רעיון זה התפשט בהדרגה והוחל גם על תחומים אחרים. עד שנת 1925 התפרסמו כמה תאוריות המבוססות על קוונטיזציה בתחומים שונים הקשורים לתרמודינמיקה, קרינה אלקטרומגנטית, קיבול חום סגולי ומבנה האטום. תאוריות אלו נודעו לאחר מכן באופן קולקטיווי כ"תיאורית הקוונטים הישנה", והתאפיינו בערבוביה בין העקרונות הקוונטים החדשים והעקרונות הישנים מהפיזיקה הקלאסית, וזכו להצלחות לצד קשיים מרובים. הבעיות האמפיריות והתאורטיות חידדו את הצורך ביצירתה של תאוריה קוונטית חדשה, שתחליף כליל את הפיזיקה הקלאסית.
המונח מכניקת הקוונטים נטבע על ידי מקס בורן ב-1924, והבסיס המתמטי שלה הונח בשנים 1925–1926 במספר צורות שהתגלו כשקולות, על ידי בורן ואחרים. התאוריה התגלתה כמהפכנית לא רק בקוונטיזציה ממנה צמחה, אלא בגם בהחלפתם של הדימויים הוויזואליים האינטואיטיביים של הפיזיקה הקלאסית במושגים מתמטיים מופשטים, ובהצבת מגבלות על יכולתנו לצפות בעולם ולבצע תחזיות.
המשמעויות והפרשנויות למכניקת הקוונטים עוררו ויכוחים בקהילה המדעית מיד עם פרסומה, והם נמשכים בחלקם עד ימינו. כמה עמדות ואמירות מדיון זה הפכו מפורסמות בתרבות הפופולרית, כגון האמרה המבוססת על ציטוט של איינשטיין "אלוהים לא משחק בקוביות", והניסוי המחשבתי החתול של שרדינגר.
תהליכים.
מתקופת המהפכה המדעית התקיימו מספר תהליכים ארוכי טווח בחקר הפיזיקה.
תהליך אחד מיזוג של כמה תחומים נפרדים למספר מצומצם של תאוריות. דברים שנראו בתחילה כתופעות נפרדות התבררו בהמשך כהיבטים שונים של אותו דבר. עבודתו של ניוטון על ספרו "פרינקיפיה" סיפקה את ההוכחה האמפירית הראשונה עבור האיחוד של כוחות שונים לכאורה: עבודותיו של גלילאו על משיכה ארצית, חוקי קפלר לתנועת כוכבי־הלכת, וההסבר עבור גאות ושפל, הוסברו כולן בצורה כמותית בידי חוק אחד ויחיד - חוק הכבידה האוניברסלי. כן התברר כי הקול והתנועה נחשבו בתחילה דברים שונים, עד שהתברר שקול הוא תנועה של אוויר. בהמשך התברר שגם חום ניתן להסביר מתוך חוקי התנועה עם התפתחות התרמודינמיקה. ב־1820 גילה הנס כריסטיאן ארסטד קשר מסוים בין חשמל למגנטיות שנחשבו עד אז לתופעות נפרדו. בכך החל עשורים שלמים של עבודה בשנת 1873 מיזג ג'יימס קלרק מקסוול את תיאור התופעות בתחום החשמל והמגנטיות יחד עם תיאור האור והאופטיקה, על פי הנחה כי אור הוא גלים אלקטרו-מגנטיים. בזמן זה היו בפיזיקה חוקי תנועה, חוקי כבידה, וחוקי אלקטרומגנטיות.
בעבר הוגדרו ארבעה כוחות יסוד בפיזיקה - כוח הכבידה, הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק, והכוח הגרעיני החלש. אך קיימת מגמה לנסות לאחד כוחות אלה. עד עתה, הפיזיקאים הצליחו לאחד את הכוח האלקטרומגנטי ואת הכוח הגרעיני החלש לכוח יחיד, הכוח האלקטרו-חלש. עיקר העבודה כעת הוא באיחוד הכוח האלקטרו-חלש עם הכרומודינמיקה הקוונטית, התורה המתארת את פעולתו של הכוח הגרעיני החזק. כוח מאוחד זה מכונה לעיתים "הכוח האלקטרו-חזק" או "הכוח האלקטרו-גרעיני". בנוסף, יש הסבורים כי ניתן יהיה לאחד גם את הכוח היסודי הרביעי - כוח הכבידה - במסגרת התאוריה של הכול.
תהליך נוסף שהתקיים הוא היות הפיזיקה בסיס תאורטי לחקר של תחומי מדע אחרים. שיטות מחקר, כלים מתמטיים וכן גילויים בפיזיקה עצמה (כמו אופטיקה) שימש בהמשך תחומי מחקר אחרים כמו כימיה או ביולוגיה. במהלך המאה ה־19 ובתחילת המאה ה־20, ניכר בהדרגה כי תופעות שכיחות של כוחות - כוחות מגע, אלסטיות, צמיגות, חיכוך, לחץ - נבעו למעשה מפעולות גומלין חשמליות בין החלקיקים הקטנים ביותר של החומר. בשנות ה־20 המאוחרות של המאה ה־20, מכניקת הקוונטים החדישה הראתה כי קשרים כימיים בין אטומים הם דוגמאות לכוחות חשמליים (לפי קוואנטים). מכן כי באופן תאורטי לפחות ניתן להסביר את הכימיה באמצעות הפיזיקה, אם כי בפועל קיום של תהליכים רבים במקביל וקושי חישובי הופכים את הכימיה לתחום מחקר נפרד.
תהליך אחר שמתקיים הוא הפרדות הקשר בין "השכל הישר" לבין הפיזיקה. כבר בתקופתו של קופרניקוס וניוטון הגיעו המדענים למסקנה שהיא כיום ידועה לכל, אבל נתפסה בעבר כבלתי הגיונית. אף על פי שנראה לנו שהשמש והכוכבים סובבים את כדור הארץ, מתברר שכדור הארץ סובב על צירו ומקיף את השמש - המודל ההליוצנטרי. המודל ההליוצנטרי הביא להכרה שהחושים אינם מייצגים נאמנה את המציאות. עם הזמן הפכו התאורים הפיזיקליים לדברים שסותרים עוד ועוד את האינטואציות והתפיסות היומיומיות שלנו. תורת היחסות הפרטית של איינשטיין הובילה לתוצאות מפתיעות שונות, אחת מהן היא שאין זמן ומרחב מוחלטים – ככל שמערכת ייחוס נעה במהירות גבוהה יותר (עם מהירות האור כחסם עליון), ממד האורך של המערכת בכיוון התנועה מתכווץ ביחס לצופה נייח, והזמן המקומי שלה מתקדם לאט יותר מנקודת מבטו של אותו צופה. בשנת 1915 הרחיב אלברט איינשטיין את תורת היחסות על מנת להתמודד עם מושג התאוצה, ובכך יצר את תורת היחסות הכללית, אשר אחד ההישגים החשובים שלה הוא הסבר של כח הכבידה מתוך התעקמות של המרחב-זמן. תורת היחסות הפרטית והכללית נענו בתגובות מעורבות של הקהילה המדעית לאחר פרסומם. בעוד מדענים חשובים כמו מקס פלאנק קיבלו את התורה בהתלהבות, רבים בקהילה הפיזיקלית שללו אותה מכל וכל. כמו כן במהלך המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20 התברר כי האור ודברים כמו אלקטרונים מגלים התנהגות שמתאימה הן לגל והן לחלקיק, תופעה המכונה דואליות גל-חלקיק. מכניקת הקוונטים הביאה מספר רב של התנהגויות "אבסורדיות" לדוגמה היא אינה מאפשרת לחזות תוצאות של מדידה במדויק, אלא רק באופן הסתברותי. עקרון האי-ודאות טוען כי זוגות מסוימים של תכונות הם כאלה שלא ניתן לדעת במדויק את שתיהן בו זמנית. לדוגמה אם ניתן לדעת מיקום של חלקיק באופן מדויק בהכרח המידע לגבי התנע שלו יהיה בלתי מדויק. ריצ'רד פיינמן העיר כי אנשים רבים המקשיבים לפיזיקאי יתקשו להאמין כי הטבע מתנהג כפי שהוא מתנהג. שכן הדברים לא נראים הגיוניים. פיזיקאים למדו להתמודד עם בעיה זו - אין זה חשוב אם הם אוהבים תאוריה מסוימת או אם היא קלה להבנה או מסתדרת עם "השכל הישר" - אלא אם היא מצליחה לחזות מראש תוצאות של ניסויים. תאוריות כמו אלקטרודינמיקה קוונטית נראות כמו אבסורד מוחלט למוח הישר. אבל היא מתאימה במלואה לניסיון. פיינמן טוען כי הטבע הוא מוזר ואבסודרי - וכי יש ניתן להתענג על כך.
תהליך נוסף שהתקיים הוא התחזקות השימוש בכלים מתמטיים מתקדמים וצורך גובר בכוח חישוב חזק. כדי לתאר את המכניקה הניוטונית, היה על ניוטון לפתח את התחום של חשבון אינטיסימפלי עם הזמן חלק גדל והולך בהכשרת פיזיקאים נדרש לפיתוח כלים מתמטיים כדי שיוכלו לבצע חישובים רבים ומסובכים במגוון כוחות הפועלים. כדי לתת תוצאות כמותיות של מכניקת הקוונטים נדרשו כלים מתמטיים נוספים כדי להתמודד עם כמות הולכת וגדלה של אפשרויות. ככל שמתרבים הכוחות והאינטראקציות בין חלקיקים שונים נדרשים הפיזיקאים למחשבים רבי עוצמה.
תהליך נוסף שמתקיים הוא התפתחות הטכנולוגיה של הניסויים בפיזיקה. הפיזיקה אפשרה את התפתחות הנדסה ושני התחומים יחד תרמו למכשירי מדידה מדויקים ומשכוללים יותר כמו טלסקופים משוכללים יותר המאפשרים בחינה מדויקת יותר של כוכבי לכת ושל תופעות אסטרונמיות שונות, מחקרי באמצעות גלאי-אלקטרונים או קרני-X, ומכשירים כמו מאיצי חלקיקים. תופעה נוספת היא צורך במכשור יקר ומסובך יותר לדוגמה בגלל מחקרים על חלקיקים באנרגיות גבוהות ובתנאים קיצוניים שונים.
משחק עיוור (שחמט)
התפתחות הפיזיקה במאה ה-20
הפיזיקה עברה בתחילת המאה ה-20 שלוש מהפכות גדולות ששינו את פניה: גילוי תורת היחסות, גילוי תורת הקוונטים וכן חקר החלקיקים הבסיסיים ביותר של החומר: גילוי האלקטרון, הגרעין ומרכיביו. תורות היחסות והקוונטים שינו לגמרי את תפיסת העולם המדעית ושפכו אור חדש על המושגים הבסיסיים ביותר כגון מהו מקום, מהו זמן ומהי מדידה. לעומת סוף המאה ה-19, שבה רווחה התפיסה כי החוקים הבסיסיים ביותר של הפיזיקה כבר הובנו, במאה ה-20 התפתחה התחושה כי החוקים הבסיסיים של הטבע הם מעבר להשגת המדע. אחת המטרות המרכזיות של הפיזיקה הפכה פיתוח אמצעי מחקר שיאפשרו למדענים לבחון את התורות החדשות ולהגיע לתורות חדשות נוספות באמצעות ביצוע מדידות באנרגיות גבוהות יותר, בזמנים קצרים יותר ובדיוק רב יותר. חזית נוספת שבה התקדמה הפיזיקה בצעדי ענק במאה ה-20 הייתה חקר תופעות נוצרות (emergent physics). תחומים כמו פיזיקת מצב מוצק, מכניקת הזורמים, אופטיקה, פלזמה ועוד, החלו להתפתח ביתר שאת. בתחומים אלו חוקי הדינמיקה הבסיסיים ידועים היטב, אך ההשלכות שלהם ידועות פחות - על כן החלו להתגלות שלל תופעות כגון מוליכות על וטורבולנסיה (turbulence).
במהלך המאה ה-20 התחוללו שתי מלחמות עולם שבהן לפיתוחים טכנולוגיים ופיזיקליים היה תפקיד מכריע: שדה הקרב החל להיות מוכרע בזכותם של מטוסים, צוללות ולבסוף בזכות הפצצה הגרעינית. הפצצה הייתה רעיון שהגו פיזיקאים הן בארצות הברית והן בגרמניה, ובמהלך המלחמה התחוללה תחרות ביניהם לגבי מי יהיה הראשון לפתחה. לפיתוח הפצצה היו השלכות הרסניות ומשמעות גדולה לגבי המשך מהלך ההיסטוריה. לאחר מלחמת העולם השנייה המשיך המחקר המדעי בכלל והפיזיקלי בפרט להתפתח בקצב מסחרר. נפתחו אוניברסיטאות רבות, מעבדות לאומיות בארצות הברית, אירופה ויפן, וכן מכוני מחקר בינלאומיים. המדע דחף ביתר שאת לפיתוחים טכנולוגיים רבים שהשפיעו לאין שיעור על התפתחות המדע, כגון המצאת הלייזר, המצאת המחשבים, הננוטכנולוגיה ועוד.
שנת הפלאות ותורת היחסות.