量子革命
前期量子論
經典物理學並不能恰當地解釋比熱、黑體輻射、光電效應、原子穩定性等問題。普朗克、愛因斯坦和玻爾用量子化的思想解決了這些問題。
新量子論
現代物理基礎就事論事的量子化奏效了，但是沒有一個人知道為什麼——那時基本理論還不存1925～1930年間，出現了三種形式的量子理論——海森伯的矩陣力學，薛丁格的波動力學，狄拉克的算符力學。所有這三種形式的量子力學都沒有考慮相對論效應。狄拉克方程解決了這個問題。
量子謎團
量子理論很管用，但是沒有一個人知道如何來解釋這些方程。玻爾在不確定性原理和互補原理的基礎上提出了哥本哈根詮釋。但是，愛因斯坦並不能接受它。爭論在繼續，然而，實驗結果支持的是量子理論。
量子力學
人們試圖解釋光和物質是如何相互作用的努力卻導致了無窮大的難題。1948年費恩曼和朝永振一郎創立了一種新的量子場論——量子電動力學（縮寫為QED)。l962年歐洲原子核研究組織(CERN)舉辦了第ll屆國際高能物理學術會議
解釋物質
原子和核
對陰極射線的研究表明，原予不是不可分割的一一所有原子都包含有電子。a粒子散射實驗向世人揭示了核。瑟福提出原子核的“行星模型”。查德威克發現中子。盧瑟福解釋了核嬗變和放射性。湯川提出了束縛核子的強核力模型。提出核的液滴模型和作軌道運動的核子模型。
標準模型
對宇宙線、放射性和粒子碰撞的研究發現了許多歸人不同家族的新粒子：輕子——類電子粒子和中微子；強子——重子和介子，受強核力的作用而運動；強子圖式促使人們想到了更深的層次——夸克。規範玻色子起粒子相互作用媒介的作用。
粒子加速器
高能物理學的研究使用兩種最基本的工具：加速器——從范德格拉夫的高壓靜電發生器到大型強子對撞機(LHC).探測器——從驗電器到大型正負電子對撞機物理探測器(ALEPH).
萬物論
統一是物理學的遠大目標。電磁學是第一個重要的物理學的統一理論。電弱相互作用統一理論。從對稱到超對稱。從量子電動力學到量子色動力學以及量子引力問題。弦理論。
空間與時間
光速
麥克新韋證明了，光的速度可以從電磁定律推導出來。邁克耳孫畢其一生精益求精地進行光速的測量，並力圖尋找支持所謂以太的媒質。邁克耳孫一莫雷實驗並沒有檢測到這種“光以太”。光的速度是一切速度的極限。
狹義相對論
牛頓力學和麥克斯韋的電磁理論在處理空間一時間和運動問題上並不一致。愛因斯坦提出物理學的定律對所有觀測者都應該是一樣的，而與他們的運動狀態無關。相對論的原理導致了許多與人們的直覺不一致的結果：時間延緩、長度收縮、質能等效等。閔可夫斯基則把相對論解釋為一個四維空間一時間幾何學的理論。
廣義相對論
怎樣才能把引力和加速度包容進相對論？愛因斯坦認識到，自由下落的觀察者是感覺不到引力的。等效原理則把引力和加速度聯結了起來，並預言了一些新的物理現象：光在引力場中的偏折、引力的時間延緩以及近日點的進動。引力又可解釋為閔可夫斯基的四維空間一時間的畸變：“物質告訴空間該怎樣彎曲，而空間告訴物質該怎樣運動。理論預言了引力波和黑洞。
天體物理
天文觀測
人類在地球表面觀測天體的範圍以及成像的清晰度受到地球大氣層以及望遠鏡孔徑衍
射效應的制約。克服這種限制的方法之一就是將望遠鏡送人太空。天文學始於可見光波段的觀測，現已擴展到電磁波譜的全部波段。
恆星
為測量到恆星乃至星系的距離，我們需要一系列技術手段，涉及恆星發光、生長和死亡
的詳盡的理論。恆星光譜提供了包含恆星的本質、宇宙的歷史以及元素起源的信息寸赫一羅圖匯總了恆星的種類和特點。圖中主序帶以外包括了紅巨星、白矮星、中子星和黑洞。超新星爆發冶煉出的各種重元素推動了整個星系化學成分的演化，同時超新星可以作為標準燭光用於測量宇宙大尺度的距離。
宇宙學
宇宙中有數量極多的星系，彼此相距遙遠。銀河系只是其中的一個星系。哈勃定律指出，星系的紅移量正比於其距離。宇宙正在膨脹中心宇宙的膨脹意味著它的大爆炸起源。微波背景輻射和高豐度輕核的證據都支持這一學說。宇宙的年齡大約為150億年（譯註：更準確的數據為137億年）。早期的宇宙可能是處於一種按指數規律暴脹的狀態々這是由不穩定的真空態坍縮引起的。宇宙的未來取決於它的密度。當前我們只能檢測到它的部分質量，可以解釋恆星和星系的運動。
時間箭頭
時間溫度
熱力學第二定律表明物理過程固有的不可逆性。熵永不減少。玻爾茲曼對熵和不可逆性作了有效的微觀解釋，但也引起了爭議。諸如麥克斯韋妖這樣的思想實驗表明，熵與信息是相互關聯的。霍金開創了黑洞熱力學。
向絕對零度進軍
儘管人們對溫度很熟悉，但它是一個微妙的、與熵和能量有關的概念。絕對零度是不可能達到的。按照熱力學定律，利用從有序到無序的轉變可以獲得很低的溫度。昂內斯將氦液化從而開創了低溫物理學，揭示出物質的一些奇特的新性質——超導性和超流性。接近絕對零度時，這種奇異行為涉及量子統計以及費米子和玻色子之間的區別。最近的研究已經創造了一種新的巨觀物質態——玻色一愛因斯坦凝聚。
18、正反共軛(C）、空間反射(P)和時間反演(T)
守恆定律與對稱性原理有關。在某些粒子相互作用中，單獨的正反共軛、空間反射和時間反演對稱性都遭到破壞，但是它們的聯合效應(CPT)應當守恆。在某些衰變反應中，時間反演對稱性的破壞表明有一個基本的微觀時間箭頭，它與熱力學箭頭並沒有明顯的聯繫。
