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后来，在亚里士多德的哲学中，物质被设想为处在形式与物质的关系之中。我们在我们周围的现象的世界中所知觉到的一切是成形的物质。物质本身并不是实在，而只是一种可能性，一种“潜能”；它只是靠形式而存在。在自然过程中，亚里士多德所谓的“本质”，从仅仅是可能性开始，通过形式，而转化为现实。亚里士多德的物质当然不是象水和空气一样的具体物质，也不仅仅是空虚的空间；它是体现通过形式转变为现实的可能性的一种不确定的、有形体的基质。亚里士多德哲学中物质与形式的这种关系的典型例子，是物质形成为生命机体的生物学过程和人类的建筑和造型活动。雕像在被雕刻家刻出以前，是潜在干大理石之中的。
然后，在很久以后，从笛卡儿的哲学开始，第一次把物质看作是精神的对立面。世界有两个互补的方面，“物质”和“精神”，或者如笛卡儿所说的，“广延实体”和“思维实体”。因为自然科学的新的方法论原理，特别是力学的方法论原理，排斥了将有形体的现象追踪到精神力的一切企图，物质只能看作是与精神和任何超自然力无关的实在本身。这个时期的“物质”是“成形的物质”，成形的过程被解释成为力学相互作用的因果链条；这就丧失了它和亚里士多德哲学中有生长力的灵魂之间的联系，从而，物质与形式之间的二重性不再是适合的了。正是这种物质概念，在我们现今使用“物质”一词时，构成了最最牢固的成分。
最后，在十九世纪的自然科学中，另一个二重性起了某种作用，这就是物质和力之间的二重性。物质是能够承受力的东西；或者说，物质能够产生力。譬如，物质产生引力，而这种力又作用在物质上。物质和力是有形体世界两个显然不同的方面。就力可能是造形力来说，这个区别更接近于亚里士多德的物质与形式的区别。另一方面，在现代物理学的最近发展中，物质与力之间的这种区别完全丧失了，因为每个力场包含了能量，因而也就构成了物质。对于每一种力场，都有一种特殊的基本粒子隶属于它，这种基本粒子在本质上和物质的一切其他原子单位具有相同的性质。
当自然科学研究物质伪问题时，它只有通过对物质的形式的研究才能进行。物质形式的无穷多样性和易变性必定是研究的直接对象，而努力必定是朝向寻求若干自然律、某些能作为通过这个广大领域的向导的统一原理。因此，长时期以来，自然科学——特别是物理学——的兴趣就集中在关于物质结构的分析和关于促使形成这些结构的力的分析。
自从伽利略的时代以来，自然科学的基本方法就一直是实验。这种方法使它能从一般经验推移到特殊的经验，从自然中挑选出有特征性的事件，从这些事件中能够比从一般经验中更直接地研究自然“定律”。如果人们要研究物质结构，人们必须拿物质做实验。人们必须让物质处于极端条件下，以便研究它在那种条件下的嬗变，期望发现在一切明显的变化中都保持着的物质的基本特征。
在现代自然科学的早期，这是化学的对象，而这方面的努力颇早就导致化学元素的概念。一种物后，不能由化学家处置的任何方法——沸腾、燃烧、溶解、和其他物质混合等等——进一步离解或分化的，称为一种元素。引入这个概念是走向了解物质结构的第一步，也是最重要的一步。至少，物质的巨大多样性归结为比较少量的更基本的物质——“元素”了，从而在化学的各种现象中能够建立某种秩序了。“原子”一词用来表示属于一个化学元素的物质的最小单位，而化合物的最小颗粒能用一小团不同的原子来描绘。例如，铁元素的最小颗粒是铁原子，而水的最小颗粒是水分子，由一个氧原子和两个氢原子组成。
第二步并且是同样重要的步骤是化学过程中质量守恒的发现。例如，当碳元素烧成二氧化碳时，二氧化碳的质量等于化合过程发生前碳和氧的质量之和。正是这个发现给予物质概念以定量的意义；物质能用它的质量来度量，而与它的化学性质无关。
在后一个时期，主要是十九世纪，发现了许多新的化学元素；在今天，这个数量已到达一百个。这种发展十分清楚地表明，化学元素的概念尚未到达人们能够理解物质统一性的地步。要人相信世界上有许多种类的物质，它们在性质上互不相同，并且相互之间没有任何联系，这是不能令人满意的。
在十九世纪的开始，从不同元素的原子量常常似乎是一个最小单位（接近氢的原子量）的整数倍这样一个事实中，发现了不同元素间的联系的某种迹象。某些元素的化学行为的类似性是引向同一个目标的另一个暗示。但只有通过比化学过程中的作用力强得多的力的发现，才能真正建立起不同元素间的联系，从而引导到物质的更严密的统一。
这些力在1896年贝克勒耳发现的放射性过程中确实发现了。由居里、卢瑟福和其他人继续进行的研究，揭示了放射过程中元素的婚变。在这些过程中发射出 α粒子，它们是原子的碎片，带有差不多比化学过程中单个原子粒子的能量大一百万倍以上的能量。因此，这些粒子可以用作研究原子内部结构的新工具。卢瑟福从α射线散射实验的结果得出了 1911年有核的原子模型。这个著名的模型的最重要特征是原子分成两个截然不同的部分：原子核和周围的电子居。在原子中心的原子核只占有原子所占空间的非常小的一部分（它的半径小于原子半径的十万分之一），但却几乎包含了原子的全部质量。它的正电荷是所谓基元电荷的整数倍，它决定了周围电子的数目——整个原子在电的性质上是中性的——和它们的轨道形状。
原子核和电子展之间的这种区分，立即给下面的事实作出了适当的解释，这事实就是：对于化学来说，化学元素是物质的最终单位，要使化学元素相互转化，就需要强得多的力。相邻原子间的化学键是由于电子壳层的相互作用，而这种相互作用的能量是比较小的。在一个放电管中，用只有几伏特的电势加速了的一个电子，就有足够的能量将电子壳层激发到发射辐射，或破坏分子中的化学键。但是，原子的化学行为虽然是由原子的电子壳层的行为所构成的，但却取决于原子核的电荷。如果人们要改变原子的化学性质，就必须改变原子核，而这需要差不多一百万倍以上的能量。
然而，如果把有核的原子模型设想为一种服从牛顿力学的系统，那就不能解释原子的稳定性。如前一章所指出，只有通过玻尔的工作，将量子论应用到这个模型上，才能解释如下的事实：例如，一个碳原子在与其他原子作用以后，或者在发出辐射以后，最后总仍然保持为一个带有以前一样的电子壳层的碳原子。这种稳定性只能由量子论的这样一些特征来解释，这些特征不容许以空间和时间对原子结构进行简单的客观描述。
这样，人们终于有了理解物质的第一个基础。原子的化学性质和其他性质，可以通过把量子论的数学方案应用到电子壳层上而加以说明。从这个基础出发，人们可以尝试从两个相反方向扩展物质结构的分析。人们或者可以研究原子间的相互作用、它们与分子或晶体或生物学对象等更大单位的关系；或者可以尝试通过原子核与其组成部分的研究，深入到物质的最终单位中去。过去十年中，研究工作在这两条路线上都有了进展，下面我们将讨论量子论在这两个领域中的作用。
两个邻近原子间的力首先是异性相吸和同性相斥的电力；电子受到原子核的吸引，电子与电子又相互排斥。但这些力不按照牛顿力学定律起作用，而是按照量子力学定律起作用。
这导致原子之间两种不同类型的结合。在一种类型中，一个原子的电子跑到另一个原子中，例如，去填满一个几乎闭合的电子壳层。在这种情况下，两个原子最后都带电，而形成物理学家所谓的离子，并且因为它们的电荷是相反的，他们互相吸引。
在另一种类型中，一个电子以量子论所特有的方式同时属于两个原子。利用电子轨道的图象，人们可以说电子围绕着两个原子核旋转，并在每一个原子中都逗留相当的时间。这第二种结合类型相当于化学家所称的共价键。
这两类力可以以任何混合的形式发生，而促使各种原子团的形成，并且似乎是物理学和化学中研究的大量物质的一切复杂结构的最终原因。化合物的形成是通过包含不同原子的小的闭合原子团的形成而发生的，每个原子团是化合物的一个分子。晶体的形成是由于原子排列成规则的点阵。当原子是如此紧密地排列着，以致它们的外层电子能够离开它们的壳层而在整个晶体中移动时，就形成了金属。磁性是由于电子的自旋运动引起的，如此等等。
在所有这些例子中，物质与力之间的二重性仍能保持，因为人们可以认为原子核与电子是由电磁力联结在一起的物质的碎片。
这样，物理学与化学在它们与物质结构的关系方面差不多完全联合起来了，而生物学则处理更为复杂的并多少有所不同的类型的结构。确实，虽然生命机体是一个整体，生命物质与非生命物质的严格界线仍然是无法作出的。生物学的发展为我们提供了大量例子，在这些例子中人们可以看到，特殊的大分子或大分子团或链具有特殊的生物学功能，并且在现代生物学中有着一种日益增长的把生物学过程解释为物理学与化学定律的结果的趋势。但是生命机体显示的稳定性的类型在本质上多少与原子或晶体的稳定性有所不同。这