Fisika
Mekanika kuantum muncul dipelopori oleh Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger dan Paul Dirac. Dari hasil karya awal ini, Model standar partikel fisika diturunkan. Setelah penemuan partikel dengan karakteristik yang konsisten dengan Higgs boson di CERN tahun 2012, semua partikel dasar yang diprediksi oleh model standar, muncul dan diperhitungkan; namun, fisika di luar Model Standar, seperti teori supersimetri, adalah area penelitian yang berkembang. Ilmu matematika secara umum penting dalam bidang ini, seperti studi probabilitas dan kelompok.
Dalam fisika benda terkondensasi, masalah teoretis tak terpecahkan terbesar adalah penjelasan superkonduktivitas suhu-tinggi. Banyak penelitian fisika terkondensasi dilakukan untuk membuat spintronik dan komputer kuantum bekerja.
Dalam fisika partikel, potongan pertama dari bukti eksperimen untuk fisika di luar Model Standar telah mulai menghasilkan. Yang paling terkenal adalah penunjukan bahwa neutrino memiliki massa bukan-nol. Hasil eksperimen ini tampaknya telah menyelesaikan masalah solar neutrino yang telah berdiri-lama dalam fisika matahari. Penumbuk Hadron Raksasa telah menemukan boson Higgs. Penelitian masa depan
bertujuan untuk membuktikan atau membatalkan supersimetri, yang memperluas Model Standar di fisika partikel. Penelitian materi gelap dan energi gelap juga sedang dilakukan.
Fisika neutrino besar merupakan area riset eksperimen dan teori yang aktif. Dalam beberapa tahun ke depan, pemercepat partikel akan mulai meneliti skala energi dalam jangkauan TeV, yang dimana para eksperimentalis berharap untuk menemukan bukti untuk Higgs boson dan partikel supersimetri.
Para teori juga mencoba untuk menyatukan mekanika kuantum dan relativitas umum menjadi satu teori gravitasi kuantum, sebuah program yang telah berjalan selama setengah abad, dan masih belum menghasilkan buah. Kandidat atas berikutnya adalah Teori-M, teori superstring, dan gravitasi kuantum loop.
Banyak fenomena astronomik dan kosmologik belum dijelaskan secara memuaskan, termasuk keberadaan sinar kosmik energi ultra-tinggi, asimetri baryon, pemercepatan alam semesta dan percepatan putaran anomali galaksi.
Meskipun banyak kemajuan telah dibuat dalam energi-tinggi, kuantum, dan fisika astronomikal, banyak fenomena sehari-hari lainnya, menyangkut sistem kompleks, chaos, atau turbulensi masih dimengerti sedikit saja. Masalah rumit yang sepertinya dapat dipecahkan oleh aplikasi pandai dari dinamika dan mekanika, seperti pembentukan tumpukan pasir, "node" dalam air
"trickling", teori katastrof, atau pengurutan-sendiri dalam koleksi heterogen yang bergetar masih tak terpecahkan.
Fenomena rumit ini telah menerima perhatian yang semakin banyak sejak 1970-an untuk beberapa alasan, tidak lain dikarenakan kurangnya metode matematika modern dan komputer yang dapat menghitung sistem kompleks untuk dapat dimodelkan dengan cara baru. Hubungan antar disiplin dari fisika kompleks juga telah meningkat, seperti dalam pelajaran turbulensi dalam aerodinamika atau pengamatan pola pembentukan dalam sistem biologi. Pada 1932, Horrace Lamb mengatakan:
"Saya sudah tua sekarang, dan ketika saya meninggal dan pergi ke surga ada dua hal yang saya harap dapat diterangkan. Satu adalah elektrodinamika kuantum, dan satu lagi adalah gerakan turbulens dari fluida. Dan saya lebih optimis terhadap yang pertama."
Meski fisika mempelajari berbagai macam sistem, teori tertentu digunakan oleh semua fisikawan. Setiap teori ini diuji coba dengan eksperimen berkali-kali dan menjadi perkiraan alam yang memadai. Contohnya, teori mekanika klasik menjelaskan gerak benda yang bergerak jauh lebih pelan dari laju cahaya dan berukuran jauh lebih besar dari atom. Teori ini masih menjadi area
penelitian sampai sekarang. Teori chaos, aspek penting dalam mekanika klasik ditemukan abad ke-20, tiga abad setelah formulasi awal dari Isaac Newton (1642-1727).
Teori utama ini adalah alat yang penting bagi penelitian untuk menuju topik yang lebih terspesialisasi, dan fisikawan manapun, tidak peduli spesialisasinya apa, diharapkan untuk tahu. Diantaranya adalah mekanika klasik, mekanika kuantum, termodinamika, mekanika statistika, elektromagnetisme, dan relativitas khusus.
Fisika klasik mencakup diantaranya adalah cabang dan topik yang telah diketahui dan dikembangkan sebelum abad ke-20: mekanika klasik, akustik, optik, termodinamika, dan elektromagnetisme. Mekanika klasik mempelajari benda yang bergerak akibat gaya dan dapat dibagi menjadi statika (studi mengenai benda diam), kinematika (studi mengenai gerak tanpa peduli penyebabnya) dan dinamika
(studi mengenai gerak dan gaya yang mempengaruhinya). Mekanika juga dapat dibagi menjadi mekanika padat dan mekanika fluida (dikenal bersama sebagai mekanika kontinuum), cabang turunannya seperti hidrostatik, hidrodinamika, aerodinamika, dan pneumatika. Akustik adalah studi mengenai bagaimana bunyi dibuat, dikontrol, dikirim, dan diterima. Cabang modern penting dari akustik diantaranya ultrasonik, studi mengenai
gelombang bunyi pada frekuensi sangat tinggi diatas kemampuan manusia; bioakustik, fisika tentang pendengaran pada hewan, dan elektroakustik, manipulasi gelombang bunyi menggunakan elektronik.
Optik, studi mengenai cahaya, tidak hanya peduli pada cahaya tampak namun juga untuk inframerah dan radiasi ultraviolet, yang menjelaskan semua fenomena cahaya terlihat seperti pemantulan, refraksi, interferensi, difraksi, dispersi, dan polarisasi cahaya. Panas adalah salah satu bentuk energi, energi dalam yang dimiliki partikel yang berasal dari substansi
pembentuknya; termodinamika mempejari hubungan antara panas dan bentuk energi lainnya. Listrik dan magnetisme dipelajari sebagai salah satu cabang fisika karena kedekatannya yang mulai diteliti awal abad ke-19; sebuah arus listrik dapat menimbulkan medan magnet, dan perubahan medan magnet menginduksi arus listrik. Elektrostatik mempelajari muatan listrik ketika diam, elektrodinamika dengan muatan bergerak, dan magnetostatik untuk kutub magnet saat diam.
Fisika klasik sebagian besar berfokus pada materi dan energi pada skala pengamatan normal, sedangkan sebagian besar fisika modern berfokus pada perilaku materi dan energi pada kondisi ekstrim atau pada skala sangat besar/sangat kecil. Contohnya, atom dan fisika nuklir mempelajari materi pada skala kecil dimana elemen kimia dapat diidentifikasi. Fisika partikel elementer bahkan lebih kecil lagi
karena fokusnya pada satuan materi paling dasar; cabang fisika ini dikenal sebagai fisika energi tinggi karena diperlukan energi luar biasa besar untuk memproduksi banyak tipe partikel pada pemercepat partikel. Pada skala ini, notasi biasa untuk ruang, waktu, materi, dan energi tidak valid lagi.
Dua teori utama fisika modern memberikan gambaran konsep yang berbeda mengenai ruang, waktu, dan materi dari fisika klasik. Mekanika klasik memperkirakan alam adalah kontinu, sedangkan teori kuantum fokus pada sifat alami diskret banyak fenomena pada skala atom dan subatom dan aspek tambahan partikel dan gelombang untuk menjelaskan fenomena ini. Teori relativitas fokus pada penjelasan fenomena yang bertempat pada
sebuah kerangka acuan yang bergerak terhadap pengamat; teori relativitas khusus fokus pada gerak seragam relatif pada garis lurus dan teori relativitas umum dengan gerak dipercepat dan hubungannya dengan gravitasi. Teori kuantum dan teori relativitas digunakan pada semua area fisika modern.
Meski fisika bertujuan untuk menemukan hukum universal, teorinya bersandar pada domain penggunaan tertentu. Bicara umum, hukum fisika klasik dapat secara akurat menjelaskan sistem yang ukurannya lebih besar dari skala atom dan geraknya jauh lebih lambat dari kecepatan cahaya. Di luar ini, pengamatan yang ada tidak sesuai dengan prediksi yang dilakukan. Albert Einstein berkontribusi pada