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. 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. ערך מורחב – היסטוריה של מכניקת 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)? 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. שפופרת קתודית - בסוף המאה ה-19 החלו מדענים להבחין כי שכאשר מופעל מתח חשמלי גבוה בין שתי אלקטרודות הנמצאות בשפופרת ואקום, אזי מופיע אור על אחת האלקטרודות. חקר תופעה זאת הוליד תגליות כגון גילוי קרני ה-X (על ידי וילהלם קונרד רנטגן בשנת 1895), לגילוי האלקטרון (על ידי ג'יי ג'יי תומסון בשנת 1897) ולגילוי האפקט הפוטואלקטרי. תופעת הקרניים הקתודיות הייתה יצירת קרניים של אלקטרונים, המואצות על ידי המתחים החשמליים. 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: מקורות רדיואקטיבים - את הרדיואקטיביות גילה אנרי בקרל וחקרו אותה באופן מעמיק פייר ומארי קירי ואחרים. הרדיואקטיביות זוהתה כתהליך שבו גרעין של אטום מתפרק ופולט כתוצאה חלקיקים בעלי אנרגיות גבוהות. בחלקיקים אלו נעשה מאוחר יותר שימוש על מנת לחקור את המבנה של אטומים וגרעינים. ארנסט רתרפורד הצליח ללמוד את מבנה הגרעין בעזרת קרינת אלפא. קרינה קוסמית - שטף של חלקיקים בעלי אנרגיות גבוהות הפוגעים באופן תדיר בכדור הארץ ולהם מקורות אסטרונומיים שונים (סופרנובות, השמש ועוד). עד שנות ה-50 רוב התגליות בתחום פיזיקת החלקיקים באו מתצפיות על תוצרי הקרינה הקוסמית. מאיצי חלקיקים - כלים שבהם קרן יונים מואצת לאנרגיות גבוהות. היתרון הגדול במאיצי חלקיקים הוא האפשרות ליצור שטף גדול של חלקיקים בעלי אנרגיה מוגדרת היטב. בשנת 1932 נעשה לראשונה שימוש במאיץ חלקיקים על מנת לפרק גרעין אטומי, והחל משנות ה-50, עם פיתוחם של סינכרוטרונים, החל תור זהב של גילויים רבים של חלקיקים חדשים ובסיסיים של הטבע. במהלך השנים התפתחו מספר סוגי מאיצים: מאיצים אלקטרוסטטיים מאיצים קוויים (Linac) ציקלוטרונים סינכוטרונים הנדבך השני והחשוב בניסויים מסוג זה היה פיתוח של גלאים המסוגלים לזהות את החלקיקים המהירים והתוצרים שלהם. לצורך כך פותחו מספר סוגי גלאים: מונה גייגר - חוט הנמצא במתח גבוה יחסית לאלקטרודה; כאשר חלקיק מהיר עובר דרך הגלאי, הוא יוצר פריצה חשמלית הנמדדת על ידי הגלאי. תא ערפל (Cloud chamber) - פותח על ידי צ'ארלס וילסון, פיזיקאי סקוטי. זהו תא שבו אדי מים נמצאים ברווית יתר. כאשר חלקיק מהיר עובר דרך התא הוא מיינן את המים, והיונים הנוצרים משמשים כאתרי התגרענות לצורך התעבות של אדי מים. לאורך המסלול נוצר שביל של בועות מים אשר מתועדים במצלמה. תא בועות דומה במהותו לתא ערפל אך פעולתו הפוכה: גז מומס בנוזל, כאשר חלקיק עובר דרך הנוזל ומיינן אותו, נוצרות בועות אוויר בתוך הנוזל. גלאי גזים וסינטילטורים - בגלאים אלו החלקיקים המהירים מייננים גז והאלקטרונים הנוצרים או האור הנפלט מוגברים ונמדדים. 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. פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. שנת 1932 הייתה שנה פלאית בתחום החלקיקים היסודיים: במעבדת קוונדיש בקיימברידג' התגלה הנייטרון, במעבדה סמוכה נעשה לראשונה שימוש במאיץ חלקיקים כדי לפרק פרוטון, ובתצפיות של קרינה קוסמית התגלה לראשונה אנטי-חומר. פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. רצף התגליות המשמעותיות שהחל בשנות ה-50 נמשך גם לתוך שנות ה-80 וה-90; מספר מגמות אפיינו את חקר החלקיקים בעשורים אלו: הניסויים הפכו למורכבים ויקרים יותר. על מנת לגלות תופעות חדשות היה צורך במאיצי חלקיקים המגיעים לאנרגיות גדלות והולכות. מאיצים כאלו דרשו השקעות כספים מסיביות, בקנה מידה שהיו אפילו מעל היכולת של מיזמים לאומיים, ודרשו שיתופי פעולה בינלאומיים. הולדת תאוריות ספקולטיביות: בשנות ה-50 וה-60 תאוריות לא נלקחו ברצינות אם הן לא הסבירו מידע ניסיוני קיים. בשנות ה-80 תאורטיקנים בחקר חלקיקים הפנו יותר מאמצים לכיוון של תאוריות, כגון סופר-סימטריה המנבאות תופעות וחלקיקים שעדיין לא נחזו. נקודת השיא היא בפיתוח תורת המיתרים, שמקובלת היום על חלקים נרחבים מהקהילה הפיזיקלית, על אף שרבים מאמינים שלא רק שלא ניתן כיום לבדוק ניסיונית את התאוריה, אלא גם לא ניתן יהיה לעשות זאת במאה השנים הקרובות. אחת מתופעות הלוואי של מגמות אלו הוא ירידה בחשיפה הציבורית של הפיזיקה הגדולה, ובעקבות כך ירידה בתקצוב שלהם. אבן דרך משמעותית בנושא זה היא פרשת ה-SSC) Superconducting Super Collider) ופרשת ה-LHC. בתחילת שנות ה-80, במאמץ להשיב לארצות הברית את ההובלה בפיזיקה של חלקיקים (שניטלה ממנה על ידי CERN), הוחל בארצות הברית בבנייה של מאיץ בשם SSC, שתוכנן על מנת לשבור את שיאי האנרגיה של המאיצים, ולהגיע לאנרגיה של 20 TeV (טרה אלקטרון וולט). באירופה הוחל באותו הזמן בתכנונו של ה-LHC, שבו אנרגיית ההתנגשות צפויה להיות רק 14 TeV, אך שטף החלקיקים אמור להיות גדול יותר. בשנת 1991 החלו עבודות הבנייה המשמעותיות על ה-SSC, ובמהרה הסתבר שהעלות הייתה גדולה משתוכנן. התקציב המקורי, 4.4 מיליארד דולר, צמח בשנת 1993 ל-12 מיליארד דולר. בשנת 1993, לאחר שכבר נחפרו 22.5 ק"מ של מנהרות עבור המאיץ, ערך הקונגרס האמריקני ועדה על מנת לקבוע את עתידו של המיזם והוא החליט לבסוף לבטלו. גם פרויקט ה-LHC עמד בפני קשיים תקציביים גדולים, שהכריחו את מנהלי CERN להרחיב את מקורות המימון גם אל מחוץ לגבולות אירופה, ולקבל מימון גם מארצות הברית ומיפן. ה-LHC היה צפוי להתחיל לפעול באוגוסט 2008 (החל בספטמבר 2008). תפנית חשובה נוספת הייתה החיבור בין פיזיקת החלקיקים לבין תחום האסטרופיזיקה. היחסים בין שני הענפים הפכו קרובים ודו-כיווניים: נעשה שימוש בפיזיקת החלקיקים כדי להבין את התהליכים המתרחשים במעבה הכוכבים, את המפץ הגדול, וכן על מנת לקבל הבנה של החומר האפל. מן העבר השני, התיקון הראשון (והיחיד נכון ל-2015) למודל הסטנדרטי בא מתצפיות אסטרונומיות על כמות הנייטרינו המגיעים מהשמש, תצפיות שהביאו לתגלית כי לנייטרינו יש מסה. כמו כן, לעיתים מתייחסים ל-LHC כמתקן שיוכל ליצור תנאים זהים לאלו שהיו ביקום רגעים קצרים לאחר המפץ הגדול. מלחמות העולם, ובעיקר פיתוחו של נשק גרעיני, הדגימו למעצמות העולם את החשיבות והיתרון בהשקעות ממשלתיות גדולות בפיזיקה ובייסודן של מעבדות לאומיות. בנוסף, הדרישות הניסיוניות בחקר של חלקיקים יסודיים, בחקר החלל ובחיפוש אחרי מקורות אנרגיה חלופיים החלו לדרוש מתקנים ניסיוניים גדולים יותר ותקציבים שהיו מעבר ליכולתן של מעבדות אקדמיות. כל זאת הביאו לייסודן של מעבדות לאומיות ובינלאומיות בארצות הברית, ברית המועצות, אירופה ויפן, אשר הביאו לפריצות דרך גדולות וגילויים של תחומי מחקר חדשים. במהלך מלחמת העולם הראשונה והשנייה, טכנולוגיות מבוססות מדע כגון מטוסים, צוללות, מכ"ם, מחשבים ושיטות הצפנה שיחקו תפקיד מכריע. במהלך מלחמת העולם השנייה גייסו המעצמות השונות צוותים של מדענים לצורך פיתוחים טכנולוגיים שלהם הייתה השפעה גדולה על המשך הלחימה. מיזמים אלו הצריכו מערכת של שיתופי פעולה בין האקדמיה לצבא ולתעשייה, והמחישו את הצורך והתועלת בהשקעות גדולות של הממשלה במדע. בין מיזמים אלו ניתן למצוא: פרויקט הטילים הגרמני: הצבא הגרמני השקיע מאמצים רבים בפיתוח מיזם טילים שיאפשר הפצצה מרחוק של ערי האויב. הגרמנים הצליחו לייצר בצורה המונית את טיל ה-V-2, בעל טווח של 3,000 ק"מ וראש נפץ במשקל 1,000 ק"ג אשר הצליח לזרוע הרס רב, אך בחשבון הכולל לא הצליח להביא לשינוי בפני המלחמה. המדענים שהשתתפו במיזם זה, ביניהם ורנר פון בראון, גויסו לאחר המלחמה לעמוד בראש תוכניות החלל האמריקאיות והסובייטיות. טכנולוגיות מכ"ם: במהלך המלחמה, עמדה לרשות גרמניה הנאצית מערכת מכ"ם מתוחכמת שאיפשרה לה לזהות את המטוסים החודרים לשטחה ולהשמידם. על מנת להתמודד עם מערכת זאת, גויסו בארצות הברית ובבריטניה מדענים לחקר המכ"ם ומציאת דרכים להתגבר עליו. הטכנולוגיות שפותחו איפשרו את הפצצת הערים והתעשיות הגרמניות וקירבו את סופה של המלחמה. רבים מהמדענים האמריקאים שעמדו בראש התוכניות האמריקאית, ביניהם פרדריק טרמן, היו ממייסדי עמק הסיליקון לאחר המלחמה. פרויקט המכ"ם הביא גם לפיתוחן של טכנולוגיות כמו דימות תהודה מגנטית (MRI), שעונים אטומיים, מערכות ניווט ותנורי מיקרוגל. מיזם זה המשיך גם לאחר תום מלחמת העולם השנייה, ושיחק תפקיד חשוב במלחמה הקרה. הפצצה הגרעינית ערך מורחב – היסטוריה של הנשק הגרעיני בעקבות ניסויים של לאו סילארד ושל אנריקו פרמי, עלתה האפשרות ליצור תגובת שרשרת גרעינית, בה ביקוע של גרעין אחד יגרום לביקוע של גרעינים נוספים ולשחרור אנרגיה רבה. בעקבות החשש שגרמניה הנאצית תפתח נשק המבוסס על עיקרון זה, ב-1942 הצליחו מדעני גרעין לשכנע את נשיא ארצות הברית, פרנקלין דלאנו רוזוולט, להשקיע משאבים גדולים בתוכנית הגרעין האמריקאית. התוכנית, שזכתה לשם פרויקט מנהטן ואשר בראשה עמד רוברט אופנהיימר, קיבצה את מדעני הגרעין המובילים של התקופה - אנריקו פרמי, אדוארד טלר, ריצ'רד פיינמן, המתמטיקאים ג'ון פון נוימן וסטניסלב אולם והכימאי גלן סיבורג. לצורך התוכנית נבנו רשת של מתקנים, שהראשי ביניהם היה המעבדה הלאומית לוס אלמוס. בעוד פרויקט הגרעין הגרמני שהונהג בידי ורנר הייזנברג לא צלח, פרויקט מנהטן של בעלות הברית השיג את מטרתו. בשנת 1942 בוצעה תגובת השרשרת הגרעינית הראשונה בידי אדם, וביולי 1945 נוסה הנשק הגרעיני לראשונה בניסוי טריניטי, שהתקיים סמוך לאלאמוגורדו שבניו מקסיקו. ב-6 באוגוסט 1945 הוטלה הפצצה הגרעינית הראשונה, ילד קטן, על העיר הירושימה ביפן והביאה למותם של כ-70,000 בני אדם. פרויקט מנהטן השאיר אחריו רשת של מעבדות לאומיות: המעבדה הלאומית לוס אלמוס, המעבדה הלאומית אוק רידג' והמעבדה הלאומית ארגון. לאלו צורפו המעבדה הלאומית לורנס ברקלי והמעבדה הלאומית ברוקהייבן שהוקמה בלונג איילנד בשנת 1947. כמו כן הוקמו שלוש רשויות ממשלתיות לתקצוב מעבדות אלו: המשרד למחקר של הצי (Office of Naval Research), הרשות הלאומית למדע (National Science Foundation) והוועדה לאנרגיה אטומית של ארצות הברית. פעולות אלו, ובנוסף ההכפלה בכמות המוסדות להשכלה גבוהה בארצות הברית, הפכו את ארצות הברית למובילה העולמית בתחום הפיזיקה, דבר שהתבטא בין היתר בכך שרוב פרסי נובל לפיזיקה בעשרות השנים הבאות יינתנו למדענים אמריקאיים. שיאה של ההשקעה האמריקאית במדע היה בשנות ה-60 וה-70. בשנת 1960 נבחר ג'ון קנדי לנשיאות והוא מינה פיזיקאים כיועצים בכירים שלו והכריז על המרוץ לחלל. בזכותו קיבלו הפיזיקאים חשיפה ציבורית רחבה. הוקמו שתי מעבדות לאומיות נוספות, המאיץ הליניארי של סטנפורד (SLAC) בהשקעה של 100 מיליון דולר ופרמילאב בהשקעה של 250 מיליון דולר. מיד לאחר מלחמת העולם השנייה החלה ברית המועצות בפיתוח מואץ של תוכנית הגרעין שלה, שכללה מדענים מובילים כמו אנדריי סחרוב. בשנת 1957 הוקם בדובנה (Dubna) מאיץ חלקיקים המגיע לאנרגיה של 10 GeV, המאיץ בעל האנרגיה הגדולה ביותר לתקופתו (תואר שנחטף במהרה על ידי CERN). בשנת 1967 הוקם מאיץ חלקיקים בסרפוחוב (Serpukhov) המגיע לאנרגיה של 70 GeV. המדענים הרוסיים נחשבו למדענים מובילים בתחומים של תאוריה, פיתוח מאיצים ופיתוח גלאים. ערך מורחב – המרוץ לחלל תחום נוסף שבו הושקע מאמץ ממשלתי גדול היה המרוץ לחלל. שתי מעצמות העל בתקופה שאחרי מלחמת העולם השנייה, ארצות הברית וברית המועצות, התחרו על כיבוש החלל. השיגור הסובייטי של הלוויין הראשון לחלל, הספוטניק בשנת 1957, נחשב ליריית הפתיחה במירוץ. הרוסים המשיכו לשבור שיאים כאשר בשנים שלאחר מכן היו הראשונים לשגר בעל-חיים לחלל ואף הראשונים לשגר טיסה מאוישת. שיגור הספוטניק וכן הנאום של ג'ון קנדי שבו הוא הכריז על הכוונה האמריקאית לשגר אדם לירח הביאו להגברת התקציבים לסוכנות החלל האמריקאית נאס"א, ולתוכנית אפולו שלה. בשנות ה-50 וה-60 ארבע המעצמות האירופיות, גרמניה, אנגליה, צרפת ואיטליה, פיתחו כל אחת בנפרד מעבדות לאומיות; באנגליה נחנך בשנת 1963 מאיץ חלקיקים בשם "נימרוד" (Nimrod) המגיע לאנרגיה של 7 GeV; בצרפת הוקם בשנת 1957 סינכרוטרון בשם "Satune"; ובאיטליה הוקמה בשנת 1961 טבעת אחסון (Storage Ring) בשם "Ada". בגרמניה שלאחר המלחמה הוקם מכון מקס פלאנק, שהיה למעשה רשת של מעבדות לאומיות. בשנת 1964 הוקם ליד המבורג סינכרוטרון לאלקטרונים בשם Desy. בנוסף, ארבע המעצמות שיתפו פעולה בבניית מכון מחקר בינלאומי בשם CERN שהוקם בקרבת ז'נבה. המכון הוקם רשמית בשנת 1954 והפך במהרה למעבדה הגדולה והחשובה ביותר לחקר פיזיקת חלקיקים. תורת השדות הקוונטית נוסחה על מנת להרחיב את המכניקה הקוונטית כך שתהיה התאמה בינה לבין תורת היחסות הפרטית. היא השיגה את מטרתה בשלהי שנות ה־40, עם עבודתם של ריצ'רד פיינמן, ג'וליאן שווינגר, טומונגה ופרימן דייסון. הם ניסחו את תורת האלקטרודינמיקה קוונטית, המתארת את היחסים האלקטרודינמיים. תורת השדות הקוונטית מספקת את המסגרת לפיזיקת החלקיקים המודרנית, החוקרת את כוחות היסוד והחלקיקים היסודיים. בשנת 1954 פיתחו ינג צ'ן נינג ורוברט מילס אוסף של תאוריות כוח שסיפקו את המסגרת עבור המודל הסטנדרטי. המודל הסטנדרטי, שהושלם בשנות ה־70, מתאר בהצלחה כמעט את כל החלקיקים היסודיים שנצפו עד כה, וגם את החלקיקים הכבדים והמרוכבים יותר שנתגלו מאז. מבנה החומר מבנה היקום אלברט איינשטיין וליאופולד אינפלד, התפתחות הפיזיקה החדשה - ממושגים ראשונים ועד יחסיות וקואנטים, ספרית פועלים, 1976. Kragh, Helge Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century Fifth printing, and first paperback printing, Princeton University Press (2002) ISBN 0-691-09552-3. Christa Jungnickel and Russell McCormmach, Intellectual Mastery of Nature. Theoretical Physics from Ohm to Einstein, Volume 1: The Torch of Mathematics, 1800 to 1870 (University of Chicago Press, Paper cover, 1990) ISBN 0-226-41582-1 Christa Jungnickel and Russell McCormmach, Intellectual Mastery of Nature. Theoretical Physics from Ohm to Einstein, Volume 2: The Now Mighty Theoretical Physics, 1870 to 1925 (University of Chicago Press, Paper cover, 1990) ISBN 0-226-41585-6 Emilio Segré, From Falling Bodies to Radio Waves: Classical Physicists and Their Discoveries (W. H. Freeman and Company, 1984) ISBN 0-7167-1482-5 Emilio Segré, From X-Rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries (W. H. Freeman and Company, 1980) ISBN 0-7167-1147-8 גילוי המפץ הגדול מתוך Nova. היקום האלגנטי תולדות תורת המיתרים, מתוך Nova. החור השחור במרכז הגלקסיה מתוך Nova.