奈米的尺度为10-9米，这个尺度约为一般原子半径的十倍，也就是说奈米技术的仪器工具，可以观察物体表面的奈米尺度结构，但对于更微观的原子尺度，仍须采用其他研究方法。
经常有人误以为原子力显微镜即可对原子进行观测，然而实际上，原子力显微镜最佳解析度约为零点一奈米，与原子直径差不多，最多仅能对原子的外观轮廓做观测。而原子内部的结构又呈现出巨大的空洞，仅有原子核区域有较大的质量存在，要用现有的仪器原理进行观察，可说是非常困难。
当尺度更缩小至原子的内部空间结构。目前尚未有任何仪器可以观察其实际的构造，而是采用粒子撞击的方式，根据撞击结果，间接推测其内部状态。一般认为，原子核集中于原子的中心，由质子和中子构成，质量几乎等于整个原子的质量。而电子则分布于原子核之外，质量非常小，运行轨道则以机率的方式分布于原子核以外的区域。
物理学家近期的研究
受限于实验手段与仪器，物理学家难以窥测微观世界的实际情况，因此现有对小于原子尺寸的微观空间的模型，都是在现有实验数据基础上进行的理论推测，并不能百分之百肯定，也不能保证其正确性。
二十世纪早期的研究指出，原子内部有质子、中子、电子等基本粒子。到了近期则发现，质子、中子其实也不是最基本粒子，而是由更小的夸克（quark）所组成的，电子则属于轻子（lepton）的一种。而在比质子更微观的尺度中，粒子则不仅仅有夸克、轻子等物质性粒子，还有能量性的粒子，称之为玻色子（bosons）。玻色子又分为胶子、光子、W及Z玻色子、引力子等。（引力子尚未被发现，为假设性粒子）。
那么比夸克和玻色子更小、更微观的粒子存不存在呢？是有可能存在的。但已远远超出现有研究方法可侦测的范围了，以实证的手段是很难进行研究的。
对微观粒子的研究除了帮助人类了解物质的组成之外，由于微观粒子具有异于宏观粒子的特殊物理现象（量子效应），从而打开了另一道研究之门。
超弦理论的多维时空观
在研究微观粒子时，为了圆满的解释一些微观世界的物理现象，科学家提出「超弦理论」，这个一九七零年代提出的理论，从数学上推论宇宙应具有多维空间，比如十维、十一维或二十六维空间，甚至还有人提出宇宙具有无穷维度的空间。
这么多维度的空间，人类只能触及与观察到目前生活中的四维（三维空间加上一维时间）时空，其余的空间维度都蜷缩在比原子还小很多的极微观尺度当中，因此人类难以察觉。也就是说，在原子以下的微观空间中还存在着人类所接触不到的许多空间。
多世界理论
科学家在研究微观的量子行为时惊讶的发现，诸如质子、电子等微观粒子，都有一个奇怪的性质：在同一个时刻，它可以既在这里又在那里，也就是说一个微观粒子同时存在于在空间中的许多位置上，就像它们有分身术一样。但是当我们真正去观测它时，却又只能在一个位置上找到它。
显然，微观世界的物理原理与我们日常生活的经验有很大的差异。科学家尝试提出许多理论来解释这个现象，但都难以自圆其说。直到一九五零年代，「多世界理论」（many worlds theory）的出现，似乎才比较圆满的解释了这个现象。
多世界理论认为，这个宇宙中，并不仅仅只有我们看得到的这个世界。实际上宇宙中存在着无限多个世界，我们这个世界的空间中有多少个位置，就有多少个另外的世界存在。
而在这些世界的每一个当中，微观粒子都有一个确定的位置，所以看起来就像是粒子在我们这个世界的每一个位置上都存在一样。我们每做一次测量，就是从这无限多个世界中选择出一个世界，粒子在那个世界中的位置就是我们测量到的位置。
对「多世界理论」有深入研究的英国牛津大学德伊池教授（David Deutsch）进一步认为：「量子力学的多世界理论不仅适用于微观世界，而且适用于宏观世界的每一个层面。」因为所有的宏观物体，包括我们自己都是由这些微观粒子构成的，既然在微观领域，有无数的实验证实了量子力学的可靠性，那么在宏观领域，它也同样应该适用。
德伊池教授说，我们每一个人也都同时存在于不同的空间中，即使我们自己意识不到这一点。实际上不仅是每一个人，包括这个地球，都有无数的「分身」，他们同时存在于无数宏大的世界中，在每一个世界中都有其特定的演变形式，所以单一世界的概念实际上是错误的。