فیزیک
نظریه‌های اصلی

در علم فیزیک، ما با سامانه‌های بسیار متفاوتی رو به رو هستیم، اما نظریه‌های اصلی که در هسته علم فیزیک قرار دارند، توسط همهٔ فیزیک‌دانان مورد استفاده قرار می‌گیرند. در فیزیک کلاسیک، ما با نظریه‌هایی سروکار داریم که حرکت اشیاء که ابعاد و سرعت‌هایی که قابل تصور و عموماً آزمایش پذیرند را، پیش‌بینی و تحلیل می‌کنند. زمانی که صحبت از ابعاد قابل تصور برای عموم مردم می‌شود، منظور از ابعادی فرا اتمی و فرامولکولی شروع می‌شود و تا ابعاد سیارات را در بر می‌گیرد و سرعت قابل تصور، عموماً سرعتی کمتر از سرعت نور است. اما هنگامی که سیستم‌های مورد بررسی ما، ابعادی فراتر از حد تصور ما به خود می‌گیرند، مثل منظومه‌ها، کهکشان‌ها و دیگر سیستم‌های عظیم ستاره‌ای و آسمانی یا ابعادی بسیار کوچک، مثل ابعادی زیر اتمی و حتی کوچکتر، فیزیک و مکانیک کلاسیک از خود ضعف نشان می‌دهد و دیگر قدرت پیش‌بینی و درک صحیح واقعیات را ندارد. به همین دلیل تئوری‌هایی که اینگونه سیستم‌ها را تحلیل می‌کنند، در حوزهٔ فیزیک جدید صورت‌بندی می‌شود.
البته کاملاً بدیهی است، این تعاریفی که در اینجا ارائه می‌شود کاملاً شکلی عمومی دارند و در علم فیزیک، مرز واضحی میان فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید به هیج وجه وجود ندارد. به صورتی که برخی از فیزیک دانان، فیزیک جدید را شکل تکامل یافته و تصحیح شده فیزیک کلاسیک می‌دانند، اما برخی از فیزیک‌دانان که مهم‌ترین آن‌ها ورنر کارل هایزنبرگ بوده است، همان‌طور که در کتاب خود جز و کل می‌گوید، فیزیک کلاسیک یک مقوله کاملاً جدا، فرمول‌بندی‌شده، بدون ایراد و کامل است اما در حوزهٔ سیستم‌های مورد بررسی خودش و نمی‌توان فیزیک جدید را شکل تکامل‌یافتهٔ فیزیک کلاسیک دانست.
هدف اصلی علم فیزیک توصیف تمام پدیده‌های طبیعی قابل مشاهده و غیرقابل مشاهده برای بشر، توسط مدل‌های ریاضی (به اصطلاح کمی‌کردن طبیعت) است.
تا قبل از قرن بیستم، با دسته‌بندی پدیده‌های قابل مشاهده تا آن روز، فرض بر این بود که طبیعت از ذرات مادی تشکیل شده است و تمام پدیده‌ها به واسطهٔ دو نوع برهمکنش بین ذرات (برهمکنش‌های گرانشی و الکترومغناطیسی) رخ می‌دهند.
برای توصیف این پدیده‌ها نظریه‌های زیر به‌تدریج شکل گرفته و تکامل یافتند:
مکانیک کلاسیک (توصیف حرکت اجسامی است که اندازه‌ای ماکروسکوپی دارند و با سرعتی غیرنسبیتی (خیلی کمتر از سرعت نور) در حال حرکت‌اند)
الکترومغناطیس (مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم است)
ترمودینامیک و مکانیک آماری (توصیف پدیده‌های مرتبط با گرما بر حسب کمیت‌های ماکروسکوپی یا میکروسکوپی)
به مجموع این نظریه‌ها فیزیک کلاسیک گفته می‌شود.
در ابتدای قرن بیستم پدیده‌هایی مشاهده شدند که توسط این نظریه‌ها قابل توصیف نبودند.
بعد از پیشرفتهای بسیار بنیادین در ربع اول قرن بیستم، نظریه‌های فیزیکی با نظریه‌های کاملتری که این پدیده‌ها را نیز توصیف می‌کردند جایگزین گشتند. مهم‌ترین تغییر، تشکیل دو دینامیک متفاوت برای اجسام کوچک و اجسام بزرگ است. چون دینامیک اجسام بزرگ از لحاظ ساختاری و مفاهیم به دینامیک قبلی نزدیکی زیادی دارد (بر خلاف دینامیک اجسام ریز که ساختاری کاملاً متفاوت دارد) نظریه‌ها به دو دسته دینامیک کلاسیک اصلاح شده (با شالودهٔ مکانیک نیوتنی) و مکانیک کوانتومی تقسیم شدند.
نظریه‌های دیگری درفیزیک مدرن به تدریج شکل گرفتند که عبارت‌اند از:
نسبیت عام (برهمکنش گرانشی و دینامیک اجسام بزرگ)
مکانیک کوانتومی (دینامیک اجسام ریز)
مکانیک آماری (حرکت آماری ذرات بر پایهٔ دینامیک کوانتومی)
الکترودینامیک کلاسیک (برهمکنش الکترومغناطیسی و نسبیت خاص)
بعدها با پیدا شدن دو برهمکنش دیگر (برهمکنش هسته‌ای قوی و برهمکنش هسته‌ای ضعیف) برای فرمول‌بندی آن‌ها هم اقدام شد و از نسبیت خاص برای تمام نظریه‌ها استفاده شد و کل نظریه‌ها عبارت شدند از:
نسبیت عام
مکانیک آماری
الکترودینامیک کوانتومی QED (برهمکنش الکترومغناطیسی و دینامیک کوانتومی)
کرومودینامیک کوانتومی QCD (برهمکنش هسته‌ای قوی و دینامیک کوانتومی)
۵-نظریهٔ ضعیف کوانتومی (برهمکنش هسته‌ای ضعیف و دینامیک کوانتومی بعداً با تلفیق با الکترودینامیک نظریه الکترو ضعیف کوانتومی را ساخت)
تمام این نظریه‌ها به‌جز نسبیت عام از دینامیک کوانتومی استفاده می‌کنند. به مجموعه‌ای از QED و QCD و نظریهٔ ضعیف اصطلاحاً مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته می‌شود.
امروزه بسیاری از فیزیکدانان به دنبال متحد کردن چهار برهمکنش (نظریه وحدت بزرگ) می‌باشند که مشکل اصلی وارد کردن گرانش و استفاده از دینامیک کوانتومی برای گرانش می‌باشد. نظریه‌های گرانش کوانتومی و به‌خصوص  نظریهٔ ریسمان از نمونه‌های این تلاش‌ها است. همچنین بیشتر نظریه‌های جدید از مفهومی به نام میدان استفاده می‌کنند که به نظریه‌های میدان مشهور هستند.