К ученому Никите Некрасову, работающему в закрытом Институте физических проблем, приезжают его жена и маленькие дети. За время их отсутствия физик успел увлечься другими женщинами. В откровенных разговорах с супругой – в спальне, в столовой, на прогулке – он пытается убедить ее в правомерности полигамии и проверить пределы ее безусловной любви.

Молодая библиотекарша Катя мечтает о настоящей любви, но её романтические представления сталкиваются с суровой действительностью. После множества разочарований она наконец находит поддержку и теплоту в отношениях с коллегой, журналисткой Таней. Однако их связь привлекает внимание Первого отдела, который считает такие отношения недопустимыми для советской женщины.

В Советском Союзе 1950-х годов Наташа работает заведующей столовой в секретном научно-исследовательском институте. Днём она полностью погружена в свои обязанности, а по вечерам расслабляется с младшей коллегой Ольгой. Подруги часто проводят время вместе, обсуждая свои романтические ожидания и мечты о лучшей жизни. Однажды на вечеринке Наташа начинает сближаться с французским учёным Люком Биже. Однако на следующий день её вызывают на допрос в КГБ, и события начинают разворачиваться совершенно неожиданным образом.

СССР. Нора, ранее жившая в провинции, теперь замужем за успешным ученым и проживает с семьей на территории закрытого московского Института. Впервые с момента замужества её навещает мать. Она внимательно изучает атмосферу в доме, стараясь понять, насколько счастлива её дочь. В ходе откровенных разговоров между матерью и дочерью раскрывается вся сложность и многогранность их противоречивых отношений.

1953 год, первые дни после смерти Сталина. Весь Советский Союз, особенно органы госбезопасности, живет в состоянии тревожной неопределенности. В закрытом научном Институте учёные продолжают свои теоретические и экспериментальные исследования. Каждую ночь они прислушиваются к шагам в темных коридорах, пытаясь угадать, за кем на этот раз пришли и кто успел написать донос. Андрей Лосев, который заведует теоретическим отделом Института, переживает страх и унижение на допросе, но решительно отказывается сотрудничать с внутренними органами. Однако впереди его ждет новое испытание – в собственном доме.

Максим и его товарищи погружаются в секретные эксперименты, направленные на создание нового типа человека. В закрытом Институте царят пороки, которые Максим глубоко презирает: пьянство, распущенность, слабоволие, потеря идеалов и отсутствие веры в будущее. Вика, работающая буфетчицей в Институте, влюбляется в молодого коммуниста, несмотря на то, что его интерес к евгенике и склонность к жестокости ее пугают. Она надеется, что ее любовь и нежность смогут смягчить Максима, в то время как сотрудники госбезопасности пристально следят за развитием их отношений.

Физик-теоретик Никита Некрасов занимается исследованием не только нашего мира, но и возможных параллельных вселенных. Он не желает выбирать между математикой и физикой, а также между разными женщинами в своей жизни. Никита размышляет о сосуществовании параллельных миров и делится своими мыслями на научных конференциях, где собираются как известные международные ученые, так и молодые физики. Некрасов страстно обсуждает красоту теории струн. Своим женщинам – библиотекарше Кате, научному секретарю Зое и начальнику отдела Светлане – он старается донести идею своей полигамии и убеждает их в возможности большого чувства, которое может быть разделено между всеми.

СССР, 1968 год. В секретном научно-исследовательском институте проводят научные и оккультные эксперименты над животными и людьми, стремясь создать идеального человека. Генерал КГБ и его подчиненные закрывают глаза на эротические похождения директора института, на скандальные выходки выдающихся ученых и на их жестокие и безумные исследования. Однажды в лабораторию под видом испытуемых прибывает группа радикальной крайне правой молодежи. Им поручено искоренить распущенность и моральное разложение в институте, а если потребуется — разрушить и стереть с лица земли хрупкий мир секретной советской науки.

СССР, 1956 год. Видный советский физик Дау встречается с Марией, своей юношеской любовью, которая приезжает из Греции в Москву всего на три дня. Прошло 25 лет с их последней встречи. Дау, успешный и состоятельный ученый, ощущает глубокую неудовлетворенность своей семейной жизнью и надеется, что Мария поможет ему вновь обрести утраченные гармонию и красоту. Однако реальность врывается в его дом в лице Норы, жены Дау, нарушая его мечты.