特定跃迁来决定。光子能量的不连续性（离散化）在我们眼睛看来就是不同的颜色。其结果是：不同元素发射出的光的色谱是不同的。由此，通过分析自太空入射而来的光谱，我们就可以知道宇宙中遍布着哪种元素的原子。这些色彩模型是一种可见的证据，证明量子波的存在，其确定的概率支配着基本粒子内的次原子世界。
