ticoAg/ChineseCorpus-Kaggle-fanti huggingface dataset:
自20世紀以來，物理學的各個領域越加專業化，大多數物理學者整個職業生涯只專精於一個領域，像阿爾伯特·愛因斯坦（1879–1955）和列夫·朗道（1908–1968）這樣的全才大師現在寥若晨星。
模擬在大型強子對撞機的緊湊緲子線圈裏，希格斯玻色子出現的一個事件。
粒子物理學研究組成物質的基本粒子，它們的結構與它們彼此之間的交互作用。另外，粒子物理學者設計與發展進行研究所需要的高能量加速器、探測器與探用分佈式處理系統的電腦程式。由於在大自然的一般條件下，許多基本粒子不存在、存在的生命周期極短或無法單獨出現，需待物理學者使用極高能量的粒子加速器碰撞來產生這些基本粒子，因此粒子物理學也被稱為高能物理學。
標準模型可以正確地描述基本粒子之間的交互作用。這模型能夠說明12種已知粒子（夸克和輕子），這些粒子彼此之間以強力、弱力、電磁力或引力進行交互作用。這些粒子會互相交換規範玻色子（分別為膠子、光子、W及Z玻色子）。標準模型還預測了希格斯玻色子的存在。2012年，歐洲核子研究組織宣布，探測到希格斯玻色子。
原子分子與光物理學專注於研究原子、分子與光，以及研究光與物質之間、物質與物質之間的相互作用。闡明物理的基礎定律、了解物質是怎樣在原子與分子層次組構而成、明白光與物質之間的相互作用、發展出新技術與新器件，這些是原子分子與光物理學的中心目標。原子分子與光物理學發展出的實驗與理論技術，時常會被應用於其它科學領域，例如，化學、天文物理學、生物學、醫藥學等等。對於很多其它科學領域，通過發展關於控制與操縱原子、分子與光的方法，或通過精確測量與分析它們的物理性質，或通過發展出新方法來製成具有某種特定性質的光，原子分子與光物理學扮演著賦能的角色。
原子物理學研究原子的結構與物理性質。原子物理學的研究主要分為三種趨勢。第一是研究自然基礎定律，這通常會涉及到高精確度測量。第二是了解原子的結構，以及原子與光的相互作用。第三是研究原子與電子之間、原子和離子之間的相互作用。
分子物理學嘗試了解分子的結構與物理性質，分子與分子之間怎樣相互作用與進行反應，以及更複雜的物質狀態，例如液體等等。分子物理學是跨立於物理與化學之邊界的一門學問，其常用的重要工具有光譜學、衍射、共振、分子束、質譜學等等。分子物理學的主要研究目標為：分子的形狀與結構、分子的對稱性、分子的內部能量態、分子的光學性質與電磁性質、探測分子的方法、在科技與生物學與醫藥學領域的應用。
光物理學研究光的性質、光與物質之間的交互作用，這包括光的生成與探測、線性與非線性光學過程、光譜學。光物理學的內容與應用光學、光工程學很鄰近。光物理學專注於光的基礎物理研究，應用光學注重於應用相關科技在其它科學領域，而光工程學則注重於光學器件的設計與發展。一些前瞻性研究領域為激光、激光光譜學、量子光學與量子相干、、激光冷卻、激光捕捉等等。
銣原子氣體的速度分佈數據，由此確定了一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚的新物態。
凝聚態物理學研究物質的宏觀物理性質，例如，從測量物質的密度、磁化強度、電導率、熱導率等等所獲得的數據可以得知它們對於外界影響的反應。在粒子與粒子之間的相互作用都是已知的交互作用的前提下，凝聚態物理學對於分析與描述多粒子系統給出工作框架。凝聚態物理學專注於多粒子系統，凝聚態指的是由大量粒子組成，並且粒子與粒子之間存在很強的交互作用的系統。常見的凝聚態有固態和液態，由於原子與原子之間因電磁力而形成的化學鍵，才會出現這些物態。比較罕見的凝聚態包括發生於非常低溫系統裏的超流體和玻色-愛因斯坦凝聚態、在某些物質裏的傳導電子展現的超導態、 在某些磁性物質內部因為定域於原子晶格的自旋而出現的鐵磁態和反鐵磁態。
守恆定律與對稱性破缺主導了物質的宏觀性質，這是凝聚態物理學的一個重要概念。在由大量粒子組成的孤立系統裡，粒子數、能量、動量、電荷量等等都是守恆量。在足夠高溫度狀況下，這系統具有較高的對稱性，例如在自由空間裡的旋轉對稱性與平移對稱性。假設降低溫度，則會凝聚出新的熱力學穩定態，其具有越來越多的對稱性破缺，因此，對稱性會變得越來越低。
凝聚態物理學起源於十九世紀固體物理學和低溫物理學的發展，當今是物理學的最大分支，與化學、材料科學、納米科技有相當程度的重疊。
哈伯超深空是以可見光拍攝的最深遠的宇宙影象之一。
天文物理學主要研究的是宇宙星體的性質與結構。這包括恆星、行星、星系、星雲、暗星、黑洞等等。天文學與宇宙學是它的姊妹學術領域，很難將它們做嚴格區分。簡略而言，天文學測量星體的位置、運動、光度等等，例如，某恆星的位置與光譜，天文物理學嘗試了解星體的本質，例如，某恆星的內部結構與形成機制，宇宙學企圖解釋宇宙的整體或大尺度結構的本質，例如，大爆炸或宇宙暴脹的機制。
由於天文物理學是一門很廣泛的學問，天文物理學者通常需要用到很多不同的學術理論，例如，經典力學、電磁學、統計力學、量子力學、相對論、粒子物理學等等，將這些學術理論應用於天文研究，例如，類星體、緻密雙星、大尺度結構、恆星動力學等等，時常可以得到很有意義的答案。
在凝聚態物理學領域裡，邁斯納效應促使磁鐵懸浮於超導體的上方。
雖然物理學是最古老的學術之一，時至今日，仍有許多具突破性的劃時代研究在物理的各個分支領域夜以繼日、如火如荼地進行中。
在凝聚態物理學領域裡，某些物質在溫度高於50 K仍舊具有超導電性，物理學者不清楚促成這高溫超導現象的機制為何。很多凝聚體實驗的目標是製成可使用的自旋電子學元件和量子計算機元件。
在粒子物理學領域，支持後標準模型物理學的實驗證據已開始陸續出現。在這些結果之中，比較重要的是微中子具有非零質量的徵象。這實驗結果合理解答了矚目已久的太陽微中子缺失問題，即有些微中子在從太陽傳播到地球的路途中，會轉換為實驗無法偵測的別種類微中子的現象。帶質量微中子的物理研究是很熱門的理論與實驗題目。辨明微中子震盪與反微中子震盪的不同之處也是個重要題目，其可以對於為什麼宇宙裡到處都是物質，而不是反物質這個宇宙學難題給出解答。很多實驗都在尋找惰性中微子的蛛絲馬跡。
高能量大強子對撞器已開始偵測14TeV能量域，精緻的後標準模型超對稱理論所預測的粒子，或是約占宇宙物質85%的暗物質，這些都是大強子對撞器的探索目標。歐洲核子研究組織（CERN）宣布，大強子對撞機已發現希格斯玻色子，但數量有限，無法詳細觀察其性質，未來通過蒐集更多數據，例如希格斯玻色子的各種衰變管道的頻率，預期將能夠發現任何不符合標準模型之物理行為，以及找到任何不同種類的希格斯玻色子。
在理論物理學領域，理論物理學者嘗試將量子力學和廣義相對論統一成為量子引力理論。這研究已延續了大半個世紀，但至今仍未得到滿意的答案。現今幾個比較成功的理論為M理論、超弦理論、圈量子引力論。
在天文物理學領域，許多天文和宇宙現象仍舊沒有找到合意的解答，如超高能量宇宙射線、重子不對稱性、星系自轉問題等等。.以下列出一些重要論題：
*研究宇宙的初始與命運：嘗試解釋大爆炸、宇宙微波背景、宇宙暴脹、宇宙加速膨脹、暗物質、暗能量等等難題。
*研究宇宙的演化機制：宇宙怎樣從大爆炸演化至當今的浩瀚星空？初始的恆星、星系與黑洞是怎樣形成的？它們怎樣影響後來天文星體的形成？各種天文星體是怎樣形成的？
*研究鄰近的系外行星：它們是否適合居住、是否已孕育生命？怎樣才能觀察到更多關於它們的信息？
雖然，高能物理、量子物理、天文物理等領域有很大的突破與進展，但對於許多涉及複雜系統、混沌、湍流等等日常發生的現象，科學家仍是一知半解。地震、斷裂、生命等等現象只會發生於離平衡很遠的狀況，其所出現的系統稱為。很多關於平衡系統或近平衡系統的物理行為都已被了解，但是，物理學者只知道些許主導離逖平衡系統的基本原理。
*  Emilio Segrè Visual Archives －這檔案館網頁收集了超過30000張科學家本人和相關成就的相片。
*  The Mechanical Universe...and Beyond－加州理工學院物理系52集影音課程。
*  怎樣成為傑出的理論物理學者？ －1999年諾貝爾物理學獎得主傑拉德·特·胡夫特的金石良言。
*  諾貝爾物理學獎100年 －東吳大學物理系網頁。
可觀察宇宙的對數表示。 著名的天文物體用中文標記
由哈伯太空望遠鏡拍攝的一個巨大超新星殘骸：馬賽克組成的蟹狀星雲。
從拉西拉天文臺看到銀河。
天文學是一門研究天體和天文現象的自然科學。它使用數學、物理和化學來解釋它們的起源和演化。感興趣的天體包括行星、衛星、恒星、星雲、星系和彗星。相關現象包括超新星爆炸、伽馬射線暴、類星體、耀變體、脈衝星和宇宙微波背景輻射。 更通俗地說，天文學研究起源於地球大氣層之外的一切事物。宇宙學是天文學的一個分支，從整體上研究宇宙。
天文學是最古老的自然科學之一。歷史記載中的早期文明對夜空進行了系統的觀測。其中包括巴比倫天文學、希臘天文學、、、中國天文學、瑪雅文明和許多古代美洲原住民的天文學。在過去，天文學包括多種學科，如天體量測、天文航海、觀測天文學和製作曆法。如今，專業天文學通常被與天體物理學畫上等號。
1873年的澳大利亞新南威爾士天文臺。
19世紀時位於厄瓜多基多的基多天文臺，位置在赤道以南12角分處。
漢語中「天文」一詞最早出現於《易傳》。《易經·賁卦·彖辭》：「剛柔交錯，天文也；文明以止，人文也。觀乎天文，以察時變；觀乎人文，以化成天下。」「文」是指一切現象或形相，「天文」就是指自然現象。
"天文學"和"天體物理學"是同義詞。根據嚴格的詞典定義，"天文學"是指"對地球大氣層外的物體和物質及其物理和化學性質的研究"，而"天體物理學"指的是天文學中處理"天體和現象的行為、物理性質和動力學過程"的分支。在某些情況下，正如徐遐生在介紹性質的：教科書《物理宇宙》時所：''天文學''可用於描述該學科的定性研究，而''天體物理學''則用於描述該學科的物理導向版本。然而，由於大多數現代天文學研究涉及與物理學有關的學科，因此現代天文學實際上可以稱為天體物理學。在有些領域，例如天體測量學，是純粹的天文學，而不是天體物理學。科學家對這一課題進行研究的各個部門可能會使用"天文學"和"天體物理學"，部分取決於該部門在歷史上是否隸屬於物理部門，許多專業的天文學家擁有物理學學位而不是天文學學位。該領域主要科學期刊的一些標題，包括"天文期刊"、"天文物理期刊"和"天文與天體物理學報"。
17世紀的荷蘭製圖師繪製的星圖。
在早期的歷史時期，天文學只包括觀察和預測肉眼可見物體的運動。在一些地方，早期文化聚集了大量可能具有天文用途的文物。除了儀式上的用途外，這些天文臺還可用來確定季節，這是知道何時種植作物和瞭解一年長度的重要因素。
在望遠鏡等工具發明之前，早期對恒星的研究是用肉眼進行的。隨著文明的發展，最顯著的是美索不達米亞、希臘、、、中國天文學、和中美洲，天文觀測站被建立起來，關於宇宙性質的想法開始發展。大多數早期天文學包括繪製恒星和行星的位置圖，這門科學現在被稱為天體測量學。經由這些觀測，形成了關於行星運動的早期想法，並從哲學上探討了太陽、月亮和地球在宇宙中的性質。當時，地球被認為是宇宙的中心，太陽、月亮和恒星圍繞地球旋轉。這被稱為宇宙的地心模型，或以托勒密為名的托勒密體系。
，西元前6世紀倫敦(肖恩)收藏西元前6世紀的耆那教天文學文本，蘇里亞普拉伊納普蒂斯特拉(Suryaprajnaptisūtra )。上圖：年的手稿。
早期，一個特別重要的發展是數學和科學天文學的開始，它始於巴比倫人，為後來在許多其它文明中發展起來的天文傳統奠定了基礎。巴比倫人發現月食在一個稱為沙羅的重複週期中反覆重現。
希臘的赤道日晷。在西元前2-3世紀的，是今天的阿富汗。
繼巴比倫人之後，古希臘和希臘化世界在天文學方面取得了重大進展。希臘天文學的特點是從一開始就尋求對天體現象的理性和物理解釋。西元前3世紀，阿里斯塔克斯估計了，他提出了地球和行星圍繞太陽旋轉的太陽系模型，現在稱為日心說模型。在西元前2世紀，喜帕恰斯發現了歲差，計算了月球的大小和距離，並發明了已知最早的天文設備，如星盤。喜帕恰斯還創建了一個包含1,020顆恒星的綜合目錄，北半球的大部分星座都來自希臘天文學。安提基特拉機械（約西元前150-80年）是早期的類比計算機，設計用於計算給定日期的太陽、月亮和行星的位置。複雜性類似的科技人工製品直到14世紀才重新出現，當時在歐洲出現了機械的天文鐘。
中世紀期間（直到13世紀），歐洲天文學停滯不前，但依然有許多重要的天文學家。（1292-1336）對天文學和做出了重大貢獻，包括發明了第一個天文鐘，能夠量測行星和其他天體之間角度的，以及可用於天文學計算，如月球、太陽和行星的經度，並可預測日食，被稱為''阿爾比安''(Albion)的行星定位儀。尼克爾·奧里斯姆（1320-1382）和讓·布里丹（1300-1361）首先討論了地球自轉的證據，此外，布里丹還發展了動力理論，該理論能夠證明行星能夠在沒有天使干預的情況下運動。（1423-1461）和約翰·繆勒（1436-1476）幫助了天文學的進步，有助於哥白尼在幾十年後發展日心模型。
與此同時，天文學在伊斯蘭世界以及世界其他地區蓬勃發展。這導致9世紀初穆斯林世界出現了第一個觀測站。964年，波斯穆斯林天文學家阿卜杜勒-拉赫曼·蘇菲在他的"恒星之書"中描述了仙女座星系，這是本星系群中最大的星系。由埃及阿拉伯天文學家和中國天文學家於1006年觀測到的超新星SN 1006，是有記錄以來視星等最明亮的恒星事件。一些對科學做出重大貢獻的著名伊斯蘭天文學家包括巴塔尼、塔比·伊本·庫拉、阿卜杜勒-拉赫曼·蘇菲、比魯尼、、、以及馬拉蓋天文臺和。在那段時間裡，西方天文學家引入了許多。
人們還認為大辛巴威和廷布克圖的廢墟可能也設有天文臺。在後古代史的西非，天文學家研究了恒星的運動及其與季節的關係，根據複雜的數學計算，繪製了星圖以及其他行星的精確軌道圖。 桑海的歷史學家在1583年8月記錄了一場流星雨。歐洲人此前認為，在殖民統治前的中世紀，撒哈拉以南非洲沒有天文觀測，但現代發現情況並非如此。
六個多世紀以來，羅馬天主教會為天文學研究提供的財政和社會支持可能比所有其他機構都多。 教會的動機之一是定出每年復活節的日期。
伽利略對月球的素描。他發現月球表面佈滿了凹凸的山
歐洲早期天圖，約1000年
文藝復興期間，尼古拉·哥白尼提出太陽系日心說。伽利略·伽利萊和約翰內斯·開普勒再在哥白尼的基礎上進一步完善日心說。伽利略首次利用望遠鏡觀察天體，發現月球表面佈滿了凹凸的山，而不是光滑一片。1610年，伽利略發現木星的四顆衛星，這是對地心說的重大打擊。
約翰內斯·開普勒是最早用科學定律正確解釋日心說的科學家，但他無法解釋這些定律背後的科學原理。之後，伊薩克·牛頓發明天體力學和萬有引力定律，才從根本上解釋了行星的運行。反射望遠鏡也是由牛頓所發明。
英國天文學家約翰·佛蘭斯蒂德彙編的星表收錄了超過3千顆恆星。隨著望遠鏡大小和質量的提高，天文學家陸續發現更多的星體和天文現象。法國天文學家尼可拉·路易·拉卡伊的星表收錄了將近1萬顆南天恆星。威廉·赫歇爾彙編了星雲、星團星表，並於1781年發現第七顆行星天王星。這是自遠古時期以來第一顆被發現的新行星。1838年，弗里德里希·威廉·貝塞爾利用視差原理測量天津增廿九的距離，是為首次成功測得恆星的距離。
18至19世紀，李安納·歐拉、亞歷克西斯·克勞德·克萊羅、讓·勒朗·達朗貝爾研究三體問題，對月球和行星的運行作出了更準確的預測。約瑟夫·拉格朗日和皮耶爾-西蒙·拉普拉斯在此基礎上，從衛星和行星的軌道擾動推算出它們的質量。
在光譜儀和天文攝影等新技術出現之後，天文學有了飛快的發展。1814至15年，約瑟夫·夫瑯和費在太陽的光譜當中觀察到大約600條譜線。古斯塔夫·基爾霍夫在1859年解釋，這些譜線是由不同化學元素產生的。人們發現，恆星其實類似於太陽，只不過有著不同的溫度、質量和大小。
到了20世紀，科學家才認識到地球所身處的銀河系是一個獨立的星系，並且在銀河系外還存在別的星系。這些星系都在遠離銀河系，科學家以此發現宇宙正在膨脹。奇異的星體現象陸續被發現，如類星體、脈衝星、耀變體和電波星系等。理論天文學家則提出黑洞、中子星等天體來解釋這些觀測現象。物理宇宙學也在20世紀蓬勃發展，其中的大爆炸理論，已得到宇宙微波背景輻射、哈勃定律以及宇宙化學元素豐度的充分支持。太空望遠鏡的發射意味著，科學家能夠通過電磁波譜中一般被大氣層所遮掩的部分來觀察宇宙。2016年，雷射干涉引力波天文臺（LIGO）宣佈首次直接探測到源自黑洞碰撞的引力波訊號，展開了以引力波作天文觀測的時代。
光，乃至電磁輻射，是人類對天象的主要觀測途徑。觀測天文學的不同領域可依電磁波譜的區域所分，其中有的波長可從地球表面觀測，稱之大氣窗口，有的則須要在高海拔甚至在地球大氣層以外才能有效觀測。
美國新墨西哥州的甚大天線陣屬於射電望遠鏡
射電天文學利用波長超過1毫米左右的電磁輻射進行觀測。和其他類型的觀測天文學領域不同的是，射電天文學所觀測的無線電波可以視為波，而不是單獨的光子，所以相對較短波長的輻射更容易測定波幅和相位。
儘管天體自身的熱輻射也會發出無線電波，但是絕大部分的無線電波都是同步輻射所致，也就是電子在磁場中運動時發出的輻射。此外，還有星際氣體所產生的某些譜線，也處於無線電波的波長範圍內，特別是氫的21cm譜線。
可通過無線電波觀測的天體包括超新星、星際氣體、脈衝星和活動星系核等。
智利的阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列（ALMA）是地球上海拔最高的天文臺之一
紅外天文學通過紅外輻射進行天文觀測，此類輻射的波長比紅光更長，位於人類肉眼的觀測範圍以外。紅外天文學能最有效觀測溫度較低、無法發出可見光的天體，例如行星、星周盤及光線被塵埃遮蔽的星雲等。紅外輻射的波長較可見光長，所以可以穿透可見光所無法穿透的塵埃雲，有助於研究分子雲深處的年輕恆星和星系核。例如，廣域紅外線巡天探測衛星（WISE）已成功觀測到多個銀河系內的原恆星和這些恆星所在的星團。除了十分接近可見光的紅外光以外，大部分紅外輻射都會被地球大氣層吸收；大氣本身也會產生較強的紅外輻射，進一步影響觀測。因此，紅外天文臺都必須在海拔高、濕度低的地點建造，甚至是作為衛星發射到太空。某些分子在紅外輻射範圍有較強的譜線，這有助於研究天體的化學成分，如彗星所含的水。
毛納基火山上的昴星團望遠鏡（左）和凱克天文臺（中）在近紅外和可見光範圍觀測。（右）只在近紅外範圍觀測。
自遠古起，人類便利用肉眼作可見光天文觀測。最早的觀測都是以圖畫記錄下來。19世紀末，人們開始對天象進行攝影。現代天文攝影技術一般使用數碼探測器，特別是感光耦合元件（CCD）。雖然可見光的波長範圍大約在4000?至7000?（即400nm至700nm）之間，但可見光攝影設備也可以用來觀測一部分的近紫外線和近紅外線。
紫外線天文學利用波長在100至3200?（10至320nm）間的紫外輻射進行觀測。此類輻射會被地球大氣層吸收，所以觀測只能在大氣上層或太空中進行。紫外線天文學最適合研究發射紫外線的高溫藍色恆星（OB星），包括銀河系以外的藍色恆星，以及行星狀星雲、超新星遺跡等等。不過，紫外線會被星際塵埃吸收，所以取得的數據必須再利用其它方法加以校準。
超大質量黑洞所射出的X射線噴流，由美國太空總署昌德拉X射線天文臺發現
X射線天文學在X射線範圍觀測天體。宇宙中的X射線來自於同步輻射、溫度高於1千萬開爾文的稀薄氣體發出的熱輻射（見軔致輻射）以及溫度高於1千萬開爾文的稠密氣體發出的熱輻射（見黑體輻射）。發出X射線的天體有：X射線聯星、脈衝星、超新星遺跡、橢圓星系、星系群及活動星系核等。由於X射線會被地球大氣層吸收，所以X射線觀測必須用、火箭或X射線天文衛星進行。
伽馬射線天文學所觀測的是電磁波譜中波長最短的輻射。伽馬射線可通過康普頓伽瑪射線天文臺等衛星或來觀測。切倫科夫望遠鏡不直接探測伽馬射線，而是觀測大氣吸收伽馬射線時所產生的可見光閃光。
伽馬射線暴是突然發出伽馬射線的天體，持續時間從幾毫秒到幾千秒不等，大部分伽馬射線源都屬於此類。只有一成的伽馬射線源為持續性射源，這包括脈衝星、中子星及活動星系核等可能為黑洞的天體。
除了電磁輻射以外，還能通過一些別的方法研究天象。
中微子天文學利用屏蔽效果極佳的地下中微子探測器測量中微子的流量。這類設施包括（SAGE）、GALLEX、超級神岡探測器等。絕大數穿過地球的中微子都來自太陽，但也曾經有探測到24顆來自SN 1987A超新星爆發的中微子。宇宙射線由極高能量粒子（原子核）組成，在進入地球大氣層時會衰變或被吸收，過程中會產生一系列的衍生粒子。現今的天文臺可通過探測此類粒子來研究宇宙射線。未來的中微子探測器能力將會提高，有望探測到宇宙射線衝擊大氣時所發出的粒子。
引力波天文學通過觀測引力波來研究遙遠的大質量天體，是一門新興的天文學領域。雷射干涉引力波天文臺（LIGO）是其中一座正在運行的引力波探測器，它在2015年9月14日探測到歷史上首個引力波訊號，訊號源自雙黑洞。2017年，LIGO和室女座干涉儀共同探測到首個來自雙中子星（GW170817）的引力波訊號。
科學家可結合電磁輻射、中微子和引力波等不同方法研究同一個天體，這種做法稱為。
NGC 6357星團和星雲
天文學乃至所有科學中最古老的一個領域，是對各天體位置的測量。在歷史上，準確測量日、月、行星、恆星的位置，有天文航海和制訂曆法等作用。
18世紀開始，天文學家以精確測定的行星位置作為基礎，發展出完善的引力攝動理論，可以極精確地推算過去和未來的行星位置。這門學科稱為天體力學。今天，科學家對近地天體進行大規模追蹤，目的是預測這些天體何時會近距離略過地球以及評估與地球相撞的風險。
太陽系周邊恆星的視差是宇宙距離尺度的起始點。在用視差測量附近恆星的距離後，可以通過比對，推測遙遠恆星的各種屬性。通過測量恆星的徑向速度和自行，天文學家可以繪出銀河系內恆星的運行軌跡，從而算出銀河系暗物質的分佈。
1990年代，天文學家開始利用多普勒光譜學觀察太陽系周邊恆星的擺動。這種方法可以用來發現一些較大的系外行星（詳見系外行星偵測法）。
理論天文學家的研究手段包括數學模型及用電腦做數值模擬，即天體物理學。數學模型一般能揭示天文現象背後更深層次的原理，數值模擬則可以演示現實中難以觀察的現象。
太陽光球的紫外線圖像，美國太空總署太陽過渡區與日冕探測器（TRACE）太空望遠鏡攝
斯洛伐克洛姆尼茨基山太陽天文臺
太陽離地球約8光分，或稱之天文單位，是距離地球最近，也是天文研究最為關注的恆星。太陽是一顆典型的主序矮星，屬於G2V類，年齡有46億年。雖然太陽不是一顆變星，但太陽粒子數會上下波動，每11年為一太陽週期。太陽粒子是太陽表面上溫度較平均低的區域，一般有強烈的磁場活動。
自進入主序至今，太陽的亮度已增加了40%，期間它的亮度有過週期性波動，對地球上的氣候有著極大的影響。例如，蒙德極小期很可能導致了中世紀期間的小冰期。
在結構上，人們一般所能見到的太陽表面稱為光球，光球以外是一層薄薄的色球，色球以外有一層薄薄的過渡層，溫度劇烈上升，直到最外面的超高溫日冕。太陽的中心有著極高的溫度和壓力，足以產生持續的核聚變。包圍著中心的是輻射層，這裡的等離子體以輻射的形式把能量傳遞出來。輻射層以外是對流層，這裡的氣體以對流的形式把能量傳遞到外層。科學家相信，對流層氣體的翻滾運動所產生的磁場活動導致了太陽粒子的形成。
太陽時時刻刻都從表面向外噴射大量的等離子體粒子，就是所謂的太陽風。太陽風會一直達到太陽系的邊緣──太陽層頂。太陽風在經過地球時會與地磁場（磁層）相互作用，會因此轉向，但也有一部分會被困在環繞地球的范艾倫輻射帶中。當太陽風粒子沿著磁場線進入地球兩極的大氣層時，就會產生極光。
行星科學的研究對象，除了有太陽系內的行星、衛星、矮行星、彗星、小行星等等，還包括太陽系外行星。科學家最先通過望遠鏡觀察太陽系內的天體，再通過航天器，如今已對太陽系自身的形成和演化有了較好的認識。
照片攝於火星。一個塵卷風沿著隕石坑壁向上爬（黑點），留下了一條暗暗的軌跡。塵卷風是火星大氣層現象，類似於地球上的龍捲風
從內向外，太陽系可分為內行星、小行星帶和外行星。內行星包括水星、金星、地球和火星，均為類地行星；外行星包括木星、土星、天王星和海王星，均為氣態巨行星。在八大行星以外，還有柯伊伯帶和可能延續1光年的奧爾特雲。
太陽系行星是在46億年前的原行星盤中誕生的。經過相互吸引、碰撞和吸積，原行星盤中逐漸積累起大塊物質，這些物質慢慢演變為原行星。太陽風「吹走」大部分的離散物質，只有質量足夠大的行星才得以保留其大氣層。在接著的後期重轟炸期期間，行星繼續受到太陽系剩餘物質的劇烈碰撞。這些碰撞的歷史遺跡在月球上的諸多撞擊坑中就有跡可循。其中一些原行星也互相碰撞，科學家相信，月球就很有可能是在此類碰撞中形成的。
當行星達到一定的質量後，其內部的物質會根據不同的密度而分離，這段過程稱為行星分化。分化的結果是，行星的中心為石質或金屬核，可分為固態和液態核，外層為幔和外殼。有些行星核可以產生磁場，避免大氣層被太陽風剝離。
行星和衛星內部高溫的原因包括：行星形成時碰撞的殘留熱量、放射性物質（鈾、釷、鋁-26等等）的衰變以及其他天體所造成的潮汐力。一些行星和衛星的內部熱量足以推動火山作用等地質活動，擁有大氣層的行星和衛星還會經受表面侵蝕。較小的天體如果不受潮汐力的影響，會比大天體更快地降溫。除了受隕石撞擊以外，小天體的地質活動會隨溫度的降低而息止。
螞蟻星雲。星雲中心的垂死恆星向外噴出大量物質，產生的形狀高度對稱，與普通爆炸的混亂形狀有明顯的不同
研究恆星和恆星演化，對人們了解宇宙有著重要的意義。科學家對恆星的了解來自於觀察、理論以及對恆星內部的電腦模擬。恆星會在稱為暗星雲的高密度塵埃和氣體中形成。當星雲的穩定性受到破壞時，塵埃和氣體就會在自身引力下坍塌形成原恆星。當原恆星核心的密度和溫度達到一定程度後，就會啟動核聚變，使恆星形成。
幾乎所有原子量大於氫和氦的化學元素都是在恆星核心中形成的。
恆星的屬性主要取決於它開始時的質量：質量越大，亮度就越高，氫在其核心聚變成氦的過程也發生得越快。隨著時間的推移，氫會完全轉化為氦，此時恆星會進入演化過程中的下一個階段。恆星核需要有更高的溫度才能使氦聚變。核心溫度足夠高的恆星會一邊使外層膨脹，一邊增加核心密度，形成紅巨星。紅巨星會迅速用盡氦燃料，因此壽命不長。質量更大的恆星會逐步以更重的元素進行聚變，再經過一連串的演化階段。
恆星的質量決定了它最終的歸宿：8個太陽質量以上的恆星會坍縮，成為超新星，而8個太陽質量以下的恆星則會噴出外層的物質，形成行星狀星雲。超新星爆炸後的殘骸是一顆密度極高的中子星；如果恆星質量超過3個太陽質量，則超新星殘骸將會是一個黑洞。相互公轉的聯星會有更加複雜的演化過程，例如，白矮星會從其伴星不斷吸取物質，最終可引發超新星爆炸。行星狀星雲和超新星都有助於把恆星內部經聚變產生的「金屬元素」（在天文學中泛指氫、氦以外的一切元素）分散到星際介質當中。全靠這兩者，包括太陽系在內的行星系統才會由氫和氦以外的多種元素所組成。
太陽系所處的銀河系屬於棒旋星系，是本星系群中的一員。銀河系由氣體、塵埃、恆星等各種天體所組成，這些天體繞銀河系的中心公轉，並通過相互引力束縛在一起。太陽系位於銀河系一個螺旋臂的外端，因此銀河系有很大部分受塵埃的阻擋，觀測不易。
銀河系中心是一個棒形隆起物，稱為核球。科學家相信在核球的最中心處有一個超大質量黑洞。從核球起有四條主螺旋臂向外輻射至外端，此處的恆星形成非常活躍，含較多的第一星族恆星。這些結構都基本位於同一平面上，平面以外還有一個扁球形銀暈，主要含年齡更大的第二星族恆星，亦含數以百計的球狀星團。
恆星和恆星之間的空間充斥著低密度的物質，稱為星際介質。其中由氫等元素組成的分子雲是恆星誕生的區域，密度相對較高。高密度的星前核心或暗星雲坍縮，形成原恆星。
大質量恆星出現後，分子雲變為由發光氣體和等離子體形成的電離氫區。這些恆星產生的恆星風和超新星爆炸最終使雲團疏散開來，往往留下若干年輕的疏散星團。這些星團慢慢分散開，其中的恆星融入銀河系眾多的恆星當中。
在研究過銀河系及其他星系中物質的運動情況後，科學家發現普通的可見物質只是星系總質量的一小部分。圍繞星系的暗物質暈組成星系的大部分質量，但暗物質的本質仍然是一個未解之謎。
圖中的數個藍色環狀天體是同一個星系的多個重複影像。中間黃色星系的質量產生引力透鏡效應，使來自背後遙遠星系的光線轉向，造成扭曲和重影的效果
對銀河系以外天體的研究分支包括：星系的形成和演化、星系分類、活動星系觀測以及星系群和星系團的觀測。對星系群和星系團等的觀測對了解宇宙大尺度結構有重要的意義。
大部分星系都可根據形狀具體劃分為螺旋星系、橢圓星系及不規則星系。
顧名思義，橢圓星系的截面呈橢圓形。星系中的恆星沿著隨機軌道，而不是一個特別的方向運行。在橢圓星系中，星際塵埃幾乎不存在或完全不存在，恆星誕生的區域少，恆星普遍較老。橢圓星系常見於星系團的中心，很可能是大星系相撞的產物。
螺旋星系呈扁盤形，沿一個方向旋轉，中心有一個凸起的球狀物或棒狀物，從中伸出若干條螺旋臂，向外放射。螺旋臂發亮，充滿塵埃，是恆星誕生的區域，其中的年輕大質量恆星呈藍色。螺旋星系外圍一般是由老恆星組成的暈。銀河系和鄰近的仙女座星系都屬於螺旋星系。
不規則星系是外表混亂，無法歸為螺旋或橢圓星系的星系。宇宙中有四分之一的星系都屬於此類。混亂的形狀很可能是引力擾動的結果。
活動星系會發出巨大的能量，但這些能量並不來自它的恆星、塵埃或氣體，而是來自它的緻密核心。科學家相信，星系中心的超大質量黑洞在吸入物質後發出大量輻射，形成活動星系核。電波星系會發出大量的無線電波，並散發出羽狀或葉狀的巨大氣體結構。其他的活動星系則會發出波長較短的高能輻射，如西佛星系、類星體和耀變體。類星體是可觀測宇宙中持續亮度最高的天體。
宇宙在大尺度上的結構由星系群和星系團組成。最大的星系集體稱為超星系團。宇宙中的物質在最大尺度上形成纖維狀結構和長城，之間則是巨大的空洞。
宇宙學的研究對象是整個宇宙。物理宇宙學家通過觀測宇宙大尺度結構，對宇宙的開端和演化有了深入的認識。現代宇宙學的核心思想是大爆炸理論：宇宙在138億年前誕生，自此後不斷膨脹至今。1965年，科學家發現宇宙微波背景輻射，奠定了大爆炸的觀測基礎。
宇宙在膨脹期間經歷了多個發展階段。宇宙學家猜測，宇宙最初曾有過極快速的宇宙暴脹，使波動的初始條件得以勻化。接著的核合成過程產生了早期宇宙的各種原子核（見核宇宙編年學）。
此時宇宙充斥著離子，光子不可穿透。直到中性原子形成，太空才變得「透明」。第一次不受阻擋穿透太空的光線，至今仍游離於宇宙中，形成宇宙微波背景。有相當一段時間，由於恆星還未形成，宇宙是漆黑一片的。
不同區域的物質質量密度有微乎其微的差異，物質因此開始聚合，形成各個尺度上的階級式結構。密度較高的物質成為了氣體雲和最早期的恆星──第三星族恆星。這些大質量恆星激發了再電離過程，製造了早期宇宙中的許多重元素。重元素在衰變後成為輕元素，使核合成週期可以延續下去。
在引力的作用下，物質形成了大尺度纖維狀結構和巨大的空洞。氣體和塵埃逐漸聚集，形成早期星系。這些星系不斷納入更多的物質，並互相形成星系群和星系團，再組成超星系團。
暗物質和暗能量的存在對宇宙的結構有著決定性作用。兩者合起來，共佔全宇宙質量的96%之多。因此，科學家正在極力試圖探究其背後的物理原理。
天文學和天體物理學與其他科學領域有著密切的跨學科關係。考古天文學利用考古學和人類學證據，研究遠古或傳統天文學在文化中的角色和地位。天體生物學研究生物系統在宇宙中的起源、演化和分佈，並特別關注地外生物能否存在，人類又如何能探測這些生命這些問題。將統計學方法應用在分析不可勝計的天文觀測數據上。
天體化學研究宇宙中化學物質的形成和反應。宇宙化學專門研究太陽系內化學物質的分佈、來源以及同位素比率的變化。
利用天文學的知識，解答法律、歷史上的疑問，例如驗證拍攝照片的日期或確認有關天文藝術作品的創作時間。
業餘天文學家可以自己搭建觀測器材，並舉辦星空饗宴。圖為位於美國佛蒙特州的Stellafane天文俱樂部
天文學是眾多科學領域中，業餘者能夠最大程度參與的領域。
業餘天文學家可以對各種天體和天文現象進行觀測，有的甚至會自己搭建觀測器材。最普遍的觀測對象包括：日、月、各大行星、小行星、彗星、流星雨、恆星以及星團、星系、星雲等深空天體。業餘天文俱樂部分佈在世界各地，有的會為成員提供各種幫助，從搭建器材乃至完成觀測梅西耶星表（共110個）或赫歇爾目錄（共400個）中的所有天體。
天文攝影是業餘天文學的一個分支。許多業餘天文學家會選擇專門觀測某一類天體或某一類天文現象。
大部分業餘天文學家都在可見光範圍內做觀測，但也有一小部分用可見光以外的波長進行觀測，包括在傳統天文望遠鏡上加上紅外濾光片，或使用射電望遠鏡。卡爾·央斯基在1930年代開始在無線電波長進行觀測，開創了業餘射電天文學。業餘天文學家不但可以使用自己的器材，還可以使用開放給業餘者的專業射電天文望遠鏡。
與大多數現代科學領域不同的是，業餘天文學家至今仍在為天文學作出重大的貢獻。比如，他們通過掩星的方法提高小行星軌道的測量精度，發現新彗星，又對變星做定期觀測。隨著數碼科技的提升，業餘天文攝影也有了極大的進步。
儘管隨著天文學的驚人發展，人類已經對宇宙的認知有了翻天覆地的變化，但是在今天仍然有一些至關重要的天文學未解之謎。要解答這些謎題，有可能需要新的地面或太空觀測儀器，乃至理論和實驗物理上的新發展。
*恆星質量分佈從何而來？為什麼不論初始條件如何，天文學家都會觀測到相同的初始質量函數？有待對恆星和行星的誕生過程有更深入的了解。
*宇宙中是否存在其他生命體？是否存在其他智慧生物？如果存在，應如何解決費米悖論？證實地球以外生物的存在，對許多科學和哲學問題有至關重要的意義。太陽系是平平凡凡，還是絕無僅有？
*暗物質和暗能量的本質是甚麼？這兩者在宇宙的發展和未來有著決定性作用，然而人類對它們的本質尚且一無所知。宇宙的終極命運是甚麼？
*第一批星系是如何形成的？超大質量黑洞是如何形成的？
*鋰元素在宇宙中的豐度為甚麼比大爆炸模型所預測的低四倍？
* Available at  Project Gutenberg ,  Google books
*  天文及天體物理學百科全書
*  2009國際天文年官方網站
*  美國太空總署每日一天文圖正體中文站
*  網路天文館 （臺北市立天文科學教育館）
分類:天體物理學
力學是物理學的一個分支，主要研究能量和力以及它們與物體的平衡、變形或運動的關系。
力學分支圖。
人們在日常勞動中使用杠桿、打水器具等等，逐漸認識物體受力，及平衡的情況。古希臘時代阿基米德曾對杠桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等，作了系統研究，確定它們的基本規律，初步奠定了靜力學，即平衡理論的基礎，古希臘科學家亞里斯多德也提出作用力造成運動的主張，即物體不受力，必將停止。
自文藝復興之后，科學革命興起，伽利略的自由落體運動規律，以及牛頓的三大運動定律皆奠定了動力學的基礎。力學從此開始成為一門科學。此后彈性力學和流體力學基本方程的建立，使得力學逐漸脫離物理學而成獨立學科。到20世紀初，在流體力學和固體力學中，實際應用跟數學理論的互相結合，使力學勃起來，創立了許多新理論，同時也解決了工程技術中大量關鍵性問題。
力學主要可分為古典力學及量子力學。
若以發現的時間來看，古典力學較早被發現，啟源於牛頓的三大運動定律，量子力學則是20世紀初才由許多科學家所創立。
古典力學主要研究低速或靜止的宏觀物體。開普勒、伽利略，尤其是牛頓是古典力學的奠基人。
量子力學應用範圍較廣，不過主要是針對微觀的物質。根據對應原理，量子數相當大的量子系統可以與古典力學中的行為模式相對應，使得量子力學及古典力學不會相衝突。量子力學可以解釋及預測分子、原子及基本粒子的許多行為。不過針對一般常見的巨觀系統，若使用量子力學會複雜到無法處理粒子間的交互作用，因此，巨觀系統透過古典力學的方式處理仍較為恰當。
量子力學將力學延伸到經典力學以外的範圍，而愛因斯坦的廣義相對論及狹義相對論也將原來牛頓及伽利略的力學擴展到更大的範圍。在物體速度接近光速時，因相對論而產生的效應會主導物體的行為，也會使其速度不會超過光速。量子力學也需要配合相對論進行修正，量子場論就是量子力學和狹義相對論的結合。不過量子場論和廣義相對論目前仍無法整合，這是大一統理論希望可以克服的問題。
在力學中，常用到一個名詞「物體」。物體可能是質點、拋體、太空船、星體、某些流體、某些固體、某些機械或某些土木建築。
力學中的一些分支也和所探討的「物體」特性有關。例如質點就是小的物體，在古典力學中只視為一個有質量的點。而剛體有固定的大小及尺寸，不允許形變，和質點比較，剛體增加了一些稱為自由度的參數，例如在空間中的方向。
物體也有可能是可允許形變的半剛體，如彈性體，或者根本沒有固定的形狀，如流體。這些物體可利用古典力學的方式研究，也可以利用量子力學來分析。
例如一顆棒球的運動常使用古典力學來分析，而原子核內質子及中子的行為則通常會用量子力學來描述。
在物理學的研究中，也有用「場」來描述物質的行為，稱為場論。其描述方式和力學使用的方式有些不同，可分為古典場論及量子場論。不過在實務上，場論及力學要探討的內容常常有密切的關係。例如作用在物體上的力常常是因為電磁場或重力場而產生，而當物體對其他物體產生作用力時，也常常會產生場。事實上，若以量子力學的觀點，物體也是場，可以用波函數來描述。
* Robert Stawell Ball (1871)  Experimental Mechanics  from Google books.
*   iMechanica: the web of mechanics and mechanicians
*   Mechanics Definition
*   Mechanics Blog by a Purdue University Professor
*  The Mechanics program at Virginia Tech
*  Physclips: Mechanics with animations and video clips from the University of New South Wales
*   U.S. National Committee on Theoretical and Applied Mechanics
*  Interactive learning resources for teaching Mechanics
*  The Archimedes Project
*  Engineering Fundamental Solid & Fluid Mechanics
化學是研究物質組成結構以及屬性，和它們在化學反應當中變化的科學
在化學反應當中，連接原子的鍵斷裂并重新形成，形成了具有不同性狀的物質。在一個巨熱的煉鋼爐當中，氧化鐵即一種化合物和一氧化碳形成了鐵（一種單質）和另外一種化合物：二氧化碳。
1931年的化學實驗室
在科隆大學生物化學學院實驗室中的工作檯
化學是一門研究物質的性質、組成、結構、以及變化規律的物理的子學科。化學研究的對象涉及物質之間的相互關係，或物質和能量之間的關聯。傳統的化學常常都是關於兩種或以上的物質之間的接觸和其後的變化，即化學反應，又或者是一種物質變成另一種物質的過程。這些變化有時會需要使用電磁波，當中電磁波負責激發化學作用。不過有時化學並不一定要關於物質之間的反應。光譜學研究物質與光之間的關係，而這些關係並不涉及化學反應。準確的說，化學的研究范圍是包括分子、電子、離子、原子、原子團在內的核-電子體系。
「化學」一詞，若單從字面解釋就是「變化的學問」之意。化學主要研究的是化學物質互相作用的科學。化學如同更廣義的物理皆為自然科學之基礎科學。很多人稱化學為「中心科學」，因為化學為部分科學學門的核心，連接物理概念及其他科學，如材料科學、納米技術、生物化學等。研究化學的學者稱為化學家。在化學家的概念中一切物質都是由原子或比原子更細小的物質組成，如電子、中子和質子。但化學反應都是以原子或原子團為最小結構進行的。若干原子通過某種方式結合起來可構成更復雜的結構，例如分子、離子或者晶體。
英語中的「化學」一字的語源有多種說法。一種說法認為是由「鍊金術」得名的。英語中「」一詞源於古法語的「」和阿拉伯語的「」，意為「形態變化的學問」。阿拉伯語中的「」一字則源於希臘語。亦有另一種說法認為英語中的「」一字源自埃及語中的「」，意思是「土」。
在中國，「化學」一詞最早出現在1857年墨海書館出版的期刊《六合叢談》。偉烈亞力提及王韜在其日記中記載了從戴德生處聽聞的「化學」一詞。一般認為中文中的“化學”一詞是徐壽翻譯英國人的書《化學鑒原》一書時發明的。
「化學」一詞被介紹到日本，取代了原先日語中的譯法「舍密」。
最早的化學要算是人類對火的研究。對於當時的人來說，火可以將一種物體變成另一種物體，所以成為了當時人最有興趣研究的現象。如果沒有火，人類不會發現到鐵和玻璃的煉制方法。
人類發現了黃金這種貴重的金屬之後，很多人轉移研究怎樣把其他物質變成黃金。公元前300年至1500年，煉金術士皆研究如何將一些便宜的金屬轉化成黃金，因此累積了金屬的提取和處理有關的觀察和技術。有些煉金術士主要的工作是製造藥物，中國當時亦有所謂煉丹術。2000年前，人類已廣泛使用金、銀、汞、銅、鐵和青銅。當時的人類文明，對於陶瓷、染色、釀造、造紙、火藥等在工藝方面已有一定成就，在技術經驗上，對物質變化的理解已有一定觀察和文獻累積。
早期化學家收集了很多不同物質的資料。在17世紀以前，化學成就並不大（燃素說、煉金術），其中較有成就者如羅伯特·波義耳。到了1750年，化學仍帶有神秘色彩，並為不正確的理論支配著。直到1773年，安托萬-洛朗·德·拉瓦錫提出了質量守恆定律，並以氧化還原反應解釋燃燒現象，推翻了盛行於中世紀的燃素說，才開啟了現代化學之路；他因此被尊崇為「化學之父」。接著道爾頓整合當時的化學知識，並以自身的實驗所得提出了劃時代的原子說。此後，一些化學家相繼發現了各種化學元素，後來門得列夫建立了元素週期表令化學視界更臻完備。1901年，化學家諾貝爾以其遺產成立了諾貝爾化學獎，以表揚在科學領域及其他重要領域對人類有較大貢獻者。
現代化學始於20世紀初期蓬勃發展的量子力學。萊納斯·鮑林引進量子力學解釋化學鍵的本質，得以用波函數的線性疊加來描述。質子、中子和電子的發現，使化學真正由原子尺度來理解化學反應。量子力學和電子學的發展，使得許多新型儀器得以開發，來探索和分析化合物的結構和成分，如光譜儀、色譜儀、核磁共振儀和質譜儀等。
正在做實驗的人
當代化學大致分為四大學門，各學門又有許多延伸的子學門和應用化學領域。
四大學門主要為：
* 物理化學是從物理角度分析化學原理的化學學門，可謂近代化學的原理根基。物理化學家關注於分子如何形成結構、動態變化、分子光譜的根本原理，以及平衡態等基本問題，涉及熱力學、量子力學、統計力學等重要物理領域。大體而言，物理化學為四大學門中最講求數值精確以及理論架構嚴謹的學門。
* 分析化學開發分析物質成分、結構與量的方法，使化學物質成分得以定性或定量，化學物質結構得以確定。從分析手段分，分析化學又可分為化學分析和儀器分析。分析化學是化學家最基礎的訓練之一。化學家在實驗技術和基礎知識上的訓練，皆得力於分析化學。當代分析化學著重儀器分析，常用的儀器分析手段有如下幾種：光譜法（例如紫外分光光度法、紅外光譜法、原子發射光譜法、原子吸收光譜法、X射線衍射法、拉曼光譜法等）、色譜法（例如薄層色譜法、氣相色譜法、液相色譜法、電泳法等）、電化學分析（例如伏安法、電致發光法、電導分析法等）、質譜法、能譜法等。
* 有機化學研究碳、氫、氧、氮、硫等元素組成的化合物的化學學門。有機化學主要研究有機化合物的合成途徑和方法、機構和物理性質。由於有機化學高度的應用性和悠久的發展歷史，通常被普羅大眾視為當代化學的代名詞。有機合成和新反應途徑的開發，對於藥物，天然物，生物和材料高分子的開發，都是極為重要的一環，對於化學工業有極大的影響。
* 無機化學有機化合物以外元素的化學領域，研究化合物的合成途徑和方法，機構和物理性質，最常見的分子體系為金屬化合物。有機和無機化學領域常有交疊，甚至有密不可分的趨勢。有機金屬化學就是一門結合有機和無機領域的化學。
其他延展和應用的學門：
移液器，一種生化常用的實驗儀器
* 理論化學從物理的理論去解釋各種化學現象的學門。
* 計算化學由於分子體系的複雜性，分子的反應，動態，結構，經常是無法完全以量子力學做計算的。因此計算化學提供各種簡約的計算方法，來預測並輔助實驗結果的推斷。實用性上已有諾貝爾獎的肯定，如1998年獲諾貝爾化學獎的密度泛函方法。
* 生物化學是研究生物體內發生的化學反應和相互作用的學科，被應用於研究細胞中各組分（例如：蛋白質，碳水化合物，脂類，核酸以及其他生物分子）的結構和功能。生物化學被廣泛應用於蛋白質各項化學性質的研究，特別是應用於酶促反應的研究。
* 熱化學是以熱力學的觀點來研究化學，以焓、熵等狀態函數來描述和預言化學物質穩定性和化學反應發生的結果。
* 電化學是研究各種因為電推動而發生的化學作用或者會在運作途中産生電力的化學作用的科學學門。生活中常見的各種電池就是電化學的研究成果。
* 光化學研究各種化學物質，受到各種頻率光線照射之後的化學反應變化。
* 藥物化學研究化學物質怎樣用於藥劑中，從而改變藥劑的功效，做出醫療的作用。它其實是幾個化學門派，包括有機化學、無機化學、生物化學、物理化學，及幾個不屬於化學的科學學門，包括：藥劑學、分子生物學和統計學的結合。
* 量子化學用量子力學及其他純理論手段解釋各種化學現象。
* 核子化學研究不同的次原子粒子怎樣走在一起，形成一個原子核，及研究一個原子核中的物質如何變化。
* 放射化學是化學的一個分支，旨在研究那些參與化學反應的物質屬於或帶有放射性同位素的化學反應的一門學科。例如：採用碘的放射性同位素125I標記各種蛋白質或激素，以便利用放射免疫分析技術，檢測血清標本之中相應物質的濃度。
* 天體化學研究外太空的化學物質，分析它們的成分、結構與地球上的物質有什麼不同。
* 大氣化學是一種對地球大氣層及其他星球的大氣層的研究。大氣化學都會研究環境變化途中發生過什麼化學反應，是大氣科學的一個重要分支學科。
* 環境化學研究化學物質進入不同自然環境，經物理、化學、生物反應後，形成的產物是否對人體及生態造成危害。
* 綠色化學研究怎樣從化學角度減低污染。
* 資訊化學用電腦去解決化學上的問題。
* 地球化學研究地殼中各種物質的化學特性，解釋它們的構造。
* 石油化學從化學角度研究石油及天然氣的特性及煉油技術。
* 高分子化學研究比較大的分子，即是高分子，例如發泡膠怎樣造出來和有些什麼特性。高分子化學亦會研究怎樣令很多分子結合為一粒高分子。
* 超分子化學研究共價鍵以外各種化學鍵，例如：氫鍵、范德華力、疏水效應的運作。
一粒原子是由原子核及外圍帶負電荷的電子（稱為核外電子）組成的粒子，一般而言是化學研究的最小尺度範疇。原子核通常是由質子和中子組成。與通常的物理概念不同的是，單一的質子在化學領域被認為是1H（氕)原子核，也就是說原子核內必然含有質子，但可能不含中子。
電子帶負電荷，質子帶正電荷，個數相同使得電荷平衡，令整個原子呈電中性。當核外電子數與原子核內質子數不相同時，則形成離子。通常認為離子也是原子的一種。
氦原子的結構示意圖
擁有相同質子數的同一類原子被稱為“元素”。例如，氫這種元素中所有原子都是只有一粒質子。這個概念換過來說亦可：所有原子核中有六粒質子的原子都是碳，所有原子核中有九十二粒質子的都是鈾。元素亦有另一定義，就是所有不可以用化學方法分解的物質都是元素。
在這麼多種列舉元素的方法中，最常用和最方便的莫過於元素週期表。週期表根據原子序數來排列原子，而原子序數就是一粒原子中質子的數量。因為這個奇怪的排列，排在一起的元素，無論是同一個直行、同一個橫行還是純粹在附近，都有一些大致上固定的關係。
同一種元素可能有很多個不同的核素。它們的質子數相同而中子數不同，因而化學性質相同。但由于它們的中子數不同，造成原子核穩定性不同，而造成某些核素具備放射性。同一種元素的不同核素在元素周期表內占據同一個位置，因此同一種元素的不同核素互稱同位素。例如1H（氕）與2H（氘）互稱同位素。
化學物質是指一種物體，它既確定了其化學組成，也確定了它的化學性質。嚴格的來講，混合的化合物，元素等都不能算是化學物質，只能說是化學藥品或者說化學制品。大多數我們日常生活碰到的化學品都是混合物，比如空氣、合金、生物制品。
物質的命名法在化學語言當中是最嚴格的一環。早在很久以前，化合物的命名是由其發現者自行決定的，這樣則導致了命名的困難和混亂。而現在我們最常用的還是國際純粹與應用化學聯合會  命名方法。它用一個命名系統讓所有的化合物都有一個獨有的名稱和代碼。有機化合物通過有機命名系統命名；而無機化合物通過無機命名系統命名。而通過化學索引服務，我們可以輕松的通過CAS號來找到每一個化合物的性質、特性、命名和結構。
一個分子結構式描述了化學鍵以及它在分之中所連接的原子的位置，圖上為紫杉醇的分子結構
一個分子是化合物的最基本結構，不用化學方法是拆不開的。大部分分子都是由兩個或以上原子組成，但是都有些特例，例如氦氣分子，只有一個原子。這些原子，如果多於一個，是通過化學鍵結合。
離子是帶電荷的物質，可以由原子或分子失去或得到電子形成。正離子（例如鈉離子Na+）和負離子（例如氯離子Cl?）結合可以成為電荷中性的鹽（例如食鹽NaCl）。有些離子是由幾個原子組成，而它們進行化學作用的時候又不會分離，例如磷酸根離子（PO43?）、銨離子（NH4+）。氣相的離子通常被稱為等離子體。
物質可以被分類為一種酸或者是一種堿。通常我們有幾種進行酸堿分類定義的理論。其中最簡單的要數阿累尼烏斯理論，它認為：酸是能夠在水當中電離出水合氫離子的物質；而相反堿則是在水當中電離出氫氧根離子的物質。而酸堿質子理論則認為酸是能夠在化學反應中給其他物質氫離子的物質；而堿則是相應能得到氫離子的物質。第三種理論被稱作是路易斯酸堿理論（)，它是基于形成化學鍵之上的。路易斯理論認為：酸是在鍵的形成當中接受了一對電子；而堿則是在形成鍵的過程中給予了其他物質一對電子。因此，一個物質如果對于不同的酸堿理論來說，可能在此是酸，在另外一個理論來說卻是堿。
酸性強度的衡量方法主要有兩種：第一種是阿累尼烏斯定義的也就是我們最常用的pH，它是通過衡量一個溶液當中氫離子的濃度來確定酸性的大小。它的計算方法是pH=-log10H+，也就是pH等于氫離子濃度的負對數（以10為底）。因此可以說，擁有更高濃度的氫離子溶液，其pH越低而酸性更強。第二種是定義，也就是酸解離常數（Ka），它衡量的是物質作為酸的時候給予氫離子的能力。因此一個酸性越強的物質，其Ka更高，更具有給予氫離子的的傾向。同樣的我們可以用pOH代替pH, Kb代替Ka來說明堿性強度。
氧化還原的概念和一個物質的原子獲取或者給予電子的能力有關。物質擁有氧化其他物質的能力就被成為氧化性，而此物質被成為氧化劑（)，或者成為氧化物。一個氧化劑能夠將電子從其他的物質上移走。相應的，具有還原其他物質的物質被稱作有還原性而成為還原劑或者成為還原物。一個還原試劑能夠傳遞給其他物質電子并且氧化自身。而正因為其“給予”了其他物質電子，它還被稱為供電子物。氧化還原的性質與氧化數有關－－其實真正的給予或者獲取完成的電子并不存在。所以，氧化過程被定義為增加了氧化數，而還原則是降低的氧化數。
簡單來說，氧化反應指還原劑失去電子，化合價上升；而還原反應是指氧化劑得到電子，但化合價下降。氧化和還原反應必須同時進行。
化學品泛指一切有確實化學構造及化學成份的物質，所以又稱化學物質。它們可以是元素、化合物或混合物。日常生活中，我們會遇到的東西多數都是混合物，例如合金。
一顆氯化鈉（食鹽）的結晶
化合物是一些以不同元素用固定比例結合而成的物質。成份的比例決定了它的化學特性。例如水是用氫同氧以二比一組合而成，組成水分子的三個原子之間構成了104.5度的健角。不同化合物及元素之間的變化稱為化學反應。
摩爾（，臺灣使用“莫爾”一詞）是物質的量的國際單位，符號為mol。1摩爾是所含基本微粒個數與12克的碳-12中所含原子個數相等的一系統物質的量。使用摩爾時，應指明基本微粒，可以是分子、原子、離子、電子或其他基本微粒，也可以是基本微粒的特定組合體。1摩爾物質中所含基本微粒的個數等于阿伏伽德羅常數，符號為NA，數值是6.0214129×1023，常取6.02×1023。
一種物質的摩爾質量與分子量，在使用國際單位制時，在數值上相等。
原子電子以及分子軌道
化學鍵是指組成分子或材料的粒子之間互相作用的力量，其中粒子可以是原子、離子或是分子。化學鍵的物理本質來自於粒子和粒子之間的靜電力，量子力學上意指原子間電子的波函數線性疊加。化學鍵是化學最重要的概念之一，物理理論本質由萊納斯·鮑林建立。化學家為能簡潔表述化學鍵並規避量子力學的複雜性，將化學鍵分類為共價鍵、離子鍵和金屬鍵，較弱的鍵結如氫鍵及較特殊的配位相互作用等。無論分類為何，其物理本質都是相同的。
分子間力是不同分子之間的作用力，主要有氫鍵，范德華力，親水作用／疏水作用等，這種作用力比化學鍵弱，容易打開或重新組合，但是是形成分子空間排列和架構的重要作用力，是現代化學的重要研究方向之一。
水湧上沙灘造成浪，就是水與沙的物理特性
物質有時會是液體，有時會是固體，有時會是氣體，這些叫作物質的相態。一件物質是否軟、透不透光、透光的話它的折射率是多少，這些都是一件物質的物理特性。總而言之，物理特性即是一種物質不靠化學作用都可以斷定到的特性。
氯化氫同氨發生化學反應生成氯化銨
化學反應，亦稱化學變化是一種物質轉變為另一種物質的過程，涉及分子中原子的交換和化學鍵的轉移、形成或消失。化學反應形成的改變既可令很多獨立的分子結合，也可將一個較大型的分子拆開成為很多獨立的小分子，甚至是同一分子內有原子移動，即使原子的數量沒有改變，但仍會構成化學反應。
化學變化，亦稱化學反應是一種物質轉變為另一種物質的過程，涉及分子中原子的交換和化學鍵的轉移、形成或消失。化學變化形成的改變既可令很多獨立的分子結合，也可將一個較大型的分子拆開成為很多獨立的小分子，甚至是同一分子內有原子移動，即使原子的數量沒有改變，但仍會構成化學變化。
雖然平衡概念在科學各領域都得到廣泛的應用，但在化學中，化學平衡是指化學成分中出現多種不同狀態的可能性，例如在可以彼此反應的幾種化合物的混合物中，或當物質可以以多於一種相態存在的時候。
即使有著不變的化學組成，但在平衡系統中的化學物質通常並非處於靜止狀態；這些物質的分子會互相繼續進行反應，從而產生動態平衡。因此，化學平衡描述了諸如化學成分之類的參數隨時間保持不變的狀態。
化學反應的守恆必須符合物理守恆定律，反應前後應符合：
* 質量守恒定律：一個化學反應發生，物質的總質量不會有任何變化。
* 能量守恒定律：化學反應所產生的能量總和不變，只是能量形式依照反應模式而變化。引出三個重要概念：平衡，熱力學，動力學。
* 電荷守恆定律：化學反應前後的電荷數應守恆。
* 波義耳定律（1662年，壓力和體積相關）
* 查理定律（1787年，體積和溫度相關）
* 蓋呂薩克定律（1809年，壓力與溫度相關）
* 拉烏爾定律：理想溶液在一固定溫度下，其內每一組元的蒸氣分壓與溶液內各該組元的摩爾分數成正比，其比例系數等于各該組元在純態下的蒸氣壓。（物理化學的基本定律之一）
化學工業（化工）是當代經濟活動當中重要的一部分。全球50大化學品制造商在2004年共銷售了5870億美元的業績，其中利潤占據了8.1%，其中研發成本占據了2.1%
* 無機化學是研究無機化合物的化學。
** 無機合成化學主要是經由各式各樣的無機反應來建構無機分子。
* 有機化學是研究有機化合物的結構、性質、制備的學科，又稱為碳化合物的化學。
** 有機金屬化學是有機化學和無機化學交疊的一門分支課程，研究含有金屬（包括類金屬）和碳原子鍵結的有機金屬化合物，其化學反應、合成等各種問題。
* 分析化學是開發分析物質成分、結構與量的方法，使化學物質成分得以定性或定量，化學物質結構得以確定。
** 按分析目標分，可分為定性分析與定量分析
*** 定性分析主要任務是確定物質的組分
*** 定量分析需要測定物質中各組分的含量的分析方法
** 按分析手段分，可分為化學分析與儀器分析
*** 儀器分析是用儀器的物理學方法，測量物質的物理和化學性質的參數，並實驗其變化，以此判斷其化學成份，元素含量，甚至化學結構等。
* 生物化學是研究生物體中的化學進程的一門學科，常常被簡稱為生化。
* 材料化學（材料科學或材料工程）是一個多學科領域，涉及物質的性質及其在各個科學和工程領域的應用。它是研究材料的制備或加工工藝、材料的微觀結構與材料宏觀性能三者之間的相互關系的科學。
* 核化學又稱為核子化學，研究原子核（穩定性和放射性）的反應、性質、結構、分離、鑒定等的一門學科。
* 物理化學是一門從物理學角度分析物質體系化學行為的原理、規律和方法的學科，可謂近代化學的原理根基。
* 理論化學運用非實驗的推算來解釋或預測化合物的各種現象。近年來，理論化學主要包括量子化學，即應用量子力學來解決化學問題。
** 量子化學是應用量子力學的規律和方法來研究化學問題的一門學科。
* 結構化學是研究原子、分子和晶體結構以及結構與性能之間關系的學科。近幾十年，這門學科獲得迅速發展，結構化學觀點不僅滲透到化學各個分支學科領域，同時在生物、材料、礦冶、地質等技術科學中也得到應用
其他還有諸如放射分析化學、同位素化學、輻射化學、核燃料、反應堆和裂變產物化學、地球化學、海洋化學、大氣化學、環境化學、宇宙化學、星際化學、藥物化學、神經化學、農業化學、石油化學、木材化學、土壤化學、煤化學、食品化學、化學地理學、天體化學、巖石化學、空間化學及膠體與界面化學等
羅賓森投影的2016年地球地圖
地理學是探索地球及其特徵、居民和現象的學問，研究地球表層各圈層相互作用關係，及其空間差異與變化過程的學科體系。
中國古代稱「輿地」或「輿地學」，「地理」則是指山川方域的地勢、外貌。最早的地理書籍有《禹貢》、《山海經》等。