Mặc dù các hiện tượng hạ nguyên tử đã thống trị ngành vật lí trong thập niên 1930, nhưng công trình rất hấp dẫn đang diễn ra trong một phân ngành khoa học khác. Thiên văn học vật lí là hoạt động được vun xới đặc biệt. Năm 1931, nhà toán học và thiên văn vật lí người Anh gốc Ấn Độ Subrahmanyan Chandrasekhar (1910–95) đã phát triển cácthuyết mô tả chu kì sống của những ngôi sao và dự đoán sự tồn tại của những lỗ đen hàng thập kỉ trước khi chúng được phát hiện ra. (Ông giành giải Nobel vật lí năm 1983) Trong một bước nhảy vọt kiến thức tương tự vào năm 1934, hai nhà thiên văn quê quán châu Âu làm việc ở California, Fritz Zwicky (1898–1974) người Thụy Sĩ, và Walter Baade (1893–1960) người Đức, đã dự đoán những ngôi sao siêu đặc cấu tạo hoàn toàn gồm neutron. Chỉ một vài nhà khoa học để mắt chú ý, cho đến năm 1967 thì pulsar đầu tiên được phát hiện. Một số người giải thích sự thăng giáng cường độ đều đặn của pulsar là một tin nhắn vũ trụ đến những giống loài thông minh, nhưng hóa ra nó là bằng chứng đầu tiên cho sự tồn tại của sao neutron. Một tiến bộ thiên văn vật lí nữa xuất hiện ở trường Đại học Cornell, nơi vào năm 1939 Hans Bethe (1906–2005) đã phát triển một lí thuyết giải thích các quá trình hạt nhân xảy ra bên trong lõi của những ngôi sao bình thường khi chúng trải qua những giai đoạn khác nhau của cuộc sống của chúng.

Vật lí học cũng đóng góp đáng kể cho sự phát triển của những lĩnh vực khác trong những năm 1930. Nhà hóa học Linus Pauling (1901–94), người giành giải Nobel hóa học năm 1954 và giải Nobel hòa bình năm 1962, tiếp tục công trình quan trọng mà ông đã bắt đầu từ hồi cuối những năm 1920 về quan điểm cho rằng cơ học lượng tử dẫn đến một sự hiểu biết trọn vẹn hơn về các liên kết hóa học. Một loại liên kết xảy ra khi một nguyên tử cho đi electron hóa trị của nó, những electron nằm bên ngoài lớp vỏ khép kín, để hoàn chỉnh lớp vỏ ngoài cùng của một nguyên tử khác. Điều đó mang lại một liên kết ion – các ion liên kết điện với lớp vỏ chứa đầy electron. Liên kết cộng hóa trị thu được từ sự chia sẻ electron hóa trị của các nguyên tử để hoàn chỉnh lớp vỏ electron của chúng. Năm 1935, nhà địa chất học Charles Richter (1900–85) đã phát triển chuẩn đo nổi tiếng của ông để đo cường độ động đất. Và các kĩ sư người Đức đã chế tạo thành công máy bay phản lực đầu tiên vào năm 1939.

Sự xuất hiện của vật lí lượng tử còn dẫn đến những phát triển quan trọng trong ngành vật lí vật chất hóa đặc vào cuối những năm 1920 và những năm 1930, cả về lí thuyết lẫn công nghệ. Lúc ấy, thuyết lượng tử đã được xác lập ở cấp độ nguyên tử, cho nên một vài nhóm nghiên cứu ở châu Âu và Mĩ đã tìm cách áp dụng những kĩ thuật toán học của nó cho các electron trong tinh thể: sự sắp xếp ba chiều đều đặn của các nguyên tử. Nhờ thế, công trình trên có áp dụng rộng rãi để tìm hiểu cơ sở vật lí của chất rắn. Ở các đơn nguyên tử, thí dụ như hydrogen, thuyết lượng tử dự đoán những mức năng lượng được phép nhất định. Trong tinh thể, mỗi nguyên tử có những mức năng lượng riêng của nó đối với electron trong những lớp vỏ chứa đầy. Với những electron còn lại, thay cho một tập hợp rời rạc những mức năng lượng được phép, có hai dải năng lượng được phép với một khe trống ở giữa chúng. Dải năng lượng thấp hơn được gọi là dải hóa trị, và các electron của nó chiếm giữ những trạng thái lượng tử thuộc về những nguyên tử riêng lẻ. Dải kia là dải dẫn, và các trạng thái năng lượng của nó thuộc về tinh thể nói chung. Trong kim loại, dải hóa trị không có đủ những trạng thái lượng tử được phép để cung cấp cho những electron ngoài cùng của tinh thể (những electron nằm bên ngoài lớp vỏ chứa đầy). Cho nên một số electron đi vào dải dẫn. Chúng chẳng thuộc về nguyên tử đặc biệt nào và vì thế chuyển động tự do, mang điện tích và năng lượng theo cùng với chúng. Đó là nguyên do vì sao kim loại là chất dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Các chất cách điện và chất bán dẫn có chỗ cho mọi electron lớp ngoài cùng trong dải hóa trị. Tính chất dẫn điện và dẫn nhiệt của chúng tùy thuộc vào số trạng thái lượng tử chưa được lấp đầy trong dải hóa trị và kích cỡ của khe năng lượng giữa hai dải.

Trong công nghệ, có lẽ ứng dụng lượng tử nổi bật nhất là chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên, chế tạo năm 1931 ở Berlin, Đức, bởi Ernst Ruska (1906–88), người giành giải Nobel vật lí 1986 và Max Knoll (1897–1969). Sức mạnh tạo ảnh của kính hiển vi bị hạn chế bởi bước sóng của năng lượng nó dùng để chiếu sáng mẫu đang nghiên cứu. Bước sóng của ánh sáng khả kiến to gấp hàng nghìn lần nguyên tử và phân tử, cho nên kính hiển vi quang học có thể hé lộ rất ít về sự sắp xếp tinh thể bên trong của các nguyên tử ở dạng rắn. Nhưng các electron năng lượng cao, theo công thức de Broglie, có bước sóng ngắn hơn nhiều và do đó mang lại tiềm năng tạo ảnh của những cấu trúc tinh thể và nghiên cứu hành trạng của những sai lệch và khiếm khuyết trong tinh thể. Trong những thập kỉ sau này, khi công nghệ này đã phát triển, kính hiển vi điện tử không những trở thành một dụng cụ trong phòng thí nghiệm mà còn là một công cụ công nghiệp rất quan trọng đối với việc chế tạo các chất liệu và dụng cụ công nghệ cao.

Một hiện tượng vật chất hóa đặc khác được quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1937 và 1938 bởi nhà vật lí người Nga Pyotr Kapitsa (1894–1984), người giành giải Nobel vật lí 1978. Ông đã tường thuật tính chất kì lạ của helium lỏng gọi là tính siêu chảy. Giống như một chất siêu dẫn mất hết điện trở đối với dòng điện chạy qua nó ở nhiệt độ rất thấp, helium mất hết độ nhớt – sự cản trở của nó đối với dòng chảy. Do đó, lực căng bề mặt làm cho nó trườn lên trên thành bình chứa hoặc chảy qua cái lỗ nhỏ bé nhất. Cuối cùng, các nhà vật lí giải thích được cả sự siêu chảy và siêu dẫn là hệ quả của những hiệu ứng lượng tử ở cấp độ nguyên tử tự biểu hiện chúng trên một quy mô lớn hơn nhiều. Sự siêu dẫn sẽ được trình bày thêm trong chương 6 và chương 9.

(Còn tiếp nhiều kì...)