leler, fizik felsefesi, uzay ve zamanın doğası, determinizm, ve empirizm, natüralizm ve realizm gibi metafiziksel görüşlerle ilgilenir.

Determinizm savunucusu Laplace ve kuantum mekaniğinin kurucularından Schrödinger gibi birçok fizikçi çalışmalarının gerisindeki felsefi görüşler üzerinde de yazmışlardır. Stephen Hawking matematiksel fizikçi Roger Penrose'u The Road to Reality (Gerçeğe Giden Yol) kitabından dolayı Platonist olmakla itham etmiştir. Hawking aynı zamanda kendisini de “utanmaz bir indirgemeci” olarak tanımlamış ve Penrose'la aynı felsefi konular üzerinde yazmıştır.

Antik çağlardan bu yana insanlar doğanın nasıl davrandığını anlamaya çalıştılar. En büyük gizemlerden biri Güneş ve Ay gibi gök cisimlerinin hareketiydi. Çoğunluğunun yanlışlığı kanıtlanan teoriler ortaya atıldı.

Her olayın doğanın içinde bir nedeni olduğunu savunan filozof Tales (yaklaşık MÖ 624-546) doğal olayları açıklamak için kullanılan doğaüstü, mitolojik ve dinsel açıklamaları reddeden ilk kişi oldu. İlk fiziksel teoriler felsefi terminolojiyle anlatılıyordu ve bu yüzden sistematik deneysel test uygulamak mümkün değildi. Batlamyus ve Aristo'nun birçok çalışması gündelik gözlemlerle de örtüşüyor değildir.

Buna rağmen birçok antik filozof ve astronomun yaptığı öngörüler doğrudur. Leucippus (MÖ 5. yüzyılın ilk yarısı) atomizmi kurdu ve Arşimet mekanik, statik ve hidrostatik alanlarında suyun kaldırma kuvvetini de içeren birçok sayısal betimlemede bulundu. Orta Çağ, Müslüman fizikçilerle (en tanınmışı İbn-i Heysem'dir) birlikte deneysel fiziğin doğuşuna tanıklık etti; bunu erken dönem modern Avrupa fizikçilerinin (en tanınmışı Galileo Galilei ve Johannes Kepler'in çalışmalarının üzerinde klasik mekaniği inşa eden Isaac Newton'dur) modern fiziği şekillendirmeleri takip etti. 20. yüzyılda Albert Einstein'ın çalışmaları fiziğe günümüze değin süren biçimini kazandırmıştır.

Fizik çok geniş bir yelpazeye sahip olsa da bazı temel teoriler bütün fizikçiler tarafından kullanılmaktadır. Bu teoriler deneylerle defalarca test edilip doğru bulunmuştur ve şu an kesin bir geçerlilikle doğanın doğru bir modeli olarak kabul edilmektedir. Örneğin klasik mekanik nesnelerin hareketini nesneler atomik boyutların oldukça üstünde olduğunda ve hareketin hızı ışık hızın oldukça altındaysa doğru ve tutarlı bir biçimde açıklayıp tahmin edebilmektedir. Bu teoriler aktif çalışma sahalarına dahil olmaya devam etmektedir. Klasik mekaniğin önemli bir dalı olan kaos 20. yüzyılda, klasik mekaniğin Isaac Newton tarafından ilk kez formülize edilmesinden yaklaşık üç asır sonra keşfedilmiştir.

Bu merkezi teoriler daha spesifik konuları anlamak ve araştırmak için temel olmuşlardır ve uzmanlık alanı önemli olmaksızın her fizikçinin bu teoriler hakkında bilgisinin olması beklenir. Bu teoriler klasik mekanik, kuantum mekaniği, termodinamik ve istatistiksel mekanik, elektromanyetizma ve özel göreliliktir.

Günümüzdeki araştırma alanları kabaca katı hal fiziği, atomik, moleküler ve optik fizik, parçacık fiziği, astrofizik, jeofizik ve biyofizik olarak sıralanabilir. Bazı fizik bölümlerinde fizik eğitimi alanında da araştırmalar yapılmaktadır.

20. yüzyıldan bu yana fiziğin spesifik alanları oldukça özelleşmiştir ve çoğu fizikçi kariyeri boyunca sadece tek bir alanla ilgilenir olmuştur. Albert Einstein ve (1879-1955) ve Lev Landau (1908-1968) gibi fiziğin birden çok alanıyla ilgilenenler günümüzde çok az sayıdadır.

Fiziğin temel alanları, onlara bağlı alt branşlar ve teoriler

Fiziğin maddenin makroskopik özellikleriyle uğraşan dalıdır. Bir sistemi oluşturan parçacık sayısı çok fazla ve bu parçacıklar arasındaki etkileşim kuvvetli olduğunda ortaya çıkan fazlarla ilgilenir.

Bu fazlardan en bilindik olanları atomların aralarında elektromanyetik kuvvetten doğan bağlarla birbirine bağlandığı, maddenin katı ve sıvı halleridir. Daha ilginç fazlara örnek olarak süperakışkanlık ve Bose-Einstein yoğuşması olarak adlandırılan, çok düşük ısılarda ortaya çıkan durumlar, serbest elektronların özelliklerinden kaynaklı olarak bazı materyallerde meydana gelen süperiletkenlik, atomik latislerde görülen ferromagnetik ve antiferromagnetik fazlar verilebilir.

Yoğun madde fiziğinin geniş bir dalı olan Katı hal fiziği ise, sert ve şekil değiştiremeyen maddelerle özellikle de kristallerle ilgilenen fizik dalıdır. Katı hal fiziği oldukça sert ve şekli değişmeyen maddelerin elektriksel, manyetik, optik, esneklik (mekanik) gibi konulardaki özelliklerini araştırmaktadır.

Yoğun madde fiziği günümüzde çağdaş fiziğin en geniş araştırma sahasıdır. Tarihsel olarak, şimdi yoğun madde fiziğinin bir dalı olarak kabul edilen katı hal fiziğinden türemiştir. "Yoğun madde fiziği" ismi ilk kez Philip Anderson tarafından çalışma grubunu yeniden isimlendirdiğinde (1967) kullanılmıştır. Kimya, malzeme bilimi, nanoteknoloji ve mühendislik dallarıyla ortak konulara da sahiptir.

Atomik, moleküler ve optik fizik (AMO) bir ya da birkaç atomdan oluşan yapılar düzeyinde madde-madde ve madde-ışık etkileşimini inceler. Üç alan birbirleriyle karşılıklı ilişkileri, kullandıkları metotların benzerliği, enerji düzeylerinin ortaklığı sebebiyle tek bir isim altında toplanmıştır. Üç alan da hem klasik hem kuantum uygulamalarını içerir, makroskopik analizin tersine etkileşimlere mikroskopik analiz ile de yaklaşabilirler.

Atomik fizik atomlardaki elektron kabuklarıyla ilgilenir. Günümüzde atom ve iyonların kuantum kontrolü, soğutması ve çarpıştırılmasına, zayıf etkileşimli gazların (Bose-Einstein yoğuşması ve seyreltik Fermi dejenere sistemleri gibi) kolektif davranışlarına, fiziğin temel sabitlerinin yüksek duyarlılıkla ölçülmesine ve yapı ve dinamik üzerinde elektron korelasyonunun etkisine odaklanılmıştır. Atomik fizik çekirdek fiziği tarafından etkilenir fakat çekirdekler arası fizyon ve füsyon etkileşimleri yüksek enerji fiziğinin alanına dahildir.

Moleküler fizik çoklu-atom yapılarıyla ve bu yapıların madde-ışık bağlamında iç ve dış etkileşimleriyle ilgilenir. Optik fizik optikten farklı bir disiplindir, optik makroskopik objeler ve klasik ışık alanlarının kontrolüyle ilgilenirken optik fizik optik alanların temel özellikleri ve mikroskopik düzeyde madde ile etkileşimini inceler.

Atom Fiziği, maddelerin yapısını oluşturan atom ve atomlar arası ilişkileri, atomların ve moleküllerin yapılarını, dalga fonksiyonları, enerji düzeyleri, moleküler bağlar gibi atom fiziği kapsamındaki konuları irdeleyen bir fizik dalıdır.

Optik; ışığın yapısını, ışığın kırılmasını, ışığın yansımasını ve kırınımını, ışığın girişim olaylarını ve ışığın davranışını, özelliklerini, madde ile etkileşimini inceleyen fizik dalıdır. Mercek, dürbün, mikroskop, teleskop gibi araçlar yapılırken fiziğin optik dalından yararlanılmaktadır.

Nükleer Fizik ya da Çekirdek Fiziği, Atom çekirdeklerindeki olaylar bütünü ve etkileşimlerini inceleyen, çekirdeklerde bulunan parçacıkları; nötron ve protonları bir arada tutan nükleer kuvvetleri ve bunların etkileşimlerini inceleyen fizik daldır. Nükleer fizik uygulama alanları; nükleer tıp, manyetik rezosans, iyon implantasyonundan nükleer enerji üretilmesi, nükleer silah teknolojisi vb. alanlardır. Nükleer fizik, 1896 yılında Henri Becquerel ’in uranyum tuzlarının fosforesansını araştırırken radyoaktiviteyi keşfiyle başlamış, 1 yıl sonrasında  J.J. Thomson ‘un elektronu keşfetmesi ve atomun iç yapıya sahip olduğunun farkedilmesiyle gelişim göstermiştir.

Elektrik Fizik ya da Elektrik Fiziği; Elektrik yükünü, elektrik yükünün hareketleriyle oluşan elektirk akımını, yükün hareketsiz durumu ve potansiyelini inceleyen fizik dalıdır.
Manyetizma Fiziği, Demir, Nikel, Kobalt (Fe, Ni ve Co) benzeri maddeleri çeken cisimleri, mıknatısın çevresinde oluşan manyetik alan, manyetik kuvvet ve bunların etkileşimlerini araştıran fizik dalıdır.

Parçacık fiziğinin konusu madde enerjinin temel yapıtaşlarının ve aralarındaki etkileşimin incelenmesidir. “Yüksek enerji fiziği” olarak da adlandırılır. Bunun nedeni birçok temel parçacığın doğal olarak oluşmaması ve diğer parçacıkların yüksek enerji ile çarpıştırılması sonucu ortaya çıkmasıdır. Bu çarpıştırmalar parçacık hızlandırıcılarlada yapılabilirler.

Astrofizik ve astronomi fiziğin teori ve metotlarının yıldız yapıları ve evrimleri, güneş sisteminin temeli ve ilgili kozmolojik problemlerin aydınlatılması için kullanılmasıdır. Astrofizik geniş bir konu olduğundan mekanik, elektromanyetizma ve istatistiksel mekanik, termodinamik, kuantum mekaniği, görelilik, çekirdek ve parçacık fiziği, atomik ve moleküler fizik gibi fiziğin birçok alanından beslenir.

Karl Jansky'nin 1931'de gök cisimleri tarafından yayılan radyo sinyallerini keşfetmesi radyo astronomisinin kurulmasıyla sonuçlanmıştır. Astronominin öncüleri günümüzde uzayın keşfiyle ilgilenmekteler. Dünya atmosferinde meydana gelen pertürbasyon ve girişim fenomenleri uzay temelli gözlemleri kızılötesi, morötesi, gamma-ışını ve X-ışını astronomisi isin gerekli kılmıştır.

Fiziksel kozmoloji evrenin en büyük ölçeklerde nasıl oluştuğunun ve geliştiğinin incelenmesidir. Albert Einstein'ın görelilik teorisi bütün modern kozmolojik teorilerde baş rolü oynar. 20. yüzyılın başlarında Hubble'ın uzayın genişlediğini keşfetmesi (Hubble diyagramıyla gösterilmiştir) durağan evren modeli ve Big Bang kuramları açısından çok önemli bir yer tutmuştur.

Big Bang nükleosentezinin başarısı ve kozmik arka plan ışımasının keşfi Big Bang modelini 1964'te doğrulamıştır. Bu model iki teorik temele dayanır; Albert Einstein'ın genel görelilik teorisi ve kozmolojik prensip. Kozmologlar yakın dönemde evrenin gelişmesini açıklamak için, kozmik genişleme, karanlık enerji ve karamadde faktörlerini içeren ΛCDM modelini geliştirmişlerdir.

Fermi Gamma-ışını Uzay Teleskopu'ndan elde edilen bilgiler geçtiğimiz on yılda birçok keşif ve teorik olasılığın önünü açmış ve eldeki teorilerin düzeltilmesi ve daha iyi açıklanmasında yardımcı olmuştur. Karamaddenin açıklanmasını da sağlayan birçok keşfin önümüzdeki birkaç yıl içerisinde yapılacağı düşünülmektedir. Fermi karama