La physique est la science qui tente de comprendre, de modéliser, voire d'expliquer les phénomènes naturels de l'univers. Elle correspond à l'étude du monde qui nous entoure sous toutes ses formes, des lois de sa variation et de son évolution.

La modélisation des systèmes peut laisser de côté les processus chimiques et biologiques ou les inclure. La physique développe des représentations du monde expérimentalement vérifiables dans un domaine de définition donné. Elle produit donc plusieurs lectures du monde, chacune n'étant considérée comme précise que jusqu'à un certain point.

La physique telle que conceptualisée par Isaac Newton, considérée comme le modèle absolu et aujourd’hui désignée comme la physique classique, n'arrivait pas à expliquer des phénomènes naturels comme le rayonnement du corps noir (catastrophe ultraviolette) ou les anomalies de l’orbite de la planète Mercure, ce qui posait un réel problème aux physiciens. Les tentatives effectuées pour comprendre et modéliser les phénomènes nouveaux auxquels on accédait à la fin du XIX siècle révisèrent en profondeur le modèle newtonien pour donner naissance à deux nouveaux ensembles de théories physiques. Certains diront qu'il existe donc trois ensembles de théories physiques établies, chacune valide dans le domaine d’applications qui lui est propre :

La physique classique (monde des milieux solides, liquides et gazeux), toujours d'actualité, c'est elle qui s’applique, par exemple, à la construction des routes, des ponts et des avions. Elle utilise les anciennes notions de temps, d'espace, de matière et d'énergie telles que définies par Isaac Newton ; La physique quantique (monde microscopique des particules et des champs) qui s’applique, par exemple, à la technologie utilisée pour la production des composants électroniques (la diode à effet tunnel par exemple) ou encore aux lasers. Elle se fonde sur de nouvelles définitions de l'énergie et de la matière mais conserve les anciennes notions de temps et d'espace de la physique classique, ces deux dernières étant contredites par la relativité générale. La physique quantique n'a jamais été prise en défaut à ce jour ; La relativité générale (monde macroscopique des planètes, des trous noirs et de la gravité) qui s’applique, par exemple, à la mise au point et au traitement de l'information nécessaire au fonctionnement des systèmes GPS. Elle se fonde sur de nouvelles définitions du temps et de l'espace mais conserve les anciennes notions d'énergie et de matière de la physique classique, ces deux dernières étant contredites par la physique quantique. La relativité générale n'a jamais été prise en défaut à ce jour.

D'autres estiment que chaque branche de la physique a son importance à part entière, sans forcément s'inclure dans l'un de ces ensembles. De plus, il se trouve qu'il n'y a pas de situation physique courante où ces deux dernières théories s'appliquent en même temps. La relativité s'applique au monde macroscopique et la physique quantique au monde microscopique. Le problème actuel de la recherche en physique fondamentale est donc de tenter d'unifier ces deux dernières théories (voir Gravité quantique).

Les divisions anciennes en mécanique, calorique, acoustique, optique, électricité, magnétisme sont complétées ou remplacées par :

la taille des éléments de structure au centre de la modélisation : particules élémentaires, noyaux atomiques, atomes, molécules, macromolécules ou polymères, grains de matière… les caractères des interactions à l'origine des phases ou états de la matière : plasma, fluide supercritique, gaz, liquide, solide.

La physique classique est fondée sur des théories antérieures à la relativité et aux quanta. Elle s'applique lorsque :

soit la vitesse est très inférieure à la célérité de la lumière dans le vide ; soit la discontinuité des niveaux d'énergie est impossible à mettre en évidence.

La physique est née avec les expériences répétées de Galilée qui n'accepte, au-delà des principes et des conventions issus des schémas mathématiques, que des résultats mesurables et reproductibles par l'expérience. La méthode choisie permet de confirmer ou d'infirmer les hypothèses fondées sur une théorie donnée. Elle décrit de façon quantitative et modélise les êtres fondamentaux présents dans l'univers, cherche à décrire le mouvement par les forces qui s'y exercent et leurs effets. Elle développe des théories en utilisant l'outil des mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution de systèmes.

Le mot physique a une longue histoire, il provient de φυσικη, formée sur l'étymon grec φυσις, la nature. La physika ou physica gréco-romaine est étymologiquement ce qui se rapporte à la nature ou précisément le savoir harmonieux et cyclique sur la nature dénommée φυσις. Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature qui se perpétue en restant essentiellement la même avec le retour des saisons ou des générations vivantes ; c'est le sens de René Descartes et de ses élèves Jacques Rohault et Régis. Elle correspond alors aux sciences naturelles ou encore à la philosophie naturelle. La signification de cette physique ancienne ne convient plus aux actuelles sciences exactes que sont la physique, la chimie et la biologie, cette dernière étant la plus tardive héritière directe des sciences naturelles.

Étymologie et évolution du sens

Sections transversales des premières orbitales de l'atome d'hydrogène, le code de couleurs représentant l'amplitude de probabilité de l'électron (noire : amplitude zéro, blanc : amplitude maximale).

C'est vraisemblablement l'ouvrage Physica d'Aristote (384-322) qui est à l'origine de ce mot.

Le terme « physique » vient du grec η φυσικη (ê physikê) adopté dans le monde gréco-romain, signifiant « connaissance de la nature ». Ce nom est obtenu en substantivant l'adjectif φυσικος, -η, -ον qui se traduisait alors par « qui concerne la nature ». La racine de ces termes est φυσις (physis), la nature au sens des Grecs anciens.

Le terme ancien est perpétué par la tradition de la philosophie antique. Selon Platon, la physique est l'une des trois parties de l'enseignement de la philosophie, aux côtés de l'éthique et de la logique. Selon son élève Aristote, la philosophie se divise en philosophie théorétique, philosophie pratique et philosophie poétique ; la physique est une des trois parties de la philosophie théorétique, aux côtés de la mathématique et de la théologie. Aristote écrit un livre sur La Physique. Ce qui échappe à la triple catégorisation et ne peut être catalogué dans la physique est dévolu à la métaphysique, c'est-à-dire ce qui va au-delà de la physique.

Au XII siècle, le mot savant physique est attesté en ancien français sous la double forme fusique dès 1130 ou fisique. Il a un double sens :

La médecine se nomme fusique. Son praticien, un médecin ou autrefois un apothicaire, est dénommé fisicien dès 1155. En anglais le terme subsiste avec la graphie savante : a physician.

La fisique est aussi la connaissance des choses de la nature. Le praticien ne soigne-t-il pas avec les dons de la nature, les herbes et les plantes, les substances minérales, animales ou végétales ?

Il n'apparaît en tant qu'adjectif qu'à la fin du quattrocento ou XV siècle. Loys Garbin le cite dans son vocabulaire latin-français publié à Genève en 1487, où il désigne « ce qui se rapporte à la nature » et le substantif s'affirme dorénavant science des choses naturelles. L'adjectif reste d'emploi rare avant le XVII siècle. Le mot physique désigne alors les « connaissances concernant les causes naturelles » et, à l'instar de la force promue par hypothèse cause du mouvement, son étude apporte l'expression « philosophie naturelle » selon un corpus universitaire gardé par Isaac Newton, auteur des principes mathématiques de philosophie naturelle. Au XVIII siècle, la physique désigne clairement en français la science expérimentale.

Des chaires de philosophie naturelle sont établies dans certaines universités, notamment au Royaume-Uni (Oxford, Edimbourg, etc.) À Paris, on compte par exemple une chaire de philosophie naturelle au collège de Clermont, occupée notamment par Ignace-Gaston Pardies. Maxwell occupe quelque temps une semblable chaire à Edimbourg où l'enseignement reste un fourre-tout indigeste.

Histoire : naissance d'une science moderne

Le mot physique prend son sens moderne, plus restreint et mieux défini que le sens originel, au début du XVII siècle avec Galilée. Selon lui, les lois de la nature s'écrivent en langage mathématique. Les principes d'inertie et de relativité ainsi que les lois découvertes semblent contredire le sens commun.

Portrait de Galileo Galilei par Giusto Sustermans en 1636.

L'élève de Galilée, Torricelli, montre que la science ne se contente pas de calculer des trajectoires balistiques, mais elle peut aussi expliquer des phénomènes singuliers qu'on lui soumet et mettre au point des techniques. Les fontainiers de Florence ne parvenaient pas à hisser par une seule puissante pompe aspirante l'eau de l'Arno à des hauteurs dépassant trente-deux pieds, soit une dizaine de mètres. Torricelli, consulté par ses maîtres artisans dépités, constate avec eux le fait troublant, mais en procédant par expérience, il découvre le vide et détermine les capacités maximales d'élévation d'une batterie de pompes.

À l'université de Paris, l'aristotélisme fournit un classement des natures et causes des phénomènes observés, et ordonne la Nature de manière rigoureuse dans les cours de philosophie naturelle jusque dans les années 1690, à partir desquelles il est progressivement remplacé par un cartésianisme sophistiqué, notamment grâce à l'ouverture du collège des Quatre-Nations et les cours d'Edme Pourchot.

Les pionniers de la modélisation scientifique parmi lesquels le Français Descartes et nombre d'hydrauliciens et savants expérimentateurs des Pays-Bas ou d'Angleterre contribuent à diffuser les bases de cette physique mathématisée qui atteint son apogée en Angleterre avec Isaac Newton.

Dans la première édition du Dictionnaire de l'Académie française, datant de 1694, le nom « physique » est désigné comme la « science qui a pour objet la connaissance des choses naturelles, ex: La physique fait partie de la philosophie;la physique est nécessaire à un médecin.». L'adjectif « physique » est défini, en outre, comme signifiant « naturel, ex: l'impossibilité physique s'oppose à l'impossibilité morale ». Ce n'est que dans sa sixième édition (1832-1835) que le sens moderne de « physique » apparait, le terme est défini comme la « science qui a pour objet les propriétés accidentelles ou permanentes des corps matériels, lorsqu'on les étudie sans les décomposer chimiquement. ». Enfin dans sa huitième édition (1932-1935), la physique est définie comme la « science qui observe et groupe les phénomènes du monde matériel, en vue de dégager les lois qui les régissent.»

Le Littré donne des définitions apparemment précises. En tant qu'adjectif, il définit les phénomènes physiques comme « ceux qui ont lieu entre les corps visibles, à des distances appréciables, et qui n'en changent pas les caractères » et les propriétés physiques, comme « qualités naturelles des corps qui sont perceptibles aux sens, telles que l'état solide ou gazeux, la forme, la couleur, l'odeur, la saveur, la densité, etc. ». Les sciences physiques sont définies comme « celles qui étudient les caractères naturels des corps, les forces qui agissent sur eux et les phénomènes qui en résultent ». En tant que nom, la physique est définie comme « science du mouvement et des actions réciproques des corps, en tant que ces actions ne sont pas de composition et de décomposition, ce qui est le propre de la chimie ».

La notion actuelle de science en tant qu'« ensemble ou système de connaissances sur une matière » date seulement du XVIII siècle. Avant cette époque, le mot « science » signifiait simplement « la connaissance qu'on a de quelque chose » (science et savoir ont la même étymologie) et la notion de scientifique n'existait pas. À l'inverse, le terme « philosophie » désigne dans son sens ancien « l'étude des principes et des causes, ou le système des notions générales sur l'ensemble des choses. », les sciences naturelles étaient donc le résultat de la philosophie naturelle (voir l'exemple du titre de la revue Philosophical Transactions).

L'expression « sciences physiques » désigne actuellement l'ensemble formé par la physique (dans son sens moderne) et la chimie, cette expression prend son sens actuel en France au début du XIX siècle, en même temps que le mot « science » prend le sens d'« ensemble formé par les sciences mathématiques, physiques et naturelles ». Auparavant, l’expression « sciences physiques » était un simple synonyme de l'expression « sciences naturelles ».

Disciplines

La recherche en physique contemporaine se divise en diverses disciplines qui étudient différents aspects du monde physique.

Domaine(s) Disciplines Principales théories Quelques concepts Astrophysique et mécanique Cosmologie, Planétologie, Physique des plasmas, Astroparticules Big Bang, Inflation cosmique, Relativité générale, Matière noire, Rayons cosmiques Trou noir, Galaxie, Gravité, Onde gravitationnelle, Planète, Système solaire, Étoile, Univers Physique quantique et Physique ondulatoire Physique atomique, Physique moléculaire, Optique, Photonique Optique quantique Diffraction, Onde électromagnétique, Laser, Polarisation, Interférences Physique des particules Accélérateur de particules, Physique nucléaire Modèle standard, Théorie de grande unification, Théorie des cordes, Théorie M Interaction élémentaire (Gravité, Électromagnétisme, Interaction faible, Interaction forte), Particule élémentaire, Antiparticule, Spin, Brisure spontanée de symétrie Physique statistique et Physique de la matière condensée Thermodynamique, Physique du solide, Science des matériaux, Physique des polymères, Matière molle, Physique mésoscopique, Système désordonné, Biophysique Supraconductivité, Onde de Bloch, Gaz de fermions, Liquide de Fermi État de la matière (Solide, Liquide, Gaz, Plasma, Condensat de Bose-Einstein, Supercritique, Superfluide), Conducteur, Magnétisme, Auto-organisation,

Théories

Bien que la physique s'intéresse à une grande variété de systèmes, certaines théories ne peuvent être rattachées qu'à la physique dans son ensemble et non à l'un de ses domaines. Chacune est supposée juste, dans un certain domaine de validité ou d'applicabilité. Par exemple, la théorie de la mécanique classique décrit fidèlement le mouvement d'un objet, pourvu que

ses dimensions soient bien plus grandes que celles d'un atome,

sa vitesse soit bien inférieure à la vitesse de la lumière,

il ne soit pas trop proche d'une masse importante, et

celui-ci soit dépourvu de charge.

Les théories anciennes, comme la mécanique newtonienne, ont évolué engendrant des sujets de recherche originaux notamment dans l'étude des phénomènes complexes (exemple : la théorie du chaos). Leurs principes fondamentaux constituent la base de toute recherche en physique et tout étudiant en physique, quelle que soit sa spécialité, est censé acquérir les bases de chacune d'entre elles.

Théorie Grands domaines Concepts Mécanique newtonienne Cinématique, Lois du mouvement de Newton, Mécanique analytique, Mécanique des fluides, Mécanique du point, Mécanique du solide, Transformations de Galilée, Mécanique des milieux continus Dimension, Espace, Temps, Référentiel, Longueur, Vitesse, Vitesse relative, Masse, Moment cinétique, Force, Énergie, Moment angulaire, Couple, Loi de conservation, Oscillateur harmonique, Onde, Travail, Puissance, Équilibre Électromagnétisme Électrostatique, Électricité, Magnétisme, Équations de Maxwell Charge électrique, Courant électrique, Champ électrique, Champ magnétique, Champ électromagnétique, Onde électromagnétique Physique statistique et Thermodynamique Machine thermique, Théorie cinétique des gaz Constante de Boltzmann, Entropie, Énergie libre, chaleur, Fonction de partition, Température, Équilibre thermodynamique Mécanique quantique Intégrale de chemin, Équation de Schrödinger, Théorie quantique des champs Hamiltonien, Boson, Fermion, Particules identiques, Constante de Planck, Oscillateur harmonique quantique, Fonction d'onde, Énergie de point zéro Théorie de la relativité Relativité galiléenne, Relativité restreinte, Relativité générale Principe d'équivalence, Quadrivecteur, Espace-temps, Vitesse de la lumière, Vitesse relative, Invariance de Lorentz

Méthodes

Théorie et expérience

Les physiciens observent, mesurent et modélisent le comportement et les interactions de la matière à travers l'espace et le temps de façon à faire émerger des lois générales quantitatives. Le temps - défini par la durée, l'intervalle et la construction corrélative d'échelles - et l'espace - ensemble des lieux où s'opère le mouvement et où l'être ou l'amas matériel, c'est-à-dire la particule, la molécule ou le grain, le corps de matière… ou encore l'opérateur se positionnent à un instant donné - sont des faits réels constatés, transformés en entités mathématiques abstraites et physiques mesurables pour être intégrées logiquement dans le schéma scientifique. Ce n'est qu'à partir de ces constructions qu'il est possible d'élaborer des notions secondaires à valeurs explicatives. Ainsi l'énergie, une description d'états abstraite, un champ de force ou une dimension fractale peuvent caractériser des « phénomènes physiques » variés. La métrologie est ainsi une branche intermédiaire capitale de la physique.

Une théorie ou un modèle - appelé schéma une fois patiemment étayé par de solides expériences et vérifié jusqu'en ses ultimes conséquences logiques est un ensemble conceptuel formalisé mathématiquement, dans lequel des paramètres physiques qu'on suppose indépendants (charge, énergie et temps, par exemple) sont exprimés sous forme de variables (q, E et t) et mesurés avec des unités appropriées (coulomb, joule et seconde). La théorie relie ces variables par une ou plusieurs équations (par exemple, E=mc). Ces relations permettent de prédire de façon quantitative le résultat d'expériences.

Une expérience est un protocole matériel permettant de mesurer certains phénomènes dont la théorie donne une représentation conceptuelle. Il est illusoire d'isoler une expérience de la théorie associée. Le physicien ne mesure évidemment pas des choses au hasard ; il faut qu'il ait à l'esprit l'univers conceptuel d'une théorie. Aristote n'a jamais pensé calculer le temps que met une pierre lâchée pour atteindre le sol, simplement parce que sa conception du monde sublunaire n'envisageait pas une telle quantification. Cette expérience a dû attendre Galilée pour être faite. Un autre exemple d'expérience dictée nettement par un cadre conceptuel théorique est la découverte des quarks dans le cadre de la physique des particules. Le physicien des particules Gell-Mann a remarqué que les particules soumises à la force forte se répartissaient suivant une structure mathématique élégante, mais que trois positions fondamentales (au sens mathématique de la théorie des représentations) de cette structure n'étaient pas réalisées. Il postula donc l'existence de particules plus fondamentales (au sens physique) que les protons et les neutrons. Des expériences permirent par la suite, en suivant cette théorie, de mettre en évidence leur existence.

Inversement, des expériences fines ou nouvelles ne coïncident pas ou se heurtent avec la théorie. Elles peuvent :

soit remettre en cause la théorie — comme ce fut le cas du problème du corps noir et des représentations de la lumière qui provoquent l'avènement de la mécanique quantique et des relativités restreinte et générale, de façon analogue à l'ébranlement des fondements du vitalisme en chimie ou de l'effondrement de la génération spontanée en biologie —

ou bien ne pas s'intégrer dans les théories acceptées. L'exemple de la découverte de Neptune est éclairant à ce titre. Les astronomes pouvaient mesurer la trajectoire d'Uranus mais la théorie de Newton donnait une trajectoire différente de celle constatée. Pour maintenir la théorie, Urbain Le Verrier et, indépendamment, John Adams postulèrent l'existence d'une nouvelle planète, et d'après cette hypothèse prédirent sa position. L'astronome allemand Johann Gottfried Galle vérifia en septembre 1846 que les calculs de Le Verrier et Adams étaient bons en observant Neptune à l'endroit prédit. Il est clair que l'interprétation de la première expérience est tributaire de la théorie, et la seconde n'aurait jamais pu avoir lieu sans cette même théorie et son calcul. Un autre exemple est l'existence du neutrino, supposée par Pauli pour expliquer le spectre continu de la désintégration bêta, ainsi que l'apparente non-conservation du moment cinétique.

La recherche

La culture de la recherche en physique présente une différence notable avec celle des autres sciences en ce qui concerne la séparation entre théorie et expérience. Depuis le XX siècle, la majorité des physiciens sont spécialisés soit en physique théorique, soit en physique expérimentale. En revanche, presque tous les théoriciens renommés en chimie ou en biologie sont également des expérimentateurs.

La simulation numérique occupe une place très importante dans la recherche en physique et ce depuis les débuts de l'informatique. Elle permet en effet la résolution approchée de problèmes mathématiques qui ne peuvent pas être traités analytiquement. Beaucoup de théoriciens sont aussi des numériciens.

Objectif et limites

Recherche d'un corpus fini et évolution permanente

Albert Einstein en 1947

L'histoire de la physique semble montrer qu'il est illusoire de penser que l'on finira par trouver un corpus fini d'équations qu'on ne pourra jamais contredire par expérience. Chaque théorie acceptée à une époque finit par révéler ses limites, et est intégrée dans une théorie plus large. La théorie newtonienne de la gravitation est valide dans des conditions où les vitesses sont petites et que les masses mises en jeu sont faibles, mais lorsque les vitesses approchent la vitesse de la lumière ou que les masses (ou de façon équivalente en relativité, les énergies) deviennent importantes, elle doit céder la place à la relativité générale. Par ailleurs, celle-ci est incompatible avec la mécanique quantique lorsque l'échelle d'étude est microscopique et dans des conditions d'énergie très grande (par exemple au moment du Big Bang ou au voisinage d'une singularité à l'intérieur d'un trou noir).

La physique théorique trouve donc ses limites dans la mesure où son renouveau permanent vient de l'impossibilité d'atteindre un état de connaissance parfait et sans faille du réel. De nombreux philosophes, dont Emmanuel Kant, ont mis en garde contre toute croyance que la connaissance humaine des phénomènes peut coïncider avec le réel, s'il existe. La physique ne décrit pas le monde, ses conclusions ne portent pas sur le monde lui-même, mais sur le modèle qu'on déduit des quelques paramètres étudiés. Elle est une science exacte en ce que la base des hypothèses et des paramètres considérés conduisent de façon exacte aux conclusions tirées.

La conception moderne de la physique, en particulier depuis la découverte de la mécanique quantique, ne se donne généralement plus comme objectif ultime de déterminer les causes premières des lois physiques, mais seulement d'en expliquer le comment dans une approche positiviste. On pourra aussi retenir l'idée d'Albert Einstein sur le travail du physicien : faire de la physique, c'est comme émettre des théories sur le fonctionnement d'une montre sans jamais pouvoir l'ouvrir.

Recherche de la simplification et l'unification des théories

La physique possède une dimension esthétique. En effet, les théoriciens recherchent presque systématiquement à simplifier, unifier et symétriser les théories. Cela se fait par la réduction du nombre de constantes fondamentales (la constante G de la gravitation a intégré sous un même univers gravitationnel les mondes sublunaire et supralunaire), par la réunion de cadres conceptuels auparavant distincts (la théorie de Maxwell a unifié magnétisme et électricité, l'interaction électrofaible a unifié l'électrodynamique quantique avec l'interaction faible et ainsi de suite jusqu’à la construction du modèle standard de la physique des particules). La recherche des symétries dans la théorie, outre le fait que par le théorème de Noether elles produisent spontanément des constantes du mouvement (comme l'énergie se conserve quand les équations du système sont invariantes temporellement), est un vecteur de beauté des équations et de motivation des physiciens et, depuis le XX siècle, le moteur principal des développements en physique théorique.

Du point de vue expérimental, la simplification est un principe de pragmatisme. En effet la mise au point d'une expérience requiert de maîtriser un grand nombre de paramètres physiques afin de créer des conditions expérimentales précisément fixées. La plupart des situations se présentant spontanément dans la nature sont très confuses et irrégulières. Outre des figures exceptionnelles comme l'arc-en-ciel, qui cause un fort étonnement chez le profane, le monde à notre échelle mêle de nombreux principes et théories appartenant à des domaines disjoints du corpus. Les concepts de la physique sont longs à acquérir, même par les physiciens. Une certaine préparation du dispositif expérimental permet donc la manifestation d'un phénomène aussi épurée que possible. En somme, un arc-en-ciel bien contrasté et net, pour prendre une image poétique. Cette exigence expérimentale donne malheureusement un aspect artificiel à la physique, en particulier lors de son enseignement à un jeune public. Paradoxalement rien ne semble aussi éloigné du cours de la nature qu'une expérience de physique, seule la simplification y est pourtant recherchée.

Au cours de l'histoire, des théories complexes et peu élégantes d'un point de vue mathématique peuvent être très efficaces et dominer des théories beaucoup plus simples. L'Almageste de Ptolémée, basé sur une figure géométrique simple, le cercle, comportait un grand nombre de constantes dont dépendait la théorie, tout en ayant permis avec peu d'erreur de comprendre le ciel pendant plus de mille ans. Le modèle standard décrivant les particules élémentaires comporte également une trentaine de paramètres arbitraires, et pourtant jamais aucune théorie n'a été vérifiée expérimentalement aussi précisément. Toutefois, tout le monde s'accorde chez les physiciens pour penser que cette théorie sera sublimée et intégrée un jour dans une théorie plus simple et plus élégante, comme le système ptoléméen a disparu au profit de la théorie képlérienne, puis newtonienne.

Physique, sciences et techniques

La physique et les autres sciences

Isaac Newton

La physique est écrite en termes mathématiques, elle a depuis sa naissance eu des relations de couple intense avec les sciences mathématiques. Jusqu'au XX siècle, les mathématiciens étaient d'ailleurs la plupart du temps physiciens et souvent philosophes naturalistes après la refondation kantienne. De ce fait la physique a très souvent été la source de développements profonds en mathématiques. Par exemple, le calcul infinitésimal a été inventé indépendamment par Leibniz et Newton pour comprendre la dynamique en général, et la gravitation universelle en ce qui concerne le second. Le développement en série de Fourier, qui est devenu une branche à part entière de l'analyse, a été inventé par Joseph Fourier pour comprendre la diffusion de la chaleur.

Les sciences physiques sont en relation avec d'autres sciences, en particulier la chimie, science des molécules et des composés chimiques. Ils partagent de nombreux domaines, tels que la mécanique quantique, la thermochimie et l'électromagnétisme. Ce domaine interdisciplinaire est appelé la chimie physique. Toutefois, les phénomènes chimiques sont suffisamment vastes et variés pour que la chimie soit généralement considérée comme une discipline à part entière.

De nombreux autres domaines interdisciplinaires existent en physique. On peut mentionner par exemple l'astrophysique à la frontière avec l'astronomie, la biophysique qui est à l'interface entre la biologie et la physique statistique entre autres, plus récemment les microtechnologies et les nanotechnologies fortement multidisciplinaires comme les MOEMS.

La physique et la technique

Rayon laser à travers un dispositif optique

L'histoire de l'humanité montre que la pensée technique s'est développée bien avant les théories physiques, et à plus forte raison mathématisées. La roue et le levier, le travail des matériaux, en particulier la métallurgie, ont pu être réalisés sans ce qu'on appelle la physique. L'effort de rationalité des penseurs grecs puis arabes et, par la suite, le lent perfectionnement des mathématiques du XII siècle au XVI siècle, ont permis les foudroyantes avancées du XVII siècle. La physique a pu révéler sa profondeur conceptuelle. Les théories physiques ont alors souvent permis le perfectionnement d'outils et de machines, ainsi que de leur utilisation.

Il faut attendre surtout le XX siècle pour que des théories donnent naissance à des techniques qui n'auraient pu voir le jour sans elles. Le cas du laser est exemplaire : son invention repose fondamentalement sur la compréhension, par la mécanique quantique, des ondes lumineuses et de la linéarité de leurs équations. On peut évidemment citer la bombe A et la bombe H comme créations techniques dépendant entièrement de la physique de leur époque. Le GPS ne fonctionne que par l'intégration des relativités restreinte et générale dans les calculs. Toute l'électronique en tant que science appliquée et technique ayant profondément modifié le visage de nos sociétés modernes avec la révolution numérique et l'avènement de produits comme le téléviseur, le téléphone portable et les ordinateurs, prend en grande partie ses racines dans la physique, notamment l'électromagnétisme, l'électrostatique ou la physique des semi-conducteurs.

Vulgarisation en physique

La vulgarisation en physique a pour objectif de présenter le domaine en un langage dénué de termes techniques, non expliqué préalablement, et sans utiliser d'objets mathématiques non-étudiés au préalable. De nombreuses équipes participent ainsi régulièrement à des rencontres entre le grand public et les chercheurs où les différentes problématiques de la physique et leurs derniers résultats sont expliqués. Aujourd'hui de nombreux sites internets (Wikipedia...) permettent de trouver toutes les informations utiles, du niveau le plus simple jusqu'à celui de l'expertise.

Dans la sphère de l'éducation universitaire Richard Feynman a permis par ses ouvrages de construire "ex nihilo", une expérience empirique de la physique moderne.

各种不同的物理现象。

物理学是一门自然科学，注重于研究物质、能量、空间、时间，尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。物理学是关于大自然规律的知识；更广义地说，物理学探索分析大自然所发生的现象，以了解其规则。

物理学是最古老的学术之一。在过去两千多年间，物理学与化学、天文学都归属于自然哲学的范畴，直到十七世纪欧洲的科学革命之后，物理学才从自然哲学中独立出来，成为了一门自然科学。物理学与其它很多跨领域研究有相当的交集，如量子化学、生物物理学等等。物理学的疆界并不是固定不变的，物理学里的创始突破时常可以用来解释这些跨领域研究的基础机制，有时还会开启崭新的跨领域研究。

物理学是自然科学中最基础的学科之一。经过严谨思考论证，物理学者会提出表述大自然现象与规律的假说，倘若这假说能够通过大量严格的实验检验，则可以被归类为物理定律，但正如很多其他自然科学理论一样，这些定律不能被证明，其正确性只能靠着反复的实验来检验。

通过创立新理论与发展新科技，物理学对于人类文明有极为显著的贡献。例如，由于电磁学的快速进展，电灯、电动机、家用电器等新产品纷纷涌现，人类社会的生活水平也得到大幅提升。由于核子物理学日趋成熟，核能发电不再是蓝图构想，但引致的安全问题也使人们意识到地球的脆弱。

历史

「物理」一词在英文里是「physics」，最先出自于古希腊文「φύσις」，原意是「自然」。在中文里，这词最早可在战国时期佚书《鹖冠子·王𫓧篇》找到，在这本书里，「物理」指的是一切事物之道理。明末清初科学家方以智受到西学影响，撰写了百科全书式著作《物理小识》，在这里，「物理」的含义已演化为学术之理，包括自然科学的各门领域与人文学的部分领域。 1824年，在伦敦发行的《机械杂志》内的一副刻画。阿基米德说：「给我一个支点，我就可以撬起整个地球。」 从古代开始，人们就尝试着了解大自然的奥妙：为什幺物体会往地面掉落，为什幺不同的物质会具有不同的性质？如此等等。其中有一个意义非凡的谜题，即宇宙的性质，比如地球、太阳及月亮这些星体究竟是遵循着什幺规律在运动，而又是什幺力量决定着这些规律。人们提出了各种理论，试图解释宇宙的规律，然而其中大多数理论都不正确。以现代准则来看，早期的物理理论更像是一些哲学理论：现代的理论都需要经过系统的实验检验，而那些早期的理论并没有经过严格证实。像托勒密和亚里士多德提出的理论中，有些就与日常所能观察到的事实相悖。 尽管如此，仍有许多古学者贡献出相当正确的理论。古希腊哲学家泰勒斯（约前624年－约前546年）曾经远渡地中海，在埃及学习天文学与几何，还加以推广延伸，发扬光大。他预测到公元前585年发生的日蚀，并且能够估算船只离岸边的距离，又从金字塔的阴影计算出其高度。泰勒斯拒绝倚赖玄异或超自然因素来解释自然现象。公元前5世纪古希腊哲学家留基伯率先提出原子论，认为所有物质皆是由不会毁坏、不可分割的原子所构成。古希腊的思想家阿基米德在作用力方面推导出许多正确的定量结论，如对于杠杆原理的解释。 艾萨克·牛顿（1**3年－1727年） 中世纪时期，印度及波斯的学者也对物理学做出诸多贡献。印度天文学家阿耶波多（Aryabhata）构建了描述太阳系的地心说模型；在这模型里，太阳和月亮分别搭载于本轮（epicycle），绕着地球转动。穆斯林科学家海什木对于光学研究贡献良多。波斯科学家纳西尔丁·图西指出了托勒密体系的重大缺陷。 近代时期，欧洲出现了很多物理大师；其中最具影响力的当属伽利略·伽利莱、约翰内斯·克卜勒和艾萨克·牛顿。克卜勒发表的克卜勒定律正确地解释了行星绕着太阳公转的机制。大约同时，伽利略用抽象数学定律解释物体运动。牛顿提出的牛顿运动定律和万有引力定律为之后的经典力学奠定了稳固的基础。由于这些近代的物理学者坚持使用实验方法与定量方法来研究与发现物理定律，古典物理学成为一门独立学科。 二十世纪初期，物理学家发现经典物理学有很严重的瑕疵。经由迈克生-莫立实验于各方向上测量光速所得到的光速差为零，其结果否定了乙太的存在。经典统计力学的能量均分定理引起了紫外灾变（在频率趋向于无穷大时，黑体辐射的理论结果和实验数据无法吻合）。在原子层次，古典理论无法解释能阶的机制。这些瑕疵给学术界带来了一场前所未有的考验，彻底地动摇了旧理论体系的基石，导致了二十世纪物理学两大理论体系相对论和量子力学的出现，进而开始了现代物理学的纪元。

范畴与目标

物理学涵盖广泛的自然现象，从微乎其微的基本粒子（像：夸克、微中子、电子）到庞大无比的超星系团都是研究对象。很多千变万化、无奇不有的现象，都可基于更基础的现象来做合理的描述与解释。物理学是一门基础科学。物理学者致力于追根究底，发掘这些现象的根本原因，并试图寻觅这些原因之间的任何链接关系。这些经过物理学者近百年努力所得到的结果，可以大致归纳为一些明确的基础定律。其它许多学术领域，像生物学、化学、地质学、工程学等等，所涉及的物质系统都遵守这些基础定律。但是，这些基础定律仍不完全。物理学对于自然现象所给出的描述与解释，只是最好的近似事实，而不是完全的绝对事实。 举例而言，古希腊人知道像琥珀一类的物质，当与毛皮磨擦时，会出现吸引力，使得这两种磨擦物互相吸引。这性质后来称为电性。在十七世纪，学者开始慎密地研查这性质。另外，在亚洲大陆的那一端，古中国人观测到某些石头（磁石），会通过某种看不见的作用力互相吸引。这性质后来称为磁性。也是在十七世纪，学者开始严格地穷究其起因。经过燃膏继晷、废寝忘食的努力，物理学者终于明白了这两种自然现象的基本成因——电和磁。但是，在二十世纪，经过更深入的研究，物理学者发现这两种作用力是电磁力的两种不同表现。今天，这统一各种各样作用力的进程仍旧方兴未艾，物理学者认为电磁力和弱核力是电弱相互作用的两种不同表现。物理学者的终极目标是找到一个完美的万有理论，能够解释大自然的一切本质。

科学方法

科学方法指的是查核自然现象、获取新知识、修正或集成先前的知识时，所使用的一整套技术。为了合乎科学精神，这方法必须创建于收集与总结可观察、可实验、可量度的证据，并且合乎明确的推理原则。梅里亚姆-韦伯斯特辞典如此定义： 科学方法是一种系统性地寻求知识的进程，涉及了以下三个步骤：问题的辨识与表述、假说的构成与测试、实验数据的收集。 与其它种获得知识的方法相比，科学研究方法有一个主要特征：科学家设法让事实自己说清楚、讲明白，当得到符合假说的预测结果时支持这理论，反之则质疑这理论。虽然从一种学术领域到另外一种学术领域，进程或许会有所改变，但科学研究仍拥有可辨认的特征，能够明显地跟其它种学术研究做区分切割。科学研究者提出假说来解释自然现象，然后设计实验来检验这些假说，核对从这些假说所推导出的预言是否正确无误。为了要防范在做实验时发生错误或误解，这些步骤必须具有可重复性。一个假说在被学术界广泛接受之前，必须先通过科学方法的严格验证，以有条有理的方式来将理论结果与实验数据互相比较。只有当理论结果和实验数据互相吻合时，这假说才能被学术界接受。涉及比较广泛学术领域的理论，可能会融合许多独立推出的假说，使之配搭一致、相辅相成。通过严格检验的理论，又可以触类旁通，帮助形成新假说，或者设置其它假说的上下文 。 为了避免结果偏差，科学研究通常越客观越好。所有测量数据与实验进程都须详细纪录，存盘于安全的数据库，并且可供适当学者共享。这样，适当学者可以仔细检查，通过复制实验来核对结果。这种行为方式，即为「充分公开」（full disclosure），容许根据统计学确认这些数据的可信度（reliability）。

理论与实验

闪电是一种电流现象。 透过铁粉显示出的磁场线。将条状磁铁放在白纸下面，铺洒一堆铁粉在白纸上面，这些铁粉会依着磁场线的方向排列，形成一条条的曲线，在曲线的每一点显示出磁场线的方向。 实验物理学家设计与完成实验，借之检验理论的预测与探索新的物理现象。虽然，理论和实验一般是分开进行的，它们彼此之间息息相关。当实验者发现一个新现象，而已知理论无法解释这新现象，或者当根据新理论所作出的预测，可以通过设计精致实验来检验时，持着大胆假设，小心求证的研究态度，物理学往往会有所进展。 实验物理学主要使用两种实验研究方法，受控实验（controlled experiment）与自然实验（natural experiment）。受控实验通常是在实验室内进行完成，因为实验室能够提供一个可控制的环境。自然实验的实验环境则无法控制与调整；例如，在天文物理学里，当观测星体时，科学家无法控制星体的物理性质、化学成分、运动状态等等。 实验物理学与工程学、工业技术学（industrial technology）时常会互通有无。涉及基础研究的实验者，在做实际实验时，会接触到像粒子加速器或光学钟一类的先进器材；而那些涉及应用研究的实验者，时常会在工业就职，开发像正电子发射计算机断层扫描、量子计算机一类的科技。有时候，某些很有意思的区域，虽然理论物理学者尚未探索论证，实验者也会先行做实验检验测试。 实验物理学比较不强调研究者的数学素质。例如，麦可·法拉第没有受过良好的正统数学教育，只懂得一点微积分。实际上，他对数学不感兴趣。法拉第认为透过数学了解自然很容易与真正的自然现象失去接触；他希望能够脚踏实地，越接近自然现象越好，而实现这目标的方法就是不断地做实验。法拉第勤于做笔记，他将实验的所有相关细节都一丝不苟的详尽记录。巨著《电学实验研究》（Experimental Researches in Electricity）就是这些笔记的结晶。法拉第具有丰富的想像力，喜欢问问题，不停地问问题，然后做实验来寻求这些问题的答案。在这些层出不穷的问题中，存在着一个核心思想——这些自然现象的实际状况为何？法拉第强烈地反对许多理论定律所意味的超距作用。他提出磁场线的概念，从磁铁周围一条条连接的磁场线，可以观察到，这些填满了整个空间的磁场线，明确地显示出磁场的邻接性质。 理论物理学家致力于发展数学模型；这模型必须能够合理地解释其所针对的物理现象，其计算结果也必须与实验数据互相吻合。丰富的想像力、精湛的数学造诣、严谨的治学态度都是成为理论物理学家所必需的优良素质。例如，在十九世纪中期，物理大师詹姆斯·马克士威觉得电磁学的理论杂乱无章、急需集成，尤其是其中许多理论都涉及超距作用（action at a distance）的概念。马克士威的观点与法拉第一致，他认为超距作用概念不正确，他主张用场论来解释。例如，磁铁会在四周产生磁场，而磁场会施加磁场力于铁粉，使得这些铁粉依着磁场力的方向排列，形成一条条的磁场线；磁铁并不是直接施加力量于铁粉，而是经过磁场施加力量于铁粉；马克士威尝试朝着这方向开辟一条思路。他想出的「分子涡流模型」，借用流体力学的一些数学框架，能够解释所有那时已知的电磁现象。更进一步，这模型还展示出一个崭新的概念——电位移。由于这概念，他推理电磁场能够以波动形式传播于空间，又计算出其波速恰巧等于光速，于是推断光波就是一种电磁波。这样，他将电学、磁学、光学集成成为电磁学。 唯象专家（phenomenologist）努力探索理论与实验之间错综复杂的交集区；他们专注于研究从实验所观测到的复杂现象，试图找到这些复杂现象与物理理论之间的关系。唯象理论将观察现象表达为数学结果，不注重其中基础意义。

核心理论

虽然物理学的研究范围十分广泛，但有些惯常理论仍常被物理学者使用，而这些理论皆已经过多次实验的结果检验，被实证为自然现象的正确近似（可以适用于某设置值域内）。例如，古典力学的理论能够准确地描述物体的运动，前提是物体须满足其尺寸远大于原子、运动速度远小于光速这两个先决条件。经过多年的研究后，这些核心理论仍旧是很热门的研究领域。例如，二十世纪后半期，即在艾萨克·牛顿（1**2年–1727年）表述古典力学整整三个世纪之后，学者发现与创建了混沌理论，一门很有意思的非线性系统相关古典力学理论。 这些核心理论大致包括于古典力学、量子力学、热力学、统计力学、电磁学、相对论等等基础物理学领域，是高端研究的重要工具。任何物理学者，不论其专长领域为何，都需要熟读精通这些理论。 古典物理学 古典物理学包括那些在二十世纪初已渐趋成熟的传统分支学术领域：古典力学、热力学、统计力学、电磁学。 古典力学研究受力物体的运动状况，所应用的基础定律是牛顿定律。古典力学分为静力学（计算处于静力平衡的物体所感受到力与力矩）、运动学（描述物体的运动，完全不考虑力或质量等等影响运动的因素）和动力学（研究改变物体运动的因素与物体运动如何因此改变）。按照表述方式的不同，古典力学又可分为矢量力学与分析力学。矢量力学着重于分析位移、速度、加速度、力等等矢量间的关系，而分析力学则从受力物体运动时的拉格朗日量或哈密顿量来分析物体的运动行为。声学研究传播于介质的各种各类的机械波，这包括振动、声音、超声波、次声波等等。声学时常会被视为经典力学的一门分支，因为机械波的传播是由于气体、液体或固体的组成粒子振动而表现出的一种力学现象，可以用力学的定律来解释。 热力学研究热量与机械功或其它能量形式之间的关系。在热力学里，通常透过描述物理系统平均性质的宏观变量，像温度、内能、熵、压强等等来解释自然现象。热力学研究这些宏观变量彼此之间的关系（如麦克斯韦关系式）、以及它们的改变对于物理系统的影响。学习热力学的起跑点是热力学定律。热力学不研究物质的微观性质，这属于统计力学领域。从统计力学的理论可以推导出热力学定律。统计力学应用机率论来研究由大量粒子组成的物理系统的热力学行为。统计力学将单独原子或分子的微观性质桥接至大块物质的宏观性质，对于这些宏观性质给出微观层级的诠释。于大尺度的实验中可以测量到这些宏观性质，在日常生活中也可以观测到像温度、压强一类的宏观性质。 电磁学描述带电粒子与电场、磁场的交互作用。电磁学的分支有静电学、静磁学、电动力学等等。静电学研究静止带电粒子彼此之间的交互作用。静磁学研究所有涉及常定磁场的现象。电动力学研究所有涉及加速度带电粒子、电磁辐射、时变电场与时变磁场的现象。经典电磁学的基础理论是马克士威方程序与劳仑兹力方程序。光波是从加速度带电粒子产生、传播于空间的电磁场。光学研究光波的传播与性质。光学的理论可以约化为关于电磁交互作用的理论。 现代物理学 于1927年召开的第五次索尔维会议，全世界当时最卓越的物理学者齐聚一堂、脑力激荡，商讨量子理论。 古典物理学通常用以阐述日常可观察尺寸的系统现象，而现代物理学通常用以阐述极端或非常大尺寸、非常小尺寸的系统现象。例如，化学元素可以被辨识的最小尺寸是原子物理学或核子物理学探索物质所操作的尺寸。而粒子物理学操作的尺寸则更为微小，它论述的是基本粒子或由基本粒子组成的粒子。由于使用大型粒子加速器来产生基本粒子需要非常巨大的能量，所以通常粒子物理学又称为高能量物理学。对于这类尺寸的物理系统，一般对于空间、时间、物质、能量的认知将有不同的适用理论。 现代物理学的两种核心理论给出关于空间、时间、物质、能量的崭新绘景。量子力学论述发生于原子层级与亚原子层级各种现象的离散性质，以及在关于这些现象的描述里的粒子与波动的互补性质。相对论阐述，处于某参考系的观察者，所观察到在另外一个以相对速度移动的参考系发生的现象。相对论又可分为狭义相对论与广义相对论。狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及重力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有重力作用或者重力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是研讨那些涉及重力的论题。 古典物理学与现代物理学之间的差异 按照尺寸与速度分类，物理学的四大领域。 虽然物理学的一大研究目标是在发现普适定律（universal law），但似乎每一种物理理论都只适用于某些明确值域。大致而言，古典物理学的定律能够准确地描述长度远大于原子尺寸、速度远小于光速的系统。在这适用域范围以外，实验结果与理论预测并不相符合。狭义相对论彻底的摧毁了绝对时间与绝对空间的概念，且以四维时空取而代之，因此得以准确地描述速度接近光速的系统，即相对论性系统。量子力学以机率方式描述微观系统的物理行为，能够在原子尺寸和亚原子尺寸得到准确的解答。而量子场论统一了量子力学和狭义相对论，是粒子物理学不可或缺的基础理论。电磁交互作用、强交互作用与弱交互作用都能够用量子场论精致地描述。电磁交互作用与弱交互作用也已被合并为电弱交互作用。广义相对论将时空延伸为动态的弯曲时空，能够描述大质量系统和宇宙的大尺寸结构。但是，广义相对论尚未能将重力交互作用与其它种类的基础相互作用统一为单一理论；科学家仍旧在发展几种可能的量子重力理论。

研究领域

现代物理研究大致分类为天文物理学、原子物理学、分子物理学、光波物理学、粒子物理学、凝聚态物理学等等。有些大学的物理系也支持物理教育研究。 自二十世纪以来，物理学的各个领域越加专业化，大多数物理学家的整个职业生涯只专精于一个领域，像阿尔伯特·爱因斯坦（1879–1955）和列夫·朗道（1908–1968）这样的全才大师现在已寥若晨星。 天文物理学 哈伯超深空是以可见光拍摄的最深远的宇宙图像之一。 天文物理学是研究宇宙的物理学，这包括星体的物理性质（光度，密度，温度，化学成分等等）和星体与星体彼此之间的交互作用。应用物理理论与方法，天文物理学探讨恒星结构、恒星演化、太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题。由于天文物理学是一门很广泛的学问，天文物理学家通常需要应用很多不同的学术领域，像古典力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学等等。 大多数天文物理实验需依赖观测电磁辐射获得数据。比较寒冷的星体，像星际物质或星际云会发射无线电波。大爆炸后，经过红移，遗留下来的微波，称为宇宙微波背景辐射。研究这些微波需要用到无线电望远镜。 太空探索大大地扩展了天文学的疆界。太空中的观测可让观测结果避免受到地球大气层的干扰，科学家常透过使用人造卫星于地球大气层外进行红外线、紫外线、伽玛射线和X射线天文学等电磁波波段的观测实验，以获得更佳的观测结果。。 光学天文学通常使用加装电荷耦合组件和光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层的扰动会干涉观测数据的品质，故于地球上的观测仪器通常必须配备调适光学系统，或改由大气层外的太空望远镜来观测，才能得到最优良的影像。在这频域里，恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱，可以分析恒星、星系和星云的化学成份。 理论天文物理学家的工具包括分析模型和计算机仿真。天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解内中奥妙；计算机仿真可以显示出一些非常复杂的现象或效应。 大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论和宇宙学原理。由于太初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验证实，科学家确定大爆炸模型正确无误。最近，学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化，这模型涵盖了宇宙暴胀、暗能量、暗物质等等概念。 原子、分子及光物理学 原子物理学、分子物理学及光物理学都是在研究尺寸为单原子或少数原子结构的物质，及其与别的物质之间或与光波之间的交互作用。这三个研究领域会被合并在一起讨论，是因为它们之间的密切关系：它们所使用的分析方法类似，所涉及的能量尺寸也很相近。 原子物理学研究原子的结构和性质，即环绕着原子核、束缚于原子内部的电子的排列方式，排列所产生的现象与效应，以及促使排列改变的过程。当今的研究焦点为个体原子和离子在离子阱内部的囚禁冷却与操控、低温碰撞动力学、电子关联对于结构与动态的效应。原子物理学与核子有关，例如超精细结构（hyperfine structure）。 分子物理学专注于研究分子的物理性质以及将原子结合为分子的化学键性质。它和原子物理学密切相关。分子物理学中最重要的实验方法是光谱分析。除了从原子得知的电子激发态以外，分子可以旋转与振动。由于这些旋转与振动具有量子性质，伴随的能量阶级也是离散的。纯旋转运动光谱位于红外线谱域（波长大约为30-150微米）；振动光谱位于近红外线谱域（大约为1-5微米）；电子跃迁光谱则位于可见光和紫外线谱域。从测量旋转运动和振动光谱，可以获得分子的物理性质，例如，原子核与原子核之间的距离。原子物理学的原子轨域理论，在分子物理学里，扩展为分子轨域理论。 光物理学研究电磁辐射的生成与性质、电磁辐射与物质之间的微观交互作用，特别是其控制与操纵。从微波到X射线，横跨整个电磁波谱，对于每一个频率，研究者尝试开发出具有更优良性质的发光源。研究者也会对于各种线性或非线性光学过程做详细分析。光物理学的研究成果，时常会促成通信业、制药业、制造业甚至娱乐业的惊人进展。 粒子物理学 仿真在大型强子对撞机的紧凑缈子线圈里，希格斯玻色子出现的一个事件。 粒子物理学研究组成物质和射线的基本粒子，以及它们之间的交互作用。由于在大自然的一般条件下，许多基本粒子不存在、存在的生命周期极短或无法单独出现，需待物理学家使用极高能量的粒子加速器碰撞来产生这些基本粒子，因此粒子物理学也被称为高能物理学。 标准模型可以正确地描述基本粒子之间的交互作用。这模型能够说明12种已知粒子（夸克和轻子），这些粒子彼此之间相互以强力、弱力、电磁力或引力施加于对方。这些粒子会互相交换规范玻色子（分别为胶子、光子、W及Z玻色子）。标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。 凝聚态物理学 铷原子气体的速度分布数据，由此确定了一种称为玻色-爱因斯坦凝聚的新物态。 凝聚态物理学研究物质的宏观物理性质。凝聚态指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强的交互作用的系统。常见的凝聚态有固态和液态，这是由原子与原子之间的化学键和电磁力形成的物态。比较罕见的凝聚态包括发生于非常低温的系统里的超流体和玻色-爱因斯坦凝聚态、在某些物质里的传导电子展现的超导态、在某些磁性物质内部因为原子晶格的自旋而出现的铁磁态和反铁磁态。 凝聚态物理学起源于十九世纪固体物理学和低温物理学的发展，是现代物理学最大的分支，与化学、材料科学、纳米科技有相当程度的重叠。

与其它学术领域之间的关系

抛物线形熔岩流表现出伽利略的自由落体定律。 物理与数学相辅相成 数学是研读物理必备的工具之一，这包括几何、代数、微积分等等。应用这些数学工具，物理学者可以从物理定律推导与演算出很多有意思的结果。例如，1912年，图利奥·勒维奇维塔获知阿尔伯特·爱因斯坦在探索重力的相对性理论中，遇到一些挫折，他便力劝爱因斯坦学习张量微积分。爱因斯坦采纳了勒维奇维塔的建议，勤学张量微积分，并于1915年成功创立了广义相对论。如同大多数英国的理论物理学者，罗杰·潘洛斯读大学时专修数学，因此有深厚的数学造诣，能够将拓扑学方法引入相对论研究，证明在每一个黑洞的中心存在着一个奇点，这就是在宇宙学里著名的奇性定理。 数学在物理学里的主要角色并不是推导与演算的优良工具，它还扮演了一个更关键的角色：作为一种抽象语言，担当精准地表述物理定律之任。实际而言，物理定律必须先用数学语言来表述，然后才能将数学工具的功能发挥至极。伽利略在1622年著作《分析者》（Il Saggiatore）里提到，数学是大自然表达其内涵所用的语言，假若弃之不用，则无法了解大自然的任何***。物理学依赖数学来给出准确的公式、准确或近似的解答、定量的结果或预测。理查·费曼在著作《物理之美》（The Character of Physical Law）里也有类似的表示，他认为，不知道数学的人很难真正地理解大自然的美，尤其是最深刻的自然之美……假如你想知道任何有关大自然的事物，或者想鉴赏大自然，就必须了解大自然所用的语言。 数学语言在表述物理定律的同时，也表述出内含的数学概念。例如，根据量子力学的数学表述，在量子力学里，有两个基础概念：物理系统的量子态是以希尔伯特空间的单位矢量来代表，从观察物理系统得到的可观察量是以作用于这些矢量的厄米算符来代表。一旦找到了这两个基础物理概念的对应数学概念，整个线性代数的理论都可以立刻应用于量子力学。这凸显出数学的重要性与适应性。 在数学理论里弥漫着数学语言，其伴随的数学概念往往会指出前进的道路，有时甚至会衍生出经验预测。这并不只是巧合，而恰恰反映出在数学与物理之间无比深奥的关系。例如，1915年，广义相对论最初创立之时，尚没有甚么牢靠的经验性观测基础，它在当时所能解释的最著名现象就是牛顿力学无法解释的水星近日点的反常进动。1919年**物理学家亚瑟·爱丁顿爵士观测到了广义相对论预言的光线在太阳引力场中的偏折（这一实验直到1959年才开始被精确地定量测量），这在当时是对广义相对论最有力的支持。时至今日，广义相对论的理论预测已由实验测量结果证实。 应用与影响 人脑纵切面的核磁共振成像。 计算机仿真显示出航天飞机重回大气层时的受热状况。 物理学是一门基础科学，不是应用科学。物理学也被认为是基础科学中的基础科学，因为其它自然科学的分支，像化学、天文学、地球物理学、生物学的理论都必须遵守物理定律。例如，化学研究物质的性质、结构、化学反应（化学专注于原子尺寸，这是化学与物理的主要界线）。结构的形成是因为粒子与粒子之间彼此相互作用。能量守恒、动量守恒、电荷守恒等，这些物理定律主导了物质性质和化学反应。 应用物理学指的是针对实际用途而进行的物理研究。应用物理学的课程规画通常会选修一些应用学科的课程，像地质学或电机工程学。应用物理学与工程学不同，应用物理学不会特别地设计某种组件或机器，而是用物理理论或从事物理研究来发展某种新科技或解析某问题。 工程学应用到很多物理理论。例如，在学习建造桥梁与其它建筑物的技术之前，必须先学会静力学的理论。设计世界一流的音乐厅，必须先学会声学。设计与制造更优良的光学组件必须先精思熟读光学。经过考虑种种物理因素而设计出来的飞行仿真器、电子游戏、电影等等，会显得更加维妙维肖、栩栩如生。 物理学使用的一些探本溯源、格物致知的方法也可用于跨学科领域。物理学或多或少地影响了很多重要学术领域，例如，经济物理学（econophysics）应用大量物理学里的理论与方法来解析经济学问题，这些问题时常会涉及不确定性或混沌。

近期研究

理察·费曼的亲笔签字和他发明的费曼图。 物理学理论能够正确地描述迈斯纳效应（Meissner effect）——磁铁悬浮于超导体的上方。 虽然物理学是最古老的学术之一，时至今日，仍有许多具突破性的划时代研究在物理的各个分支领域夜以继日、如火如荼地进行中。 在凝聚态物理学领域，某些物质在温度高于50 K仍旧具有超导电性，物理学者不清楚促成这高温超导现象的机制为何,。很多凝聚体实验的目标是制成可使用的自旋电子学组件和量子计算机组件。 在粒子物理学领域，支持后标准模型物理学（physics beyond the Standard Model）的实验证据已开始陆续出现。在这些结果之中，比较重要的是微中子具有非零质量的征象。这实验结果似乎合理解答了瞩目良久的太阳微中子缺失问题，即有些微中子在从太阳传播到地球的路途中，会转换为实验无法侦测的别种类微中子的现象。带质量微中子的物理研究是很热门的理论与实验题目。高能粒子加速器已开始侦测TeV能量域，希望能够找到希格斯玻色子和超对称粒子的一鳞半爪。2012年7月4日，欧洲核子研究组织（CERN）宣布已发现一种新玻色子，这玻色子极像希格斯玻色子，但还有待物理学者进一步分析来完全确定是否为希格斯玻色子。 在理论物理学领域，理论物理学家尝试将量子力学和广义相对论统一成为量子引力理论。这研究已延续了大半个世纪，但至今仍未得到满意的答案。现今几个比较成功的理论为M理论、超弦理论、圈量子引力论。 在天文物理学领域，许多天文和宇宙现象仍旧没有找到合意的解答，如超高能量宇宙射线、重子不对称性、宇宙加速膨胀、星系自转问题等等。 虽然，高能物理、量子物理、天文物理等领域有很大的突破与进展，但对于许多涉及复杂系统、混沌、湍流等等日常发生的现象，科学家仍是一知半解。自1970年以来，这些复杂现象关注度不断提升，主要原因有很多，包括现代数学方法和电子计算机的出现，使以新方式仿真复杂系统成为可能。还有，复杂物理学已成为一门多学科研究领域。在空气动力学里，关于湍流的研究代表了这发展趋势。