ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์
ฟิสิกส์ยุคใหม่ > คริสต์ศตวรรษที่ 20

ช่วงเริ่มต้น คริสต์ศตวรรษที่ 20 นำมาซึ่งจุดเริ่มต้นแห่งการปฏิวัติทางฟิสิกส์
ปี ค.ศ. 1904 ทอมสันได้เสนอแบบจำลองของ อะตอม แบบแรก รู้จักในนาม plum pudding model การมีอยู่ของอะตอมซึ่งมีน้ำหนักต่างกันนำเสนอเมื่อ ค.ศ. 1808 โดย จอห์น ดอลตัน เพื่ออธิบาย law of multiple proportions การลู่เข้าของค่าชี้วัดของ เลขอโวกาโดร เป็นหลักฐานแน่นอนสำหรับทฤษฎีอะตอม ในปี ค.ศ. 1911 เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด สรุปจาก การทดลองการกระเจิง ถึงการมีตัวตนของ นิวเคลียสของอะตอม ที่อัดแน่นไปด้วยองค์ประกอบประจุบวกที่เรียกว่า โปรตอน  แบบจำลองเชิงกลศาสตร์ควอนตัมของอะตอม คือ  แบบจำลองของบอห์ร ถูกตีพิมพ์เมื่อ ค.ศ. 1913 โดย นีล บอห์ร เซอร์ W. H. Bragg และลูกชายของเขา เซอร์ วิลเลียม ลอว์เรนซ์ แบรกก์ ในปี ค.ศ. 1913 เช่นกัน ได้เริ่มแก้ปัญหาการเรียงตัวของอะตอมใน crystalline matter โดยการใช้ x-ray diffraction นิวตรอน องค์ประกอบนิวเคลียสที่เป็นกลาง ถูกค้นพบในป ค.ศ. 1932 โดย เจมส์ แชดวิก
การแปลงแบบลอเรนซ์ สมการพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพถูกตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1897 และ ค.ศ. 1900 และโดย Joseph Larmor กับ Hendrik Lorentz ในปี ค.ศ. 1899 และ ค.ศ. 1904 ทั้งคู่ต่างแสดงว่าสมการของแมกซ์เวลล์นั้นไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลงดังกล่าว เมื่อ ค.ศ. 1905 ไอน์สไตน์ได้เขียนสูตรของ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และในปี ค.ศ. 1915 ไอน์สไตน์ได้ขยายทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเพื่ออธิบายความโน้มถ่วงโดย ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ผลหลักอันหนึ่งจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือ gravitational collapse ไปเป็น หลุมดำ ซึ่งถูกทำนายไว้สองศตวรรษก่อนหน้า แต่ถูกขยายความโดย โรเบิร์ต ออพเพนไฮเมอร์ exact solutions ที่สำคัญของ สมการสนามของไอน์สไตน์ ถูกค้นพบโดย Karl Schwarzschild เมื่อ ค.ศ. 1915 และ Roy Kerr ในปี ค.ศ. 1963 เท่านั้น
ตาม Cornelius Lanczos แล้ว กฎทางฟิสิกส์ที่สามารถเขียนตาม variational principle จะบรรยายพจน์ซึ่งเป็น self-adjoint หรือ Hermitian ดังนั้นพจน์ดังกล่าวจึงบรรยาย invariant ภายใต้การแปลงแบบ Hermitian Felix Klein's Erlangen program พยายามบ่งชี้ invariants ภายใต้กลุ่มของการแปลงดังกล่าว  Noether's theorem บ่งชี้เงื่อนไขภายใต้สิ่งที่ Poincaré group ของการแปลง (คือที่เราเรียกกันทุกวันนี้ว่า gauge group) สำหรับ ทฤษฎีสัมพัทธภาพ บรรยาย กฎการอนุรักษ์ ความสัมพันธ์ของ invariants เหล่านี้ (สมมาตรภายใต้กลุ่มของการแปลง) และที่เราเรียกกันทุกวันนี้ว่า conserved currents ขึ้นอยู่กับ variational principle หรือ action principle งานของ Noether สร้างความต้องการกฎการอนุรักษ์ได้อย่างแม่นยำ  Noether's theorem ยังคงถูกต้องอยู่ในการพัฒนาทางฟิสิกส์กระทั่งทุกวันนี้
ในช่วงต้นของ ค.ศ. 1900 แมกซ์ พลังค์ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นีลส์ บอห์ร และคนอื่น ๆ ได้พัฒนาทฤษฎี ควอนตัม เพื่ออธิบายผลการทดลองที่ต่างออกไป เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก และสเปกตรัมของ วัตถุดำ โดยการเสนอระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องกันและในปี ค.ศ. 1925 วูล์ฟกัง เพาลี ได้ตั้ง หลักการกีดกันของเพาลี และแนะนำการมีอยู่ของ สปิน ที่ควอนไทซ์กับ เฟอร์มิออน ในปีนั้น Erwin Schrödinger ได้เขียนสูตร กลศาสตร์คลื่น ซึ่งได้ให้กลักการทางคณิตศาสตร์สำหรับบรรยายสถานการณ์ทางฟิสิกส์จำนวนมากเช่น อนุภาคในกล่อง และ quantum harmonic oscillator ซึ่งเขาแก้เป็นครั้งแรก  เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ได้บรรยายเมื่อ ค.ศ. 1925 ถึงหลักการทางคณิตศาสตร์ที่แหวกแนวเช่นกัน เรียกว่า matrix mechanics ซึ่งพิสูจน์ว่าเทียบเท่ากับกลศาสตร์คลื่น  ในปี ค.ศ. 1928 พอล ดิแรก ได้สร้างสูตรเชิงสัมพัทธภาพมาจาก matrix mechanics ของไฮเซนเบิร์ก และทำนายการมีอยู่ของ โพซิตรอน กับค้นพบ quantum electrodynamics
ในกลศาสตร์ควอนตัม ผลที่ได้จากการวัดทางฟิสิกส์ต้องขึ้นอยู่กับ ความน่าจะเป็น โดยปกติ  ทฤษฎีได้บรรยายการคำนวณความน่าจะเป็นหล่านี้ มันประสบความสำเร็จในการบรรยายพฤติกรรมของสสารในระดับความยาวเล็ก ๆ
กลศาสตร์ควอนตัมยังได้ให้เครื่องมือทางทฤษฎีในการทำความเข้าใจ condensed matter physics ซึ่งศึกษาพฤติกรรมทางกายภาพของของแข็งและของเหลว รวมทั้งปรากฏการณ์เช่น การนำไฟฟ้าในโครงสร้าง ผลึก มีผู้บุกเบิก condensed matter physics มากมายรวมทั้ง Felix Bloch ผู้เขียนคำบรรยายเชิงกลศาสตร์ควอนตัมของพฤติกรรมอิเล็กตรอนในโครงสร้างผลึกเมื่อ ค.ศ. 1928 พฤติกรรมของของแข็งจำนวนมากถูกไขปริศนาภายในไม่กี่ปีด้วยการค้นพบ Fermi surface ซึ่งตั้งอยู่บนแนวคิดของหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งประยุกต์มาใช้กับระบบที่มีหลายอิเล็กตรอน ความเข้าใจในเรื่องสมบัติการส่งผ่านใน สารกึ่งตัวนำ ดังที่บรรยายใน Electrons and holes in semiconductors, with applications to transistor electronics ของ William Shockley ทำให้เกิดการปฏิวัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของคริสต์ศตวรรษที่ยี่สิบด้วยการพัฒนา ทรานซิสเตอร์ ซึ่งหาได้ง่ายและราคาถูก
เมื่อ ค.ศ. 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิล ได้ตีพิมพ์การค้นพบของเขาว่า อัตราเร็วที่กาแลกซีถอยห่างจากกันนั้นเพิ่มขึ้นสัมพันธ์กับระยะห่างของพวกมัน นี่เป็นพื้นฐานในการเข้าใจว่า เอกภพ กำลังขยายตัว ดังนั้นเอกภพต้องเล็กกว่านี้และร้อนกว่านี้ในอดีต ในปี ค.ศ. 1933 Karl Jansky ที่ Bell Labs ได้ค้นพบการเปล่งคลื่นวิทยุจาก ทางช้างเผือก และจึงเริ่มต้นวิทยาศาสตร์ของ ดาราศาสตร์วิทยุ ในช่วง ค.ศ. 1940 นักวิจัยเช่น จอร์จ กามอฟ ได้เสนอทฤษฎี บิงแบง theory, evidence for which was discovered in 1964; เอนริโค เฟอร์มี และ เฟรด ฮอยล์ เป็นผู้ต่อต้านในช่วงปี ค.ศ. 1940 และ ค.ศ. 1950 ฮอยล์ได้ขนานนามทฤษฎีของกามอฟ บิก แบง เพื่อจะลบล้างมัน ทุกวันนี้มันเป็นผลลัพธ์หลักอย่างหนึ่งของ cosmology
ใน ค.ศ. 1934 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี เอนริโค เฟอร์มี ได้ค้นพบผลประหลาดเมื่อทำการชน ยูเรเนียม ด้วย นิวตรอน ซึ่งเขาเชื่อในครั้งแรกว่าได้สร้างธาตุ transuranic ในปี ค.ศง 1939 นักเคมี ออตโต ฮาห์น และฟิสิกส์ Lise Meitner ได้ค้นพบว่าสิ่งที่เกิดขึ้นจริง ๆ นั้นคือกระบวกการของ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เมื่อนิวเคลียสของยูเรเนียมได้แตกตัวเป็นสองซึ่งปลดปล่อยพลังงานจำนวนหนึ่งในกระบวนการนั้น ถึงจุดนี้นี้มันชัดเจนสำหรับนักวิทยาศาสตร์แล้วว่ากระบวนการนี้สามารถควบคุมให้ได้มาซึ่งพลังงานปริมาณมหาศาล อาจจะเป็นแหล่งพลังงานแห่งอายธรรมหรืออาวุธก็ได้ Leó Szilárd ได้จดสิทธิบัตรของแนวคิด ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ เมื่อ ค.ศ. 1934 ในอเมริกา คณะโดยเฟอร์มีและ Szilárd ประสบความสำเร็จในการสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์โดยมนุษยชาติเป็นครั้งแรกในปี  ค.ศ. 1942 ใน nuclear reactor เครื่องแรกของโลก และในปี ค.ศ. 1945 ระเบิดนิวเคลียร์ลูกแรกของโลกถูกจุดขึ้นที่ Trinity Site ทางเหนือของ Alamogordo, New Mexico หลังจากสงคราม รัฐบาลกลางกลายเป็นผู้สนับสนุนหลักของฟิสิกส์ ผู้นำทางวิทยาศาสตร์ของโครงการร่วม นักฟิสิกส์ทฤษฎี โรเบิร์ต ออพเพนไฮเมอร์ ได้บันทึกความเปลี่ยนแปลงของบทบาทในอุดมคติของนักฟิสิกส์ เมื่อเขาได้กล่าวในสุนทรพจน์ว่า
แม้ว่ากระบวนการเกิดขึ้นจากการประดิษฐ์เครื่องไซโคลตรอน โดยเออร์เนสต์ ลอว์เรนซ์ ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 1930 ฟิสิกส์นิวเคลียร์ในช่วงหลังสงครามเข้าสู่ช่วงของสิ่งที่นักประวัติศาสตร์เรียกว่า "Big Science" ซึ่งต้องการเครื่องเร่งและเครื่องตรวจจับอนุภาคที่ราคาสูงลิ่ว กับห้องปฏิบัติการร่วมขนาดใหญ่เพื่อทดสอบและเปิดสู่ขอบเขตใหม่ ผู้อุปถัมภ์หลักของฟิสิกส์กลายเป็นรัฐบาลกลางผู้รู้ว่าการสนับสนุนงานวิจัย "พื้นฐาน" บางครั้งก็สามารถนำมาสู่เทคโนโลยีที่มีค่าทางทหารหรืออุตสาหกรรม กระทั่งช่วงท้ายคริสต์ศตวรรษที่ยี่สิบ ด้วยความร่วมมือของชาติยุโรปทั้ง 20 ชาติ CERN กลายเป็นห้องปฏิบัติการทางฟิสิกส์อนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลก
"big science" อีกอย่างหนึ่งคือวิทยาศาสตร์ของ ionized gases พลาสมา ซึ่งเริ่มต้นด้วย Crookes tubes ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ความร่วมมือระหว่างชาติขนาดใหญ่ในช่วงครึ่งหลักคริสต์ศตวรรษที่ยี่สิบได้เริ่มดำเนินความพยายามอันยาวนานเพื่อผลิตไฟฟ้าเพื่อการค้าโดย พลังงานฟิวชัน ซึ่งยังคงเป็นจุดหมายที่ไกลนัก
ด้วยความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับฟิสิกส์ของโลหะ สารกึ่งตัวนำและฉนวนได้ทำให้คณะของชายสามคนแห่ง Bell labs, William Shockley Walter Brattain และ John Bardeen เมื่อ ค.ศ. 1947 ได้ค้นพบ ทรานซิสเตอร์ เป็นครั้งแรกและรูปแบบอื่นที่สำคัญมากมาย โดยเฉพาะand then to many important variations, especially the bipolar junction transistor การพัฒนาเพิ่มเติมของการใช้วัตถุผสมและการย่อขนาดของ integrated circuits ในหลายปีนั้นทำให้เกิดคอมพิวเตอร์ที่ใช้เนื้อที่น้อยและทำงานรวดเร็ว อันนำมาซึ่งการปฏิวัติวิถีทางของฟิสิกส์—simulations และการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนสามารถเป็นเป็นได้ โดยแม้ในไม่กี่สิบปีหน้าก็ไม่อาจคาดฝัน
การค้นพบ nuclear magnetic resonance เมื่อ ค.ศ. 1946 นำมาซึ่งวิธีใหม่ ๆ มากมายสำหรับศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลและกลายเป็นอุปกรณ์ที่ใช้อย่างแพร่หลายใน analytical chemistry และมันได้กำเนิดเทคนิคการถ่ายภาพทางการแพทย์ที่สำคัญ คือ magnetic resonance imaging.
ตั้งแต่ ค.ศ. 1960 การจัดตั้งทางทหารของอเมริกาเริ่มต้น นาฬิกาอะตอม เพื่อสร้าง global positioning system ซึ่งใน  ค.ศ. 1984 ได้วางโครงร่างทั้งหมดโดยดาวเทียม 24 ดวงในวงโคจรระดับต่ำรอบโลกเป็นผลสำเร็จ  และมันมีความสำคัญต่อคนทั่วไปและงานทางวิทยาศาสตร์เช่นเดียวกัน
ตัวนำยิ่งยวด ซึ่งค้นพบเมื่อ ค.ศ. 1911 โดย Kamerlingh Onnes ได้ถูกแสดงเป็นผลทางควอนตัมและถูกอธิบายเป็นที่น่าพอใจเมื่อ ค.ศ. 1957 โดย Bardeen Cooper และ Schrieffer กลุ่มของ high temperature superconductors อันมีฐานมาจาก cuprate perovskite ซึ่งถูกค้นพบเมื่อ ค.ศ. 1986 และความเข้าใจเหล่านั้นยังคงเป็นความท้าทายที่โดดเด่นอย่างหนึ่งสำหรับนักทฤษฎี condensed matter
ทฤษฎีสนามควอนตัม ถูกสร้างขึ้นในการขยายกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อให้สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ มันอยู่ในรูปใหม่ในที่สุดในช่วงปลาย ค.ศ. 1940 ในผลงานของ ริชาร์ด ไฟยน์แมน Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga และ Freeman Dyson นี่กลายเป็นข่ายงานของ ฟิสิกส์อนุภาค ยุคใหม่ซึ่งศึกษา แรงพื้นฐาน และ elementary particles ในปี ค.ศ. 1954 Yang Chen Ning และ Robert Mills ได้พัฒนา class ของ gauge theories ซึ่งนำมาซึ่งขอบข่ายของ Standard Model ซึ่งสมบูรณ์เป็นส่วนใหญ่ในช่วง ค.ศ. 1970 และประสบความสำเร็จในการอธิบายอนุภาคมูลฐานเกือบทั้งหมดที่ค้นพบในช่วงนั้น
เมื่อ ค.ศ. 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง ค้นพบ สเปกตรัมของการแผ่รังสี ซึ่งแผ่ออกมาระหว่างการยุบตัวของวัตถุใน หลุมดำ วัตถุลึกลับเหล่านี้กลายเป็นวัตถุที่เป็นจุดสนใจอย่างยิ่งสำหรับ astrophysicists และแม้กระทั่งสาธารณชนในช่วงหลังของคริสตวรษที่ยี่สิบ
ความพยายามที่จะร่วมกลศาสตร์ควอนตัมเข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำให้เกิดความก้าวหน้าที่สำคัญในช่วง ค.ศ. 1990 ช่วงท้ายศตวรรษ Theory of everything ยังไม่ได้มาอยู่ในมือ แต่ลักษณะบางอย่างเริ่มก่อรูปร่าง ทฤษฎีสตริง loop quantum gravity และ black hole thermodynamics ล้วนทำนาย quantized spacetime ใน ระดับพลังค์
ความพยายามใหม่มากมายในการเข้าใจโลกทางฟิสิกส์เกิดขึ้นในช่วงหลังของคริสต์ศตวรรษที่ยี่สิบซึ่งกำเนิดสิ่งที่น่าสนใจอย่างกว้างขวาง  fractals และ scaling, self-organized criticality, complexity และ chaos, กฎยกกำลัง และ noise, networks, non-equilibrium thermodynamics,  กองทราย, นาโนเทคโนโลยี, cellular automata และ anthropic principle เป็นเพียงส่วนน้อยของหัวข้อที่สำคัญเหล่านี้เท่านั้น