בשנת 1905, אלברט איינשטיין, אז פקיד במשרד פטנטים בברן, פרסם ארבעה מאמרים שלכל אחד מהם תהיה השפעה עצומה על התפתחות הפיזיקה. אחד המאמרים הסביר את האפקט הפוטואלקטרי והיה אבן דרך חשובה בתורת הקוונטים. מאמר נוסף נגע לתנועה בראונית והיה אבן דרך חשובה בהתפתחות המכניקה הסטטיסטית. שני המאמרים הנוספים יצרו למעשה תורה חדשה בפיזיקה: תורת היחסות.
כאמור, כבר במאה ה-19 נעשו ניסיונות רבים להבין את תכונות האתר, כשהמפורסם בהם הוא ניסוי מייקלסון-מורלי שבו נעשה ניסיון למדוד את מהירות כדור הארץ ביחס לאתר. בניסוי לא התגלה שום הבדל בין תנועת אור במקביל לכדור הארץ לבין תנועה בניצב לו. הנדריק לורנץ נתן הסבר לתוצאות הניסוי, אם מניחים כי הגופים הנעים מתכווצים בכיוון התנועה. ההסבר המתקבל יותר על הדעת ניתן על ידי איינשטיין, והוא כי מהירות האור זהה לכל צופה, בין אם הוא ניצב או מקביל לתנועה.
איינשטיין הניח שהאתר אינו קיים, ומשתמע מכך שמהירות האור קבועה בכל מערכת ייחוס. דבר זה סותר את המכניקה הניוטונית; לפי תאוריה זו, איש הנמצא ברכבת ומאיר בפנס רואה את האור מהפנס נע במהירות האור, ואילו צופה הנמצא על הקרקע רואה את האור נע במהירות האור בתוספת מהירות הרכבת. איינשטיין הסיק מכך שיש לתקן את חוקי התנועה של ניוטון. בסדרה של ניסויי מחשבה, הוא הראה שגופים הנעים במהירויות קרובות למהירות האור, נראים עבור צופה מהצד כאילו אורכם קטן, משך הזמן של תנועתם קצר יותר ומסתם גדלה. אחת התוצאות המפתיעות ביותר של איינשטיין היה שישנו קשר בין אנרגיה למסה, שמתבטא בנוסחה המפורסמת E=mc². הישג נוסף של התורה הוא הבאת הסבר עמוק לקשר שבין חשמל ומגנטיות; אלקטרונים הזורמים במתכות נעים במהירויות קרובות מאוד למהירות האור, ולכן עבור גופים נייחים הם נראים מכווצים יותר - אפקט זה יוצר את השדות המגנטיים. איינשטיין גם סיפק הסבר אינטואיטיבי לתורתו, והוא כי הזמן הוא מימד רביעי (אך נמדד ביחידות מדומות), ותנועה במהירות גבוהה שקולה לסיבוב במרחב-זמן. תורה זאת נקראת היום תורת היחסות הפרטית.
בשנים הבאות שקד איינשטיין על הרחבה של תורת היחסות כדי לכלול גופים מאיצים וכן על מנת להסביר את הכבידה. התוצאה של עבודה זו היא יסודה של תורת היחסות הכללית ב-1915. בתורה זו הראה איינשטיין שגופים בעלי מסה מעקמים את המרחב, וכך נוצרת המשיכה. המשוואות של תורת היחסות הכללית מהוות את הבסיס לקוסמולוגיה המודרנית.
תורת היחסות מקובלת היום על הרוב המוחלט של הקהילה המדעית, אולם תהליך קבלתה לא היה פשוט. בגרמניה שלפני מלחמת העולם השנייה התורה נחשבה "פיזיקה יהודית" והיו לה מתנגדים רבים. הוועדה לחלוקת פרס נובל התלבטה במשך שנים רבות האם להעניק את הפרס לאיינשטיין, מכיוון שרבים מחבריה האמינו שתורת היחסות איננה נכונה. לבסוף הוחלט להעניק לאיינשטיין את הפרס ב-1921, על עבודתו בהסבר האפקט הפוטואלקטרי ולא על תורת היחסות.
במאי 1919 יצא צוות בראשותו של ארתור אדינגטון לחזות בליקוי חמה שהתרחש בברזיל באותה שנה. על פי תורת היחסות הכללית, האור של הכוכבים שמאחורי השמש אמור להיות מוסט מכיוון שהמסה של השמש מעקמת את המרחב. הצוות של אדינגטון טען שהצליח למדוד את השינוי במיקום הנראה של הכוכבים, אם כי למעשה תוצאותיו לא היו חד משמעיות. פרסום מדידה זאת הפכה את תורת היחסות למקובלת בקרב מרבית הקהילה. המדידה גם סייעה להפוך את איינשטיין למפורסם ולכוכב תרבות בין לילה.
תורת הקוונטים.
בניגוד לתורת היחסות, שהייתה פרי עבודתו של מדען מבריק אחד, מכניקת הקוונטים התפתחה במאמץ משותף של מדענים רבים. את תחילתה של התורה נהוג לייחס לעבודתו של מקס פלאנק משנת 1900, בה נתן את ההסבר לקרינת גוף שחור, כי האור נפלט במנות בודדות של אנרגיה. מכך משתמע שהאור הוא גל בנוסף להיותו חלקיק, שזכה מאוחר יותר לשם פוטון (דואליות גל-חלקיק). ב-1905 השתמש אלברט איינשטיין ברעיונות של פלאנק כדי להסביר את האפקט הפוטואלקטרי. בשלבים הבאים של התפתחות הקוונטים הודגם שגם חומר שנהוג לראותו כעשוי מחלקיקים, מתנהג בנוסף כמו גלים. בשנת 1913 הציג נילס בוהר את מודל האטום שלו, לפיו בתוך האטום אלקטרונים נעים במספר בדיד של מסלולים, שבהם התנע הזוויתי של האלקטרונים הוא ביחידות שלמות של קבוע פלאנק. המודל הזה הסביר באופן יפה את ספקטרום הפליטה של אטום המימן, וההסבר האינטואיטיבי שעומד מאחוריו הוא שהאלקטרון מתנהג כמו גל, והמסלולים בהם הוא יכול לנוע דומים למצבים עצמיים של גלים (לדוגמה של גל עומד במיתר). בשנת 1924 הציג לואי דה ברויי את הטענה שאלקטרונים הם גלים, ואורך הגל שלהם שווה לקבוע פלאנק חלקי התנע שלהם. אורך גל זה נקרא היום אורך גל דה ברויי של חומר, והוא נכון לא רק לאלקטרונים אלא לכלל החומרים. בשנת 1925 הצליחו שני מדענים גרמנים, באופן בלתי תלוי, לנסח את חוקי מכניקת הקוונטים כפי שהם מקובלים היום. ארווין שרדינגר ניסח משוואת גלים המתארת את התפתחות הגל עם הזמן. במקביל הציג ורנר הייזנברג משוואת תנועה שקולה, אלא שבה האופרטורים הפועלים על פונקציית הגל הם אלו שמשתנים בזמן. הישג נוסף של הייזנברג היה פרסומו בשנת 1927 של עקרון אי הוודאות, שהפך לאחד הקווים המנחים של תורת הקוונטים, על פיו יש גבול לוודאות שבה ניתן למדוד בו זמנית מיקום ומהירות של חלקיק. בשנת 1927 הצליח פול דיראק לאחד את תורת הקוונטים עם תורת היחסות הפרטית, ולנסח את משוואת דיראק.
שלב חשוב היה הבנה של המשמעות של תיאור חלקיק על ידי פונקציית גל. ההסבר המקובל כיום הוא שפונקציית הגל מתארת את ההסתברות למצוא את החלקיק בכל מקום כאשר מתבצעת מדידה. מכאן, שכל עוד לא מתבצעת מדידה, חלקיק יכול להיות פרוש על מקומות רבים, כלומר בסופרפוזיציה קוונטית של מצבים רבים, ומרגע שמתבצעת מדידה הוא קורס בצורה אקראית לאחד מהם. הסבר זה נתקל בהתנגדויות רבות, שהמפורסמת בהן הייתה של אלברט איינשטיין, שידוע באימרה שלו "אלוהים לא משחק בקוביות". איינשטיין, למרות תפקידו החשוב בפיתוח הקוונטים, הפך עם השנים למתנגד חריף של התורה, והוא המציא שורה של פרדוקסים שנועדו לסתור אותה (המפורסם שבהם הוא הפרדוקס של איינשטיין-פודולסקי-רוזן). פרדוקסים אלו, שרובם נפתרו על ידי נילס בוהר, שיחקו גם הם תפקיד בהבנה של תורת הקוונטים. בתחילת ימיה של תורת הקוונטים היה מקובל הסבר נוסף למשמעות שלה שנקרא "תורת העולמות המקבילים"; כיום רק מיעוט קטן של פיזיקאים תומך בגישה זאת.
לתורת הקוונטים היו הצלחות מדהימות בהסבר תוצאות ניסיוניות ובחיזוי תופעות חדשות, במגוון רחב של תחומים בפיזיקה. למרות זאת, פיזיקאים רבים עדיין לא שלמים עם האינטואיציה והפילוסופיה שעומדים מאחוריה (כמאמר אתגר קרת: "אף אחד לא מבין את הקוונטים. במיוחד לא פיזיקאים..."). במיוחד מעסיקות את פיזיקאים כיום השאלות: מה זאת בעצם מדידה? כיצד קורה המעבר בין פיזיקת הקוונטים לפיזיקה קלאסית (גבול פלאנק)? מה ניתן לעשות בקוונטים שלא ניתן לעשות בפיזיקה קלאסית (טלפורטציה קוונטית, הצפנה קוונטית, חישובים קוונטים ועוד)?
מבנה החומר - פיזיקה גרעינית ופיזיקת חלקיקים.
המאה ה-20 הייתה מאה של פריצות דרך גדולות בהבנת החלקיקים היסודיים המרכיבים את היקום. היא החלה עם גילויו של האלקטרון, הרדיואקטיביות ומבנה גרעין האטום. המשך המחקר הוליד את הגילוי של הנייטרון ושלל חלקיקים חדשים. שנות ה-50 ושנות ה-60 היו תור זהב של גילויים ניסיוניים שהתבססו על מאיצי החלקיקים שנבנו בארצות הברית ובאירופה. התגליות הולידו ענפים חדשים בפיזיקה, פיזיקה גרעינית ופיזיקת חלקיקים, לצד פיתוחן של תורות כגון תורת השדות הקוונטית והמודל הסטנדרטי. זאת הייתה מאה של הצלחות יוצאות דופן בחיבור בין תאוריה לניסוי: ניסויים חדשים במהרה הולידו תאוריות, שבתורן ניבאו את גילויים של חלקיקים חדשים אשר אכן התגלו תוך זמן קצר.
כלים ניסיוניים.
כלל אצבע בפיזיקה הוא שעל מנת לחקור מבנה של חלקיקים קטנים יש להשתמש באנרגיות גבוהות. לדוגמה, אנרגיית הקשר הקושרת אטומים אחד לשני במולקולות היא בסדר גודל של וולטים בודדים, ולכן ניתן לשחק עם קשרים כימיים בעזרת סוללה חשמלית פשוטה, או בעזרת אור נראה. לעומת זאת, אנרגיה הקושרת פרוטונים ונייטרונים יחד בגרעין של אטומים היא בסדר גודל של מיליוני וולט (MeV), ולכן על מנת לחקור את גרעיני האטומים יש צורך בחלקיקים שלהם סדר גודל זה של אנרגיות. הניסויים על חלקיקים התבססו על שלושה סוגים של מקורות לחלקיקים מסוג זה:
הנדבך השני והחשוב בניסויים מסוג זה היה פיתוח של גלאים המסוגלים לזהות את החלקיקים המהירים והתוצרים שלהם. לצורך כך פותחו מספר סוגי גלאים:
גילויים ראשוניים.
בשנת 1897 גילה ג'יי ג'יי תומסון את האלקטרון, החלקיק היסודי הנושא זרם חשמלי במעגלים. ב-1904 הוא הציע דגם לאטום, שבו המטען החיובי פרוש בצורה אחידה על פני האטום והאלקטרונים נעוצים בתוכו. מודל זה נקרא מודל עוגת הצימוקים.
בשנת 1911 הסיק ארנסט רתרפורד מניסויי פיזור שערך כי המטען החיובי מרוכז בנפח קטן מאוד בתוך האטום, הקרוי היום הגרעין. מתוך תגלית זו, וכן מתוך גילוי הרדיואקטיביות, השתמע שנוסף על הכוח החשמלי והכבידה קיימים עוד כוחות בטבע, חזקים יותר, אבל פועלים על פני מרחקים קצרים בלבד. כוחות אלו נקראים היום הכוח הגרעיני החזק והחלש. תגליות אלו יצרו ענף חדש בפיזיקה: פיזיקה גרעינית. כמו כן, השיטה של רתרפורד לחקר הגרעין על ידי הפצצה של אטומים בחלקיקים מהירים, הפכה לשיטת הניסוי העיקרית בתחום זה עד היום.
שנות ה-30 וה-40.