Ιστορία της φυσικής

Ήδη από την αρχαιότητα, η συμπεριφορά της ύλης αποτέλεσε αντικείμενο στοχασμού και μελέτης: γιατί τα αντικείμενα πέφτουν όταν αφεθούν ελεύθερα, γιατί διαφορετικά υλικά παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες, κ.ο.κ. Άλλα μεγάλα ερωτήματα αφορούσαν το χαρακτήρα του σύμπαντος, για παράδειγμα το σχήμα της Γης και οι κινήσεις των ουρανίων σωμάτων, όπως ο Ήλιος και η Σελήνη. Για την εξήγηση των φαινομένων αυτών ανάλογα με το πνεύμα και την τρέχουσα μεθοδολογία κάθε εποχής, προτάθηκαν αρκετές απόψεις και θεωρίες. Οι περισσότερες, αρχικά, είχαν φιλοσοφική βάση και χροιά (και μερικές φορές, θρησκευτικές ή μεταφυσικές συμπαραδηλώσεις), και στηρίζονταν λίγο ή καθόλου στη συστηματική πειραματική δοκιμασία, με την έννοια που έχει σήμερα ο όρος. Ωστόσο, οι αστρονομικές παρατηρήσεις (αρχικά δια γυμνού οφθαλμού) χρησίμευαν πάντα ως οδηγός για τα κοσμολογικά μοντέλα. Για να φτάσουμε τελικά, στη σημερινή μορφή του επιστημονικού στρουκτουραλισμού, θα θεωρούσε λογικό κάποιος πως υπήρξαν στη ιστορία αρκετά άλματα της διανόησης στον τομέα της φυσικής σκέψης, προάγγελλοι της επιστημονικής μεθόδου. 

 Η ερμηνεία της φύσης από τους αρχαίους Έλληνες φυσικούς φιλοσόφους 

Τον 6ο αιώνα π.Χ., στην αρχαία ελληνική αποικία της Ιωνίας, εμφανίστηκαν φυσικοί φιλόσοφοι που στήριξαν την ερμηνεία του κόσμου στη λογική και είχαν πρωτοποριακές για την εποχή αντιλήψεις για τον κόσμο. Οι Ίωνες φυσικοί φιλόσοφοι ήταν υλιστές με την πρωταρχική έννοια του όρου, πράγμα που σημαίνει ότι οι θεωρίες τους είχαν ως βάση την ερμηνεία της φύσης μέσω των υλικών πραγμάτων. Κοινό χαρακτηριστικό των Ιώνων φυσικών φιλοσόφων ήταν η υπόθεση τους ότι όλη η ύλη αποτελείται από το ίδιο πρωταρχικό συστατικό.

Ο Θαλής που γεννήθηκε γύρω στο 625 π.Χ. υπέθεσε ότι το ύδωρ είναι η αρχή όλων των πραγμάτων. Θεωρούσε ότι η γη επιπλέει στο νερό, πράγμα που δεν απέχει πολύ από τις σύγχρονες αντιλήψεις της γεωφυσικής) και κατάφερε επιπλέον να προβλέψει την έκλειψη του ηλίου του 585 π.Χ. Ο Αναξίμανδρος (610 - 546 π.Χ.), θεώρησε ως αρχή των όντων το άπειρο, το οποίο για αυτόν ήταν χωρίς χωρικά πέρατα, χρονικά απέραντο και ποιοτικά απροσδιόριστο. Το άπειρο αν και υλικό, δεν ταυτιζόταν για αυτόν με κάποια εμπειρική ύλη. Αποτελούσε την αρχή της κοσμικής διαδικασίας και ήταν το υπόστρωμα όλων των αντιθετικών μετασχηματισμών "Εξ απείρου πάντα και εις άπειρον πάντα τελευτά".

Ο Αναξιμένης (560 - 500 π.Χ.), υιοθέτησε στη θέση του απείρου του Αναξίμανδρου, τον αέρα. Για αυτόν η ποικιλία των φαινομένων του κόσμου ερμηνεύεται από συμπυκνώσεις και αραιώσεις του αέρα. Ο Αναξιμένης συνέδεσε το θερμότερο με το αραιότερο και το ψυχρότερο με το πυκνότερο. Έτσι ανοίχτηκε ο δρόμος για την ποσοτικοποίηση των ποιοτικών καθορισμών, απαραίτητος όρος για τη γένεση και ανάπτυξη της επιστήμης.

Πέρα από αυτά, στην Έφεσο, ο Ηράκλειτος (544 - 484 π.Χ.), πίστευε στην προαιώνια ύπαρξη του κόσμου. Για αυτόν οι αλλαγές στην ύλη περνούσαν με τη μορφή δύο αντίρροπων κινήσεων: πυρ - θάλασσα - γη και γη - θάλασσα - πυρ. Συνδετικός κρίκος ήταν το ευμετάβλητο πυρ: "Όλα ανταλλάσσονται με φωτιά και φωτιά με όλα, όπως ακριβώς τα αγαθά με χρυσό και ο χρυσός με αγαθά". Ο Ηράκλειτος ωστόσο, παρά τη συνεχή μεταβολή πρότεινε και ένα σταθερό στοιχείο στον κόσμο: την αναλογία. Σύμφωνα με αυτόν όλες οι μεταβολές πραγματοποιούνται στις ίδιες αναλογίες ("εις τον αυτόν λόγον").

Πέρα από την Ιωνία, στην Ελέα, ο Παρμενίδης αντιτάχθηκε στην Ιωνική φυσική και στην ηρακλείτεια θεώρηση. Για αυτόν ο φυσικός κόσμος υποτάσσεται σε μία υπερεμπειρική πραγματικότητα και απαρνείται τις Ιωνικές αντιλήψεις ως δοξασίες ("δόξας"). Ο Παρμενίδης διέκρινε δύο οδούς της έρευνας ("οδοί διζήσιος"). Ο δρόμος της αλήθειας ξεκινάει από την παραδοχή ότι το ον είναι, ενώ το μη ον δεν είναι ("έστιν τε και ως εκ έστι μη είναι"). Ο δρόμος της δοξασίας ξεκινάει από την παραδοχή ότι και το μη ον υπάρχει ("ως χρέων έστι μη είναι"). Είναι αδύνατο να γνωρίσουμε το μη ον και ούτε μπορούμε να το εκφράσουμε γιατί: "το γαρ αυτό νοείν εστίν τε και είναι". Η πρόταση αυτή που είναι ανάλογη με το καρτεσιανό cogito, ταυτίζει τη νόηση με το είναι. Το ον για τον Παρμενίδη είναι η ύλη που γεμίζει το χώρο ενώ το μη ον είναι το κενό. Ο Ζήνων ο Ελεάτης, μαθητής του Παρμενίδη, υπερασπίστηκε την Παρμενίδεια οντολογία απορρίπτοντας την πολλαπλότητα των πραγμάτων και την κίνηση. Η μέθοδος του συνίστατο στην αποκάλυψη αντιφάσεων από ταυτόσημες προκείμενες - γνωστά τα παράδοξα του Ζήνωνα. Ο Αριστοτέλης θεωρούσε τον Ζήνωνα ως τον ευρετή της διαλεκτικής (με την έννοια της εριστικής).

Ο αρχαίος Έλληνας μαθηματικός Αρχιμήδης συνέταξε πολλές ποσοτικά ακριβείς μελέτες της μηχανικής και της υδροστατικής.

Το έργο του Πτολεμαίου (Αστρονομία) και του Αριστοτέλη (Φυσική) επίσης ερχόταν συχνά σε αντίθεση με την καθημερινή παρατήρηση. Για παράδειγμα, ένα βέλος που συνεχίζει να ταξιδεύει δια μέσου του αέρα αφού εκτοξευτεί από το τόξο έρχεται σε αντίφαση με τη διαβεβαίωση του Αριστοτέλη ότι "η φυσική κατάσταση όλων των σωμάτων είναι η ακινησία" (με άλλα λόγια, ότι απαιτείται μια δύναμη για να διατηρείται ένα σώμα σε κίνηση).

 Η πορεία προς τη μαθηματική θεμελίωση των φυσικών κανόνων 

Η προθυμία να επανεξεταστούν οι παραδεδομένες αλήθειες και η έρευνα για νέες απαντήσεις οδήγησε σε μια περίοδο ανθηρής επιστημονικής δραστηριότητας, γνωστή ως Επιστημονική Επανάσταση. Οι απαρχές της εντοπίζονται στην ανακάλυψη εκ νέου από τους Ευρωπαίους των χειρογράφων του Αριστοτέλη κατά τον 12ο και τον 13ο αιώνα. Κορωνίδα της περιόδου αυτής αποτέλεσε η έκδοση των Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας) το 1687 από τον Ισαάκ Νεύτωνα.

Οι περισσότεροι ιστορικοί (π.χ., ο Χάουαρντ Μάργκολις - Howard Margolis) τοποθετούν την αρχή της Επιστημονικής Επανάστασης στα 1543, οπότε και εκδόθηκε το πρώτο αντίτυπο του βιβλίου De Revolutionibus (Περί της Περιστροφής των Ουρανίων Σφαιρών), του Πολωνού αστρονόμου Νικολάου Κοπέρνικου, γραμμένο δώδεκα χρόνια νωρίτερα (το βιβλίο δεν εκδόθηκε έως τη μέρα του θανάτου του). Στο βιβλίο διατυπωνόταν η θέση ότι η Γη εκτελεί περιφορά γύρω από τον Ήλιο, καθώς και ότι περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της.

Άλλα σημαντικά επιτεύγματα κατά την περίοδο αυτή σημειώθηκαν από τους: Γαλιλαίο Γαλιλέι, Κρίστιαν Χόϋχενς, Γιοχάνες Κέπλερ, Μπλεζ Πασκάλ κ.α.

Στις αρχές του 17ου αιώνα, ο Γαλιλαίος Γαλιλέι πρωτοστάτησε στην καθιέρωση πειραματικών μεθόδων με σκοπό την επαλήθευση φυσικών θεωριών, μια ιδέα που αποτελεί το κλειδί της επιστημονικής μεθόδου. Ο Γαλιλαίος διατύπωσε και τεκμηρίωσε με επιτυχία αρκετές υποθέσεις στο πεδίο της δυναμικής, ιδίως δε το νόμο της Αδράνειας. Στα 1687, ο Νεύτων δημοσίευσε το έργο του με τίτλο Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας), θεμελιώνοντας με λεπτομέρειες δύο περιεκτικές και επιτυχημένες φυσικές θεωρίες: τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα, από τους οποίους αναπτύχθηκε η κλασική μηχανική· και τον Νόμο της Παγκόσμιας Έλξης του Νεύτωνα, ο οποίος περιγράφει τη θεμελιώδη δύναμη της βαρύτητας. Και οι δύο θεωρίες ήταν σε καλή συμφωνία με το πείραμα. Οι Μαθηματικές Αρχές περιλάμβαναν ωστόσο και αρκετές θεωρίες σχετικά με τη δυναμική των ρευστών. Η κλασική μηχανική επεκτάθηκε αργότερα σε μεγάλο βαθμό από τους Λαγκράνζ, Χάμιλτον κ.α., που παρήγαγαν νέο φορμαλισμό, αρχές και πορίσματα. Ο Νόμος της Παγκόσμιας Έλξης εγκαινίασε τον κλάδο της αστροφυσικής, ο οποίος περιγράφει τα αστρονομικά φαινόμενα με βάση φυσικές θεωρίες.

Μετά τη θεμελίωση της κλασικής μηχανικής από τον Νεύτωνα, το επόμενο μεγάλο πεδίο έρευνας στη φυσική αφορούσε τη φύση του ηλεκτρισμού. Παρατηρήσεις κατά τον 17ο και 18ο αιώνα από επιστήμονες όπως ο Ρόμπερτ Μπόιλ (Robert Boyle), ο Στήβεν Γκρέυ (Stephen Gray) και ο Βενιαμίν Φραγκλίνος έβαλαν τα θεμέλια της κατοπινής έρευνας. Επίσης, οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν στη βασική κατανόηση του ηλεκτρικού φορτίου και του ηλεκτρικού ρεύματος.

Στα 1821, ο Μιχαήλ Φαρανταίυ (Michael Faraday) ενοποίησε τη μελέτη του μαγνητισμού με τη μελέτη του ηλεκτρισμού, δείχνοντας πειραματικά ότι ένας κινούμενος μαγνήτης επάγει ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν αγωγό. Ο Φαρανταίυ επίσης συνέλαβε τη φυσική έννοια που μετέπειτα ονομάστηκε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ (James Clerk Maxwell) ανέπτυξε αυτή την ιδέα, στα 1864, καταλήγοντας σε ένα σύστημα 20 συζευγμένων εξισώσεων που εξηγούσαν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Οι 20 αυτές εξισώσεις ανήχθησαν αργότερα, με τη χρήση διανυσματικού λογισμού, σε ένα σύστημα τεσσάρων εξισώσεων.

 Η σύγχρονη φυσική 

Πέρα από τα συνήθη ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, οι εξισώσεις του Μάξγουελ μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν το φως. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώθηκε με την ανακάλυψη των ραδιοκυμάτων το 1888 από τον Χάινριχ Χερτζ (Heinrich Hertz), καθώς και στα 1895, όταν ο Βίλχελμ Ρέντγκεν (Wilhelm Roentgen) ανακάλυψε τις ακτίνες Χ. Η περιγραφή του φωτός με όρους ηλεκτρομαγνητικού πεδίου αποτέλεσε το έναυσμα για τη δημοσίευση, από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Η θεωρία αυτή ενοποίησε την κλασική μηχανική με τις εξισώσεις του Μάξγουελ.
Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας ενοποιεί το χώρο και το χρόνο σε μία και μόνη οντότητα, τον χωρόχρονο. Η Σχετικότητα ορίζει έναν νεό κανόνα μετασχηματισμού μεταξύ αδρανειακών συστημάτων αναφοράς απ' ό,τι η κλασική μηχανική· αυτό προϋπέθετε την ανάπτυξη σχετικιστικής μηχανικής ως αντικατάστατο της κλασικής μηχανικής. Στην περιοχή των χαμηλών (σχετικών) ταχυτήτων, οι δύο θεωρίες συμφωνούν. Ο Αϊνστάιν επεξέτεινε περαιτέρω την Ειδική Σχετικότητα συμπεριλαμβάνοντας τη βαρύτητα στους υπολογισμούς του. Δημοσίευσε την Γενική θεωρία της Σχετικότητας στα 1915.

Μέρος της θεωρίας της γενικής σχετικότητας αποτελούν οι πεδιακές εξισώσεις του Αϊνστάιν. Αυτές περιγράφουν το πώς ο τανυστής ενέργειας-ορμής καμπυλώνει τον χωρόχρονο, ενώ όταν συνδυαστούν με την γεωδαισιακή εξίσωση σχηματίζουν τη βάση της Γενικής Σχετικότητας. Περαιτέρω επεξεργασία των πεδιακών εξισώσεων του Αινστάιν παρήγαγε αποτελέσματα που προέβλεπαν τη Μεγάλη Έκρηξη, τις μαύρες τρύπες, καθώς και το διαστελλόμενο σύμπαν. Ο Αινστάιν πίστευε (όπως και η πλειοψηφία των συγχρόνων του επιστημόνων) σε ένα στατικό σύμπαν και επιχείρησε να τροποποιήσει τις εξισώσεις του ώστε να επιτύχει κάτι τέτοιο. Ωστόσο, μέχρι το 1927, οι αστρονόμοι αναζητούσαν ενδείξεις για τη διαστολή του σύμπαντος, οι οποίες πράγματι βρέθηκαν στα 1929 από τον Έντγουιν Χαμπλ (Edwin Hubble). 

Από τον 18ο αιώνα και πέρα ξεκινά η ανάπτυξη της θερμοδυναμικής από τον Ρόμπερτ Μπόιλ (Robert Boyle), τον Γιάνγκ (Thomas Young) και πολλούς άλλους. Στα 1773, ο Μπερνούλι συνδύασε στατιστικά επιχειρήματα με την κλασική μηχανική για να συνάγει θερμοδυναμικά αποτελέσματα, εγκαινιάζοντας τον κλάδο της στατιστικής μηχανικής. Στα 1798, ο Τόμσον (Benjamin Thompson) κατέδειξε τη μετατροπή μηχανικού έργου σε θερμότητα, ενώ στα 1847 ο Τζάουλ (James Joule) διατύπωσε το νόμο της (ολικής) διατήρησης της ενέργειας, τόσο σε μορφή θερμότητας όσο και σε μορφή μηχανικής ενέργειας.

Στα 1895, ο Ρέντγκεν ανακάλυψε τις ακτίνες Χ, που τελικά αποδείχτηκε ότι δεν είναι παρά υψίσυχνη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ραδιενέργεια ανακαλύφθηκε στα 1896 από τον Ανρί Μπεκερέλ (Henri Becquerel), και μελετήθηκε περαιτέρω από τους Μαρία Κιουρί (Marie Curie), Πιερ Κιουρί (Pierre Curie) και άλλους. Έτσι εγκαινιάστηκε ο κλάδος της πυρηνικής φυσικής.

Στα 1897, ο Τόμσον (J.J. Thomson) ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο, το στοιχειώδες σωματίδιο που είναι ο φορέας του ηλεκτρικού ρεύματος στα ηλεκτρικά κυκλώματα. Στα 1904, πρότεινε το πρώτο μοντέλο του ατόμου, γνωστό με την (εκλαϊκευτική) ονομασία μοντέλο του σταφιδόψωμου. (Η ύπαρξη ατόμων είχε ήδη προταθεί από το 1808 από τον Ντάλτον (John Dalton)).

Ο Ανρί Μπεκερέλ ανακάλυψε συμπτωματικά τη ραδιενέργεια στα 1896. Τον επόμενο χρόνο, ο Τόμσον ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο. Οι ανακαλύψεις αυτές διέψευσαν την υπόθεση πολλών φυσικών, ότι τα άτομα ήταν οι έσχατες θεμελιώδεις δομικές μονάδες της ύλης και παρακίνησαν σε περαιτέρω μελέτη της δομής των ατόμων.

Το 1900, ο Μαξ Πλανκ (Max Planck) δημοσίευσε μια εξήγηση για το φαινόμενο της ακτινοβολίας μέλανος σώματος. Η εξίσωσή του προϋπέθετε ότι η ακτινοβολία είναι κβαντισμένη στη φύση, δηλαδή εκπέμπεται κατά διακριτά πακέτα. Η υπόθεση αυτή αποτέλεσε το εναρκτήριο επιχείρημα στο οικοδόμημα που έμελλε να γίνει η κβαντική μηχανική.

Κατά τη δεκαετία του 1920, ο Έρβιν Σρέντινγκερ (Erwin Schrödinger), ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (Werner Heisenberg) και ο Μαξ Μπορν (Max Born) πέτυχαν να διατυπώσουν μια συνεπή εικόνα της χημικής συμπεριφοράς της ύλης και μια πλήρη θεωρία της ηλεκτρονικής δομής του ατόμου, ως λογικό επακόλουθο της κβαντικής θεωρίας. 
Οι Σβίνγκερ (Julian Schwinger), Τομονάγκα (Sin-Itiro Tomonaga) και Ρίτσαρντ Φάινμαν ήταν σε θέση να εξηγήσουν τη μετατόπιση Lamb (Lamb shift) χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία πεδίου και την κβαντική ηλεκτροδυναμική, μέχρι τη δεκαετία του 1940. Το 1959, ο Φάινμαν διατύπωσε την υπόθεση ότι είναι εφικτός ο χειρισμός της ύλης στο ατομικό επίπεδο, εγκαινιάζοντας έτσι το πεδίο της νανοτεχνολογίας.

Στα 1911, ο Ράδερφορντ (Ernest Rutherford), βασιζόμενος σε πειράματα σκέδασης, συμπέρανε την ύπαρξη ενός συμπαγούς και εξαιρετικά πυκνού ατομικού πυρήνα, ο οποίος αποτελείται από θετικά φορτισμένα συστατικά που ονομάστηκαν πρωτόνια. Τα νετρόνια, τα ουδέτερα (αφόρτιστα) συστατικά των πυρήνων, δεν ανακαλύφθηκαν παρά το 1932, από τον Τσάντγουικ (James Chadwick).

Η ισοδυναμία μάζας και ενέργειας (Αϊνστάιν, 1905) επαληθεύτηκε με δραματικό τρόπο κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, καθώς και τα δύο στρατόπεδα διεξήγαγαν έρευνες στην πυρηνική φυσική, με σκοπό την κατασκευή πυρηνικής βόμβας. Το Γερμανικό εγχείρημα, του οποίου ηγείτο ο Χάιζενμπεργκ, κατέληξε σε αποτυχία, ενώ το Συμμαχικό Σχέδιο Μανχάταν πέτυχε το στόχο του. Στην Αμερική, μια ομάδα με επικεφαλής τον Ενρίκο Φέρμι (Enrico Fermi) παρήγαγε την πρώτη ανθρωπογενή αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση στα 1942, ενώ το 1945 πυροδοτήθηκε η πρώτη στον κόσμο πυρηνική εκρηκτική ύλη στην περιοχή Τρίνιτυ, κοντά στο Αλαμογκόρντο του Νέου Μεξικού. 

Από το 1900 και μετά, οι Πλανκ, Αϊνστάιν, Μπορ και άλλοι άρχισαν να αναπτύσσουν κβαντικές θεωρίες για να εξηγήσουν διάφορα "ανώμαλα" πειραματικά αποτελέσματα, εισάγοντας διακριτά ενεργειακά επίπεδα. Τόσο ο Χάιζενμπεργκ το 1925, όσο και οι Σρέντινγκερ και Ντιράκ το 1926, διατύπωσαν φορμαλιστικά την κβαντομηχανική, η οποία αποσαφήνιζε τις κβαντικές θεωρίες που είχαν προηγηθεί. Στην κβαντομηχανική, τα αποτελέσματα των φυσικών μετρήσεων είναι εγγενώς πιθανοκρατικά· η θεωρία παρέχει μεθόδους για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων αυτών. Περιγράφει με επιτυχία τη συμπεριφορά της ύλης στις μικροσκοπικές κλίμακες.

Η κβαντομηχανική μας έδωσε επίσης τα θεωρητικά εργαλεία για τη μελέτη της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, η οποία μελετά τη φυσική συμπεριφορά των στερεών και υγρών σωμάτων, συμπεριλαμβανομένων και φαινομένων όπως η δομή των κρυστάλλων, η ημιαγωγιμότητα και η υπεραγωγιμότητα. Ανάμεσα στους πρωτοπόρους της συμπυκνωμένης ύλης συγκαταλέγεται ο Μπλοχ (Felix Bloch), ο οποίος διατύπωσε μια κβαντομηχανική περιγραφή της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στις κρυσταλλικές δομές το 1928.

Η κβαντική θεωρία πεδίου διατυπώθηκε με σκοπό να επεκτείνει την κβαντική μηχανική, ώστε να είναι συμβατή με την ειδική σχετικότητα. Κατέληξε στη σημερινή της μορφή προς το τέλος της δεκαετίας του 1940 χάρη στην εργασία των Φάινμαν, Σβίνγκερ (Julian Schwinger), Τομονάγκα και Ντάϊσον (Freeman Dyson). Αυτοί διατύπωσαν τη θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, η οποία περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Η κβαντική θεωρία πεδίου παρείχε το 
εννοιολογικό πλαίσιο της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής, η οποία μελετά τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης και τα στοιχειώδη σωμάτια.
Τη δεκαετία του 1950, οι Κ. Ν. Γιάνγκ (C. N. Yang) και Τ. Ντ. Λη (T. D. Lee) ανακάλυψαν μια αναπάντεχη ασυμμετρία στη διάσπαση ενός υποατομικού σωματιδίου. Στα 1954, οι Γιανγκ (Chen Ning Yang) και Μιλλς (Robert Mills) ανέπτυξαν μια κλάση θεωριών βαθμίδας η οποία παρείχει το εννοιολογικό πλαίσιο για το Καθιερωμένο Μοντέλο (Standard Model). Το Καθιερωμένο Μοντέλο ολοκληρώθηκε τη δεκαετία του 1970 και περιγράφει επιτυχώς σχεδόν όλα τα στοιχειώδη σωμάτια που έχουν παρατηρηθεί μέχρι σήμερα.

Οι δύο μείζονες θεωρίες της φυσικής του 20ού αιώνα, η γενική σχετικότητα και η κβαντομηχανική, δεν είναι προς το παρόν συμβατές μεταξύ τους. Η γενική σχετικότητα περιγράφει το σύμπαν στην κλίμακα των πλανητών και των πλανητικών συστημάτων, ενώ η κβαντομηχανική βρίσκει εφαρμογή στις υποατομικές κλίμακες. Αυτό το χάσμα προσπαθεί να γεφυρώσει η θεωρία Χορδών, η οποία αντιμετωπίζει τον χωρόχρονο ως μια πολλαπλότητα, όχι σημείων, αλλά μονοδιάστατων αντικειμένων, που ονομάζονται Χορδές. Οι Χορδές αυτές έχουν ιδιότητες παρόμοιες με τις κοινές χορδές (π.χ. τάση και δόνηση). Είναι πολλά υποσχόμενες θεωρίες, που όμως δεν έχουν δώσει ακόμη πειραματικά ελέγξιμα αποτελέσματα. Η έρευνα για την πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας χορδών βρίσκεται σε εξέλιξη.

Τα Ηνωμένα Έθνη ανακήρυξαν το έτος 2005 ως Παγκόσμιο Έτος Φυσικής.

 Σημειώσεις και αναφορές