探討物質與運動基本規律的科學。內容包括物質結構以及物質運動形式和它們之間的改變與轉化。這一定義雖闡明瞭物理學的主要特徵，但沒有將它和其他的自然科學分支明確地予以界定。首先應對物質的運動形式加上適當的限制：應該不包括與生命現象有關的運動形式，這樣就使物質科學與生命科學區分開來；進而再與涉及化學變化的運動形式加以區分，從而分清物理學與化學的界限。這裏所指的物質結構為微觀結構。更大尺度的物質聚集態，諸如地層、大氣層等屬於地球科學的領域；而地球以外的天體，乃至整個個宇宙，屬於天文學和宇宙學的領域。當然各種物質結構層次和運動形式之間必然存在相互關聯，這就構成瞭物理學與其他學科相互交叉的領域，諸如物理化學與化學物理、生物物理、地球物理、天體物理與宇宙學等。
物理學是建立在大量實驗事實的基礎上的。物理實驗的特色在於精密而定量的測量，而且應該在可控制和可重復的條件下進行。隻有在取得大量可靠數據並總結出經驗規律之後，才能建立融會貫通的理論體系。物理學的理論是采用數學形式表達的定量規律。理論一旦建立以後，就要針對特定的問題從理論推導出具體的預言，再通過進一步的實驗來證實或證偽。經過實驗物理學傢和理論物理學傢的大量工作和反復印證，物理學的理論才具有較高程度的可信性。隨著研究范圍的擴大、研究程度的深化和測量精度的提高，又會在新的水平上發現有些現象與原有理論相悖，導致對原有理論的修正和更改，在某些情況下甚至可能推翻原有理論，建立新的理論。實驗研究和理論研究是物理學研究的兩種主要工作方式。由於計算技術的飛速發展，介乎其間的計算機模擬和仿真也發揮瞭越來越重要的作用。
下面將大體上按照物理學發展的歷史來概述物理學的主要內容。
經典物理學 經典物理學為宏觀世界的物理規律。從奠基到19世紀末已基本上完備地建立起來。由於人們生活在宏觀尺度的物質世界裡，經典物理學的重要性是不言而喻的。現今它仍是物理學的重要組成部分，也構成許多工程技術的理論基礎。
經典力學 17世紀經典力學體系的確立是物理學第一次偉大的集成。經典力學實際上是將天上的行星運動（J.開普勒根據天文觀測所總結出的行星運動規律）與地面上的落體與拋體運動（伽利略揭示的規律）概括到一個規律裡，建立瞭經典力學。I.牛頓實際上建立瞭兩個定律，一個是運動定律，一個是萬有引力定律。運動定律是在力作用下物體怎樣運動的規律；萬有引力是一切物質之間都存在的一種基本相互作用力。牛頓從物理上把這兩個重要的力學規律總結出來的同時，也發展瞭數學。他也是微積分的發明人之一。由運動定律得出來的運動方程，可用數學方法具體求解。計算行星運動軌道的問題，基本上可按照牛頓定律，加上用數學方法解運動方程即可。根據現在的軌道上行星位置，倒推千百年前或預計千百年後它們的位置都是可行的，從而創立瞭天體力學。海王星的發現史就充分顯示瞭這一點。按照牛頓定律寫出運動方程，若已知粒子的位置和速度的初始條件，原則上就可求出以後任何時刻的粒子位置和速度。
到19世紀，經典力學新的發展表現為一些科學傢重新表述瞭牛頓定律。新表述的有拉格朗日方程組、哈密頓方程組，形成瞭分析力學。這些新的表述形式，在不改變實質的條件下，用新的、更簡潔的形式來表述牛頓定律。另一個方面，就是將牛頓定律推廣到大量質點構成的系統，即首先建立瞭剛體力學，隨後又出現瞭彈性力學、流體力學等。在這方面，20世紀有更大的發展，特別是流體力學，空氣動力學，這些學科與航空技術的發展密切相關，而空氣動力學的發展又和噴氣技術密切相關，進而經典力學還構成瞭航空和航天技術的理論基礎。機械振動在介質中的傳播構成瞭聲波，在19世紀後半葉瑞利建立瞭聲學的基本理論。到20世紀聲學研究的頻段從可聽聲(20～2×104赫)擴充到次聲(10−4～20赫)和超聲(2×104～1014赫)，傳播的介質也從空氣擴充到液體（如海水）和固體，一些交叉學科如建築聲學、語言聲學、電聲學、水聲學、超聲學等依次地建立起來。
經典電磁學 經典電磁學的研究對象是宏觀電磁現象。最初是由經驗總結出來的庫侖定律，用以表達電荷與電荷間的相互作用力，也表達磁極與磁極之間的相互作用力。然後，發現瞭電與磁之間的關聯，包括：H.C.奧斯特的電流磁效應，A.-M.安培的電流與電流之間相互作用的安培定律，以及M.法拉第的電磁感應定律，這樣電與磁就聯系在一起瞭。到19世紀中葉，J.C.麥克斯韋提出瞭統一的電磁場理論，概括瞭所有的宏觀電磁現象的基本規律。其核心思想是：變化的電場能產生磁場；變化著的磁場也能產生電場。在此基礎上他提瞭一套表達電磁現象基本規律的方程組，稱為麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組和洛倫茲力構成瞭經典電動力學的基礎。電磁定律與力學規律有一個很大的不同。力學考慮的相互作用，特別是萬有引力相互作用，根據牛頓的設想是超距的相互作用，沒有力的傳遞問題（當然用現代觀點看，引力也應該有傳遞問題）。從粒子的超距作用到電磁場的場的相互作用，這在觀點上有很大變化，重點從粒子轉移到場。麥克斯韋考慮電磁場的相互作用，導致後來電磁波的發現，電場和磁場不斷相互作用造成電磁波的傳播，H.R.赫茲在實驗室中實現瞭電磁波的發射。電磁波除無線電波外，還包括光波。光學在過去是與電磁學完全分開發展的，到麥克斯韋的電磁理論出現以後，光學變成瞭電磁學的分支，電學、磁學、光學得到瞭統一。這在技術上有重要意義，發電機、電動機都是建立在電磁感應基礎上的，電磁波的傳播導致現代的無線電技術的出現。電磁學直到現在，在技術上還是起主導作用的學科，因而在基礎物理學中電磁學始終保持它的重要地位。
早在認識到光是特定頻段的電磁波之前，對光學的研究即已開始。對光的傳播、反射、折射等現象的研究導致幾何光學的建立。有關光的幹涉、衍射和偏振等現象的研究導致物理光學的建立。光學是研究光的產生、傳播、性質及與物質相互作用的學科。光學不僅研究可見光，也包括紫外和紅外部分。光學方法是研究大至天體，小至微生物以至原子分子極其有效的方法。光譜研究則取得瞭有關原子與分子結構的信息，為隨後發展起來的原子物理學與分子物理學奠定堅實的理論基礎。到20世紀，可利用的電磁波的頻譜范圍又進一步擴大，包含瞭X射線與γ射線等。
經典熱學 熱學研究熱的產生和傳導，研究物質處於熱狀態下的性質和這些性質如何隨著熱狀態的變化而變化。在此基礎上開始探索熱現象的本質和普遍規律。關於熱現象的普遍規律的研究稱為熱力學。但科學傢不滿足於單純在宏觀層次上來描述，企圖從分子和原子的微觀層次上來闡明物理規律。氣體動理論便應運而生，闡明瞭氣體物態方程、氣體導熱性與粘滯性等物性參量的微觀基礎。顯然，1摩爾氣體中的分子數高達1023的量級，要追蹤每一個分子，列出其運動方程來求解，是不可能的。因而隻能采用概率和統計的方法，雖丟掉許多細節，但抓住瞭總的演變趨勢，這就是L.玻耳茲曼與J.W.吉佈斯所發展的經典統計力學。熱力學與統計物理學的發展，促使物理學傢接觸到具體的物性問題，加強瞭物理學與化學的聯系，建立瞭物理化學，但傳統的熱力學與統計物理學隻探討平衡態之間可逆過程。到20世紀，熱力學與統計物理學被推廣到不可逆過程和非平衡態，與之相應的是涉及凝聚態物質的物理動力學也得到瞭發展。
向現代物理學的過渡 以相對論和量子力學為標志。
相對論 19世紀的科學傢不滿足於用麥克斯韋方程組來解釋電磁現象，熱衷於采用機械模型來說明問題，即使是麥克斯韋本人也不例外。以太被引入作為真空中傳播電磁波的介質。A.A.邁克耳孫與F.W.莫雷設計瞭精巧的實驗來驗證物體和以太的相對運動，取得瞭負的結果。A.愛因斯坦提出瞭狹義相對論(1905)，其物理洞見在於摒棄瞭不必要的以太假設，肯定電磁學的規律對於一切慣性參考系都是成立的，且具有相同的形式，真空中的光速不變，不同慣性系之間的變換關系為洛倫茲變換。大傢知道，經典力學對於慣性參考系才成立，而不同慣性系之間的變換關系為伽利略變換。這樣經典力學和經典電磁學之間就存在矛盾。A.愛因斯坦肯定瞭經典電磁學，而對經典力學作瞭相應的修正，摒棄瞭牛頓的絕對的時空觀，認為空間、時間與運動有關，並首創性地提出瞭質量與能量的對等關系，將牛頓力學修正後成功地應用於物體高速運動的情形。
牛頓力學的另一局限性表現在它不能圓滿地解釋強引力場中物體的運動，這從它無法定量解釋水星軌道近日點的進動問題而初露端倪。另一個帶根本性的問題是它對萬有引力的存在沒有任何理論解釋。1916年，愛因斯坦創立瞭廣義相對論。這一理論的出發點在於肯定慣性質量與引力質量等同的等效原理，將非慣性參考系中觀測到的慣性力與局域的引力等同起來，進而提出一切參考系均有相同的物理規律這一廣義相對性原理，而引力被理解為空間彎曲的必然結果。廣義相對論成功地預言瞭一些效應，如強引力場中光線的彎曲，引力場與光譜線頻移的關系，並用空間的彎曲很自然地解釋瞭引力的存在。由於廣義相對論是針對強引力場和大質量物體而提出來的，因而廣泛應用於天體物理學，也構成瞭現代宇宙學的基礎。
量子物理學 相對論如果是消除瞭經典物理學的內在矛盾並推廣其應用范圍，量子論則是開啟瞭微觀物理學的新天地。在19世紀，化學傢J.道爾頓提出瞭原子論，物理學傢也提出由原子–分子微觀運動的概念來構築分子動理論和統計物理學。特別是物理學傢L.玻耳茲曼在發展原子–分子運動理論和推動統計物理學的發展上，作出瞭傑出的貢獻。愛因斯坦於1905年提出佈朗運動的理論，為分子運動的圖像提供瞭有力的支持。隨後，J.B.佩蘭的實驗觀測提供瞭更加確鑿的證據。
在明確瞭宏觀世界之外存在有微觀世界後，進一步的問題在於探索微觀世界的物理規律。19世紀末的一系列重要發現，對這方面的研究起瞭很大促進作用：1895年W.K.倫琴發現瞭X射線，隨後X射線成為揭示物質的微觀結構的重要工具；1896年H.貝可勒爾發現瞭放射性，隨後居裡夫婦發現瞭強放射性元素鐳，E.盧瑟福確認瞭α、β、γ射線的本質，這些工作拉開瞭原子核科學研究的序幕。1897年，J.J.湯姆孫發現瞭電子，隨後電子被作為重要的工具應用於研究物質的微觀結構，而控制電子的電子元器件則成為現代信息技術的基礎。
如果說證實原子與分子的存在意味著揭示物質結構在微小尺度上具有不連續性，那麼早期量子論則揭示瞭能量在微小尺度上的不連續性。1900年，M.普朗克為擬合黑體輻射能量分佈的實驗數據，在經典物理學的理論無效之後，提出瞭包括作用量子h的量子論。h就是如今大傢熟知的普朗克常數。1905年，愛因斯坦根據光電效應存在能量閾值的規律提出瞭在物理上更明確的具有能量為hν的光量子這一種基本粒子。1911年，盧瑟福根據金箔對於α粒子的大角度散射實驗結果，提出瞭有核的原子模型（見原子結構）。1913年，N.玻爾提出瞭量子論的原子模型，認為原子中的電子處於確定的軌道上，處於定態，而束縛定態的能量是量子化的，在定態之間的量子躍遷則導致發光。玻爾用這種半經典的量子理論相當成功地解釋瞭氫原子的光譜線系，但對於更復雜的原子光譜問題則遇到瞭困難。科學傢需要發展更全面的量子理論。1924年，L.V.德佈羅意正確地提出，正如電磁波具有粒子性質（光子）一樣，而具有粒子性質的電子等也應具有波動性。1925～1926年，W.K.海森伯與E.薛定諤分別完成瞭量子力學的兩種表述，即矩陣力學與波動力學，強調瞭波動與粒子的二象性。電子衍射的實驗結果證實瞭電子具有波動性，而量子力學的理論全面地解讀瞭紛紜繁復的原子光譜實驗結果，一舉在原則上解決瞭原子結構的問題，並為闡明化學元素周期表奠定瞭理論基礎。隨後P.A.M.狄拉克將非相對論的薛定諤方程推廣到（狹義）相對論的情形，建立瞭狄拉克方程，為量子力學作瞭重要的補充。這樣微觀世界的物理規律終於確立。
處理多粒子的量子統計力學在這段時間內也建立起來。微觀同類粒子具有不可分辨性，而且粒子還有自旋和宇稱，自旋為h/2π的半奇數的粒子（費米子）服從費米–狄拉克統計；自旋為h/2π整數倍的粒子（波色子）則服從玻色–愛因斯坦統計。這樣科學傢就掌握瞭大量微觀粒子的統計規律。
現代物理學 量子力學確立之後，物理學進入瞭現代物理學新的時期。下面就以實驗和理論這兩條主線，對此作一概括的介紹。
實驗技術 20世紀是實驗技術突飛猛進的時期。早期盧瑟福的粒子散射實驗為隨後的原子核物理學與粒子物理學的研究樹立瞭樣板。但技術上的改進是多方面的。轟擊靶的粒子束有質子、中子、電子、光子和各種離子等。30年代初中子被發現後，由於其散射截面大，容易引起核反應，受到學術界的重視。E.費米及其合作者用中子來轟擊周期表中不同元素，發現瞭一系列的核反應和新的放射性元素。1938年，O.哈恩與L.邁特納終於發現和確認鈾的裂變。隨後原子核裂變的鏈式反應得以實現，導致瞭核裂變反應堆的問世。隨後，輕元素的核聚變提供瞭另一種核能源。但可控的聚變能的和平利用還要經歷漫長的發展過程。
到30年代，科學傢開始認識到天然放射性元素發射的粒子能量太低，束流也不夠強，在這種情況下發展瞭加速器技術，早期有高壓倍加器和靜電加速器，主流是E.O.勞倫斯開創的回旋加速器及其變型。以後加速器的能量要求越來越高，技術越來越精。能量已從早期的兆電子伏量級升高到如今的太電子伏量級。加速器為原子核物理和粒子物理的研究提供瞭必要的實驗保證，發現瞭幾百種粒子。與之並行發展的還有粒子檢測技術，從早期的蓋革–米勒計數器、雲霧室，到照相乳膠、氣泡室、火花室和閃爍晶體列陣等。雖然技術的進展十分引人註目，但許多物理實驗的基本思路，如通過質子對高能電子的深度非彈性散射來論證質子具有誇克結構，仍然和盧瑟福的原型實驗十分相似。加速器與反應堆也被用於非核物理學以至於其他科學的研究，同步輻射和高通量中子源就是例證。
四種基本力的主要特征| 力的類型 | 引力 | 弱力 | 電磁力 | 強力 |
|---|---|---|---|---|
| 強度 | 約10−40 | 約10−10 |
|
約1 |
| 力程 | r→∞ | r＜10−16m | r→∞ | r約10−15～10−16m |
| 反應速度 | τ約10−18s直到15min | τ約10−21s | τ約10−23s | |
| 規范玻色子 | 引力子？ | 中間玻色子 | 光子 | 膠子 |
| 作用對象 | 一切物質 | 強子、輕子 | 帶電及帶磁矩粒子 | 強子、誇克 |
| 典型現象 | 宇宙演化 | β衰變、中微子反應 | 原子和分子力、安培力 | 強子的產生 |
| 理論 | 廣義相對論 | 電弱統一理論 | 量子電動力學 | 量子色動力學 |
另一高速發展是基於物理觀測技術的天文望遠術。光學望遠鏡越做越大；由雷達技術推動而發展起來的射電望遠鏡也朝向巨型發展；依據射電望遠鏡發展起來的綜合孔徑技術也反饋到光學望遠鏡的技術中。新波段（如紅外、X射線和γ射線）的望遠技術得到瞭發展，帶動瞭新的檢測技術的進步。為瞭超越大氣層的吸收和幹擾，還將望遠鏡放到太空中去，如哈勃空間望遠鏡、錢德拉望遠鏡、康普頓望遠鏡等。大量天體譜線紅移的數據為宇宙膨脹提供證據，宇宙微波背景輻射、脈沖星、類星體、黑洞及γ射線暴等重大發現，為理論天體物理和宇宙學提供瞭大量數據，使星體和宇宙成為檢驗物理理論的龐大實驗室。現代高能物理學（包括部分原子核物理）及天體物理學已經成為大科學的主宰領域。
20世紀20～30年代，光譜學研究為原子物理學的建立奠定瞭基礎。但第二次世界大戰中雷達技術的發展又為微波波譜及磁共振的研究提供瞭機遇。50年代初，首先在微波頻段實現瞭受激發射，隨後轉移到光學頻段，導致激光器的問世。激光技術引起瞭光學和光譜學的一場革命，促進瞭量子光學的誕生，影響十分深遠。應該指出，早在1917年愛因斯坦就提出瞭受激發射的理論，而實驗室中的實現卻延遲到40年之後。激光技術引入物理實驗室，為小型精巧的實驗研究提供瞭機會。
X射線衍射和由之派生的電子衍射與中子衍射，導致瞭晶體結構分析的發展。它為凝聚態物理和材料科學奠定基礎，亦大大地促進瞭化學、生物學和礦物學的研究。電子顯微術超越瞭光學顯微術的分辨極限，並實現瞭原子尺度的成像。80年代以後，掃描隧道顯微術發展成為類型繁多的顯微探針技術，不僅實現瞭原子尺度的成像，還實現瞭多種原子尺度的測量和控制技術，充分顯示瞭微加工實驗技術富有很大的生命力。
為消除熱運動對凝聚態物質中許多現象的幹擾，將試樣冷卻到低溫下進行研究成為重要的手段。現代低溫技術始於氦的液化(4.2K)，進一步采取稀釋致冷可以達到mK的溫度，再進行核退磁致冷，可以達到μK的量級。現發展起來的激光冷卻，再加上蒸發致冷，可使原子氣體達到μK以下的溫度。低溫物性的研究取得許多重要的成果：金屬與合金的超導電性，4He和3He液體的超流動性，多種非常規的超導電性和高溫超導電性[如有機化合物、重費米子、銅氧化物超導電性的超導轉變溫度已高於液體氧的溫度(77K)]。1995年起又在μK溫度以下觀測到堿金屬氣體原子的玻色–愛因斯坦凝聚，隨後相位相幹的原子束得到瞭實驗演示，即所謂原子波激射器。
其他一些極端條件如高壓技術也受到科學界的重視。利用壓砧–圓筒裝置可獲得高達8吉帕的靜態高壓，可用來人造金剛石。金剛石鉆室技術可在微區內產生直到260吉帕的靜態高壓，成為高壓物理學研究的主要工具。利用爆炸可獲得數百到數千吉帕的動態高壓，1996年利用高溫下的動態高壓技術觀測到液態氫從絕緣體到金屬的轉變，成為實測到金屬氫的首例。高壓技術可模擬地層深處與行星內部的條件，對於地球科學和行星研究頗有意義。
強磁場技術也是物性研究的重要手段。恒定的強磁場可以用介質冷卻的電磁鐵或超導線圈來產生，單獨使用可達10～20特的量級，混合使用可達30特以上。可用脈沖方法產生50～200特脈沖強磁場，而爆炸法則可高達1 300特。
激光超短脈沖技術則提供瞬態過程的物理和化學的信息，時間間隔可以壓縮到飛(10−15)秒的量級。亦可以利用超短脈沖的光場產生瞬態的強電場與強磁場來模擬天體物理的一些條件。
晶體純度和完整性對物性有重要的影響，促使固體制備技術諸如單晶拉制、區熔提純、控制摻雜的進步。這些技術已成功地應用於光學材料和半導體材料的制備中。1947年，晶體管的發明可以說是20世紀中物理學傢所作出的取得最大經濟與社會效益的一項成就。70年代後，在超高真空技術下的結構與能譜測試手段相繼問世，開拓瞭表面物理學的新領域。以分子束外延為標志的當代薄膜與異質結制備技術的開發，引起量子納米結構（量子阱、量子線與量子點等）的研究熱潮，並向磁性材料（巨磁電阻效應）和超導電體方面延伸。許多新的物理效應的發現，諸如整數與分數量子霍耳效應、介觀量子輸運等，顯示瞭凝聚態物理尚有蓬勃發展的新領域。
理論與計算 量子力學建立之後，理論發展的一個方向是深入到更加微小尺度的微觀世界中去。首先發展的是原子核結構和動力學理論。雖然核子之間存在強相互作用，但基於平均勢場中作有效單粒子運動的殼模型也取得成功。還有強調核的集體行為的液滴模型和復合核模型，也有將單粒子運動和集體運動結合起來的綜合模型、核子配對的相互作用玻色子模型等，頗成功地說明原子核的某些性質。
進入更深層的物質結構就到達瞭粒子物理學的研究領域。20世紀50～60年代，除核子以外，又發現大量的強子（具有強相互作用的粒子），其中多數是不穩定的。1964年，M.蓋耳–曼等提出瞭強子的誇克模型，認為強子並非基本粒子，而是由具有分數電荷(1/3或2/3電子電荷)、還具有色荷（紅、藍、綠三種顏色之一）的誇克所構成的。質子的誇克結構已為實驗所證實。理論所預言三色六味的各種誇克，均被實驗所揭示，最後一種頂誇克是到1995年才被發現的。誇克雖然存在於強子結構中，但獨立存在的自由誇克卻一直沒有被觀測到。科學傢又提出誇克禁閉模型來說明這一事實。
到20世紀中葉，已明確自然界隻有四種基本相互作用，即引力、電磁力、弱力與強力（見表）。其中，引力和電磁力是長程的，而弱力與強力是短程的，限於原子核的范圍之內。愛因斯坦晚年致力於統一場論，試圖將引力和電磁力統一起來，未取得成功。量子力學建立之後，處理量子體系與互作用場的理論（量子場論）得到瞭發展。首先發展的是處理電磁相互作用的量子場論，即量子電動力學。在40年代末，利用重整化消除瞭發散的困難，使量子電動力學的理論預言得到瞭高精確度的實驗證實。楊振寧等提出瞭規范場理論為量子場論的進一步發展鋪平瞭道路。隨後，處理強相互作的量子場論、量子色動力學得到瞭發展。弱相互作用的理論始於E.費米的β衰變理論。50年代中期，楊振寧、李政道與吳健雄的工作確證瞭在弱相互作用中宇稱不守恒；60年代末，S.L.格拉肖，S.溫伯格與薩拉姆成功地將電磁相互作用與弱相互作用統一起來。在量子場論中，一些粒子被理解為場的激發態，而另一些粒子則成為傳遞相互作用的玻色子。
進一步探索各種相互作用的統一理論尚在進行之中。大統一理論企圖將統一的范圍包括強相互作用，尚有待實驗的證實。進而將引力包括在內的超大統一理論的設想也被提出。三代誇克與輕子的粒子模型、量子色動力學與電弱統一理論，被統稱為粒子物理學的標準模型，概括和預言實驗事實取得瞭非凡的成功。它預言瞭62種基本粒子，其中60種已被發現，隻剩下黑格斯粒子與引力子尚待發現。
但標準模型仍帶有唯象性質，它包含十幾個參量，而且對粒子的質量不提供理論解釋。如何超越標準模型，從更根本的微觀模型來解釋粒子物理，並將量子力學與廣義相對論融合起來，成為對理論物理學傢的重大挑戰。這方面的努力以超弦理論最引人註目。這一理論極其精巧，也推動瞭相關數學問題的研究，但尚不完備，但最終如何評價這一理論尚有待於實踐來檢驗。
當代天文學研究的大爆炸理論被稱為宇宙學標準模型。按此理論設想，宇宙起源於約140億年前的一次大爆炸：原先是時空奇點（密度和曲率為無限大），各種相互作用統一在一起。到10−43秒，發生瞭引力與其他相互作用分離的對稱性破缺，到10−36秒發生強力與其他相互作用分離，到10−10秒又發生弱力與電磁力的分離，成為如今四種基本力相互作用並存的世界（見宇宙熱歷史）。到10−6秒時，開始合成強子，到3分鐘後形成原子核，逐步形成各種原子，再經過漫長的演化逐步形成各種星系與星體。大爆炸宇宙學是建立在若幹天文學觀測基礎之上的，哈勃定律所描述的宇宙膨脹、3K宇宙微波背景輻射、宇宙原初輕元素（氫、氦）的豐度數據，現已被觀測結果所證實。它是言之有據的物理學理論，當然還有許多問題尚有待於澄清。
量子力學建立之後，理論發展的另一個方向是在於進入較大尺寸的物質體系。將量子力學應用於分子，建立瞭量子化學；將量子力學與統計物理學應用於固體，建立瞭固體物理學，隨後發展為凝聚態物理學。涉及瞭這些問題，就需要明確區分量子力學和經典物理學的各自適用的范圍。通常的提法是量子力學適用於微觀體系，而經典物理學適用於宏觀體系，這顯然不夠精確，因為也存在宏觀量子體系。對於特定粒子構成的體系，可采用量子簡並溫度（即粒子的德佈羅意波長等於粒子的平均間距對應的溫度）：
來區分。式中
h是普朗克常數，
m為粒子質量，
k為玻耳茲曼常數，
a為粒子的平均間距。如果溫度遠大於
T
0，則可采用經典物理學的理論方法來處理這一體系，否則采用量子力學的方法。至於
T
0的高低則取決於粒子的質量和體系中粒子的平均間距
a（或密度）。對於固體和液體
a約為0.3納米。對電子系統，
T
0約為
10
5K，表明處理電子系統的問題離不開量子力學。對於原子核或離子，
T
0為(50/
A)K(
A為原子質量數）。對於輕元素（如氦與氫），在低溫下要考慮量子力學的效應。因而，在通常情況下處理大量原子核（或離子）與電子的混合體系，對於電子這一子體系，必須采用量子力學的理論方法，而對於原子核這一子體系，則不妨采用經典物理學的理論方法，凝聚態物理學和量子化學由於大量采用這種混合的處理方案而取得瞭成效。但這類的電子理論涉及相互作用粒子的多體問題。基於有效場單電子近似的固體能帶理論顯然很有成效；引入適度的相互作用而發展起來的費米液體理論、巡遊電子鐵磁性理論和BCS超導理論也成績斐然；但強關聯電子體系（包括高溫超導體）仍然是一個難題，對理論物理學傢提出瞭強有力的挑戰。
如果僅關註原子（或離子）與分子常溫下的位形與動力學問題，采用經典物理學的方法是無可非議的，正如當代液體物理學和軟凝聚態物理學所作的那樣。如果涉及鍵合的細節和電子的躍遷，還是需要量子力學。低溫下的量子流體(4He與3He)突出地體現瞭量子力學效應。氣體中要體現量子力學效應，由於原子間距，簡並溫度要壓得很低。在進入20世紀90年代後，方始觀測到這類理論預期的效應，原子束光學和玻色–愛因斯坦凝聚都是例證。特高密度下的物質（如中子星），使簡並溫度高達1010K，可能使這些星體內部呈現超流性等量子力學效應。
應該指出，當代也是經典物理學復興的時代。在相變與臨界現象領域，研究瞭具有長程漲落的經典統計體系，呈現瞭普適性和標度律，發展瞭重正化群理論。經典動力學系統理論和非線性物理學都取得瞭長足的進展。像混沌、分形、孤子等概念，在交叉學科中獲得瞭廣泛的應用，成為理解復雜性的鑰匙，也為解決湍流這個長期懸而未決的難題提供瞭有意義的線索。
電子計算機的突飛猛進，對於當代物理學產生瞭異乎尋常的影響。量子化學與凝聚態電子理論的從頭計算(ab initio)方案變得切實可行，促進瞭計算材料科學這門新的交叉學科的發展。分子動理論、蒙特卡羅方法，乃至於元胞自動機為物理學的各個分支提供瞭生動的物理圖像和信息。以至於有些科學傢認為計算和計算機模擬已成為可與實驗和理論並立的科學研究的第三個支柱。
學科分劃與發展趨勢 當代物理學的研究表明，物質結構在尺度上和能量上都呈現不同的層次。明確瞭物質結構的不同層次之後，當代物理學的分支學科如何劃分的問題，也就迎刃而解（見圖）。
物理學不同分支學科與所研究結構的尺度
最微小（也是能量最高）的層次是粒子物理學（又稱為高能物理學），然後是原子核物理學。原子核物理學研究原子核的性質、相互作用和相互轉化，它的內部結構與運動，激發態和衰變與裂變特性以及原子核反應，包括核裂變和核聚變過程等。接著就是原子物理學和分子物理學。它們研究原子和分子的結構，原子、分子之間的相互作用，以及原子和分子與光的相互作用。激光器問世之後，這一學科獲得瞭新的生命力。這方面技術的進展，對其他分支學科也產生重大的影響。原子、離子或分子聚集起來構成瞭氣相、液相和固相，不同的聚集相，乃至於固液之間的中介相，如液晶、復雜流體與聚合物等軟物質。其中凝聚態物質（固相、液相和軟物質）構成瞭凝聚態物理學的研究對象，由於其結構與物性豐富多彩，新現象與新概念層出不窮，又與當代高新技術密切相關，已成為當代物理學中最龐大也是十分活躍的分支學科。另一類氣相（由宏觀中性的正負帶電粒子所構成的）就是等離子體，相應的學科是等離子體物理學。等離子體的研究是在實驗室、地球外的空間和星際中並行地發展起來的。電離層的研究，范艾侖帶與太陽風的發現表明瞭必須用等離子體物理學來考慮地球與太陽周圍的空間。而受控熱核聚變的困難又促使科學傢去研究復雜等離子體中各種不穩定性與湍流。這些又和當代流體力學所面臨的問題有不少相似性。盡管處理大塊物質的固體力學和流體力學已偏離瞭物理學的主流，但其中仍有不少問題需要物理學傢的參與。如流體的湍流與固體的塑性形變與斷裂，聚集相的復雜組合構成瞭巖石、土壤、河流、山脈、湖泊、海洋、大氣、地幔與內核等，成為地球物理學的研究對象；而細胞、器官、植物、動物及人體亦構成瞭生物物理學的研究對象。繼續擴大物質研究的空間尺度，就引導到空間物理學和行星物理的領域。進而包括太陽、恒星、星系、星系團，乃至於整個宇宙，構成瞭天體物理學和宇宙學的內容。在這裡似乎遺漏瞭一些傳統物理學的分支學科，如光學與聲學。它們的部分內容正朝向偏重技術的工程學科轉化，而另一部分則和某些結構層次的物理學相結合。如光物理就和原子與分子物理學密不可分，也和凝聚態物理學關系密切；而物理聲學則與凝聚態物理學及固體與流體力學密切相關。
從物質結構層次化的圖表來看，物理學的主要空白區域突出地顯示為圖表的底部和頂部。其一是尺度上最微小但能量最高的世界，對應的學科為粒子物理學；其二是最宏大的世界，即天體與宇宙，對應的學科為天體物理學和宇宙學。這兩者表面看來，是南轅北轍，結果卻殊途同歸，有合二為一的趨向，奇妙地體現瞭大與小的辯證統一。粒子物理學所面臨的挑戰在於探索更加細微尺度下，也就是更高能區物質結構的規律，希望能夠超越現有的標準模型，追求相互作用的進一步統一。而宇宙學標準模型則表明早期的宇宙是處於超高能的狀態。因而，高能物理學的研究，從某種意義上來說，是對宇宙進行考古學的研究。提高研究的能量范圍，就等於追溯到更早期的宇宙。高能物理和天體物理的實驗研究都屬於大科學的范疇。但大科學亦有大的難處。在冷戰時期，巨型加速器成為國力的象征，理所當然地得到國傢的支持。冷戰以後，情況顯然有所不同，需要考慮這類基礎科學研究的社會效益問題。今後的出路在於走國際合作的道路。對這兩個前沿學科現今是機遇和挑戰並存。
除瞭這兩個很明顯的前沿外，還存在一個在各個結構層次上，朝復雜物質展開的前沿問題。固體物理早期所研究的多半是簡單的物質，進一步研究中方始接觸到比較復雜的物質，當中蘊涵有許多尚待發展、挖掘的物性。元素半導體矽研究得最清楚，應用得最廣泛；然後是復雜一點的砷化鎵化合物半導體；更進一步就涉及結構更復雜的聚合物半導體。聚合物半導體研究十分引人註目，已能做出瞭聚合物晶體管。由聚合物想到瞭人的大腦問題，大腦思維復雜程度遠遠超過現代大型計算機。故從簡單物質的研究到復雜物質的研究的發展過程中，物理學應該是大有用武之地的。可以認定，物理學的前沿，應包括探討不同結構層次上復雜物質的結構與物性。
統一性與多樣性 物理學傢慣用的一個觀點是還原論。所謂還原論就是將世界分成許多小的部分，每一部分研究清楚瞭，最後拼起來問題就得到解決。盡管有許多物理學傢抱有這類觀點，但現在來看問題並不這麼簡單，基本規律知道瞭，具體規律是不是就一定能夠推出來，這個問題一直是有爭議的。應該看到，物質結構存在不同的層次，層次與層次之間是有關聯的，有耦合的，因此需要理解更深層次的一些規律。如固體的導電問題，牽涉到電子在固體中的行為問題，如果把電子在固體中的行為搞清楚，那麼對固體為什麼導電，為什麼有的是半導體、有的是金屬、有的是超導體這一類問題，就都可以得到解釋。這就有利於推動人們去研究導電現象，以及利用這些現象制出晶體管，制造集成電路來，制造超導的約瑟夫森結來為人類服務。這就說明層次與層次之間存在耦合現象。另一方面，層次與層次之間也存在脫耦現象。所謂脫耦現象，就是下一個層次的現象對上個層次未必有重要關系。如粒子物理有一個重要的發現，就是1995年發現瞭頂誇克，這對粒子物理是件大事，因為設想的幾種誇克，包括最後一種頂誇克也都被發現。但是，頂誇克的發現對固體物理或凝聚態物理沒有可以觀察到的影響。這表明層次跟層次之間，在某些情況下存在脫耦。就是說粒子物理的進一步發展，對於本身，對理解粒子的性質和宇宙早期的問題具有極大的重要性，對於原子核理論也具有一定的重要性。但它的發展，對理解相隔瞭好幾個層次的物質，就喪失瞭重要性。再如原子核的殼結構對遺傳一般說來看不出有太大的影響。這就是層次之間既存在耦合，又存在脫耦，而且大量粒子構成的體系往往湧現新的規律。
再來看看另一個所謂的層創論的觀點。如果僅知道兩三個或四五個粒子的規律，這並不能說明1020或1024個粒子的集體的規律。在每一種復雜的層次上，會有完全新的性質出現，而且對這些新的性質的研究，其基本性並不亞於其他研究。也就是說，物質結構存在不同的層次，而層次跟層次之間，往往到上一個層次就有新的規律出現。對這些新的規律的研究，其本身也具有基本性。重要的是要認識到各個層次之間既有耦合，也存在脫耦。並非是探究清楚最微觀層次的規律，就可以把世界上的問題全部解決。
盡管由於物質結構層次化的結果，使得當今的物理學傢很難精通、也不必要精通物理學的各個分支。但是物質結構在概念上是有其統一性的。類似的概念會在不同的層次上出現。如殼層結構，既可以在原子核的結構中存在，也可以在原子結構中存在。
物理學與其他自然科學的關系 物理學作為嚴格的、定量的自然科學的基礎學科之一，一直在科學技術的發展中發揮著重要的作用。過去如此，現在和將來亦復如是。這裡首先討論物理學與其他自然科學的關系，進而再論述物理學與現代技術的關系。
數學 物理學與數學的關系密切，源遠流長。歷史上有許多著名科學傢如牛頓、L.歐拉、C.F.高斯等，對於這兩門科學都作出重要貢獻。此風一直延伸到19世紀末20世紀初。當時的一些大數學傢如H.龐加萊、M.D.克列因、D.希爾伯特等，盡管學術傾向不盡相同，但都精通理論物理。到20世紀前期，數學與物理學開始有分道揚鑣的趨勢，但仍有不少有名的數學傢如H.外爾、J.馮·諾伊曼、A.N.科爾莫戈羅夫等還對理論物理甚至於具體的物理問題感興趣而且作出貢獻。總的來看，抽象數學之風日益鼎盛，到20世紀中葉因佈爾巴基學派的問世而達到新的水平高度。
轉機的出現，一方面是來自理論物理學的新發展。20世紀50年代初，楊振寧等提出的規范場論，賦予瞭微分幾何中像纖維叢這一類相當抽象的概念也具有具體的物理內容。1990年作為數學界最高榮譽的費爾茲獎破天荒地授予從事超弦理論研究的理論物理學傢威頓，表明兩大學科在重新靠攏。另一方面是電子計算機發展的結果。計算技術高速發展，不僅技術上成果累累，理論上也有其重要意義。過去物理學所樂道的是運動方程式的可積問題，特別是可以將物理解以解析函數來表示（如諧振子、二體運動等），顯示出對於運動狀態高度精確的可預測性。但可積問題隻是少數特殊情況，多數的問題是不可積的，由於數學上求解困難，隻有數值計算的結果，因而對於這類問題的物理本質理解不透。計算技術的進展大大地促進瞭這一領域的發展，為現代非線性物理這一新學科分支奠定瞭基礎。
天文學 物理學與天文學的關系更是密不可分，可追溯到早期的開普勒與牛頓。到當代提供天文學信息的已從可見光擴展到從無線電波到X射線寬廣的電磁波頻段，必然采用現代物理所提供的各種探測手段。而宇宙空間提供瞭地球上實驗室所不具備的極端條件，如高溫、高壓、高能粒子、強引力等，構成瞭檢驗物理學理論的理想的實驗室。因此，幾乎所有的廣義相對論的證據都來自天文觀測。正電子和μ子都是首先在宇宙線研究中觀測到的，為粒子物理學的創建作出瞭貢獻。H.A.貝特的熱核反應理論首先是為解釋太陽能源問題而提出的。L.D.朗道、J.R.奧本海默等人的中子星理論由A.海威什與J.貝爾發現瞭脈沖星而得到證實。而現代宇宙論的標準模型大爆炸理論，是完全建立在粒子物理理論基礎上的。從20世紀70年代以來，諾貝爾物理獎不僅授予物理學傢，也授予天文學傢，這也是天文學與現代物理學密不可分的一個標志。
化學 物理學與化學息息相關。熱力學、統計物理和量子力學都在化學中得到重要應用。19世紀J.W.吉佈斯的工作橫跨瞭這兩個學科。20世紀的P.J.W.德拜、L.昂薩格也復如是。但是，在物理學與化學之間也存在阻梗理解的壁障。經典物理學幾乎將所有涉及具體材料的物性問題讓給瞭化學，它本身隻關心較理想化的簡單系統。量子力學誕生後，固體物理學得到發展，情況就有很大的改變，但思維的慣性仍然存在。物理學傢看到包括許多苯環的復雜分子結構式，往往望而生畏；同時又不滿足甚至輕視從大量實驗結果總結出來的經驗規律。另外，概念與術語上的差異也是一個現實問題。如談到固體的電子結構，化學傢習用由量子化學導來的化學鍵；而物理學傢則立論於以固體物理學引入的能帶。隨著固體物理學發展為凝聚態物理學，研究的對象日益深入到更加復雜的物質結構的層次。就超導體而言，從合金超導體到氧化物和有機超導體，都反映瞭結構復雜化的趨勢，化學傢的配合與參與愈加重要。凝聚態物理學的概念和方法促進瞭液晶科學、高分子科學和分子膜科學的日趨成熟，導致瞭軟物質科學的建立。另一方面，化學反應動力學這一化學的基本問題，也得到瞭分子束、激光等實驗技術的推動。它和量子力學、統計物理、原子物理、分子物理等理論分析的配合，成為當今化學發展的前沿領域。在原子、分子和大塊凝聚態物質之間新開辟的研究領域，即團簇，得到物理學界和化學界的共同關註。
生物學 從聚合物和復雜結構的分子再前進一步就到達生物大分子，接觸到分子生物學的核心問題。從19世紀起，生物學傢在生物遺傳方面進行瞭大量的研究工作，他們在前人所得規律的基礎上於20世紀提出瞭基因的假設。當時對基因的物質基礎問題，仍是一個疑問和挑戰。在40年代，物理學傢M.德爾佈呂克和E.薛定諤對生命的基本問題，提出瞭遺傳密碼存儲於非周期晶體的觀點，並在薛定諤的《生命是什麼？》中進行瞭闡述。幾乎同時，英國劍橋大學的卡文迪什實驗室在佈拉格的領導之下，開展瞭對肌紅蛋白和血紅蛋白的X射線結構分析，持續時間超過25年，為此J.C.肯德魯與M.F.佩魯茲於1962共同獲得諾貝爾化學獎，推動瞭對生物大分子結構的物理學研究。美國化學傢L.鮑林利用他熟諳的化學知識，利用搭模型的方法，解決瞭α螺旋的晶體結構。受德爾佈呂克與薛定諤的影響，生物學傢J.D.沃森與物理學傢F.H.C.克裡克，在晶體學傢R.E.富蘭克林與M.威爾金斯的X射線衍射圖的啟發下，采用搭模型的捷徑，在卡文迪什實驗室定出瞭DNA的晶體結構，揭示瞭遺傳密碼的本質，這是20世紀生物科學的最重大的突破。人類的基因組測序的工作業已完成，如何利用這些珍貴的資料來發展生物學是當前生物學傢面臨的重大的挑戰。顯然這需要物理學傢的參與。當今生物物理學傢是大有可為的。隨著單分子操縱與探測技術的發展，已經可以對細胞與分子層次的生化功能過程進行實時單分子探測和實驗，為生命科學從定性走向定量以來革命性進展。單分子研究、DNA動力學模型、神經系統物理學、亞細胞結構物理學、生物物理學復雜系統、生物分子結構與動力學、生物納米技術與表面科學等，代表瞭21世紀理論與應用生物物理的發展全貌。
地球科學 20世紀地球科學的重大突破在於板塊理論的確立。1945年以後，物理學傢P.M.S.佈萊克特倡導巖石磁學的研究，形成瞭古磁學這一新的交叉學科。後來，在大西洋脊附近的古磁學研究中揭示瞭洋脊擴展的時序，為板塊理論的確立奠定瞭基礎。板塊運動的驅動力問題，又涉及下地幔的緩慢對流問題，是非線性科學中的一個課題。地球的內核也存在著許多挑戰性的疑難問題，諸如地球磁場的產生及其反轉等。大氣物理學是氣象學與物理學相接觸的領域，兩者存在強烈的相互作用。氣象學中有重要意義的洛斯貝渦旋，以及氣象學傢E.N.洛倫茲為探討長期天氣預報的可能性而導出的洛倫茲方程，在現代非線性科學中扮演重要的角色。
物理學與技術的關系 物理學一直和現代技術有密切關系。一般而論，它與技術的關系存在兩種基本模式：其一是由於生產實踐的需要而創建瞭技術（如蒸汽機等熱機技術），然後提高到理論上來（建立瞭熱力學），再反饋到技術中去，促進技術的進步。其二是先在實驗室中揭示基本規律，建立完整的理論，再在生產中發展全新的技術部門。19世紀電磁學的發展，提供瞭這一模式的范例，創建瞭現代的電機工程與無線電技術。在當今世界中，上述的兩種模式都還在起作用。從物理學的角度來看，第二類模式的重要性越發明顯。
經典物理學已經孕育出一系列的工程技術，諸如建立在經典力學基礎上的機械工程、土木建築工程和航空航天工程，建立在經典電磁學基礎上的電機工程、無線電工程和電子工程，建立在熱力學上的有動力工程和工程熱物理。下面就現代物理學的基礎研究在信息、材料、能源等當代技術中所起的突出作用，作一概略的敘述。
①信息技術。信息技術在現代工業中的地位，日趨重要。計算技術、通信技術和控制技術已經從根本上改變瞭當代社會的面貌。
信息技術的物理基礎首先體現在電子學的建立。第一代信息技術所用的電子器件是真空電子管。早在19世紀末，J.J.湯姆孫在陰極射線的研究中發現瞭電子，隨後L.F.李查孫通過熱電子發射的基礎研究，對於發展真空電子管技術起瞭關鍵作用。應該說真空電子管技術的重要性已經減弱，但有些地方仍然未被取代，如雷達技術中磁控管與速調管，電視技術中顯像管等。第二代信息技術所用電子器件中則是半導體晶體管。
1947年貝爾實驗室的J.巴丁、W.H.佈拉坦與W.B.肖克萊發明瞭晶體管標志瞭信息時代的開始。他們的發明是基於量子力學的固體能帶理論啟發下進行的，又有堅實的材料研究作為基礎。隨即發展瞭一系列半導體器件，建立瞭半導體工業。從離散的半導體器件到將有源器件和無源元件合為一體，即集成電路，又是一個飛躍，這是在50年代末實現的。而後集成電路向微型化方向發展，集成度約以每兩年翻一倍的摩爾定律在增長。在40年代中建成的第一臺大型電子計算機ENIAC，使用瞭18 000個真空管，1 500個繼電器，幾十萬枚電阻器與電容器，自重30噸，耗電200千瓦。而今天一臺筆記本計算機的性能完全可以超過它，顯示瞭半導體技術對電子計算機發展的決定性影響。
集成電路的微型化基本上是采用工藝手段使電路的幾何尺寸縮小。最關鍵的是光刻技術；多種物理手段，如紫外線、電子束和X射線（包括同步輻射），用來減小刻線的細度。工業生產上已達到0.12微米左右，實驗室中卻由亞微米向納米推進。但微型化必然存在物理的極限。研究表明，到瞭幾十納米的量級，量子限制效應即已凸現出來。原來半導體器件工作的原理就不再適用。十多年以後，可能需要用全新的技術來取代業已成熟半導體芯片工藝。量子阱、量子線、量子點等這類呈現新的物理效應的器件，都已受到重視。
芯片性能的提高，取決於電路的運算速率和能耗的降低。用高遷移率的量子阱來代替常規的矽器件，在物理上是可行的。對於以砷化鎵為基質的集成電路的研制工作也早已在進行。但砷化鎵材料的質量控制比矽要困難得多，一系列工藝技術尚難於達到矽的水平，因而要用砷化鎵集成電路來取代矽還並不現實。
激光器的發明導致瞭光子學作為信息技術的另一物理支柱。早在1917年，愛因斯坦就認識到兩能級的輻射中必須引入與受激吸收相對應的受激發射。但由於在熱平衡態，在高能級上的粒子數小於低能級上的粒子數，因而受激發射為受激吸收所掩蓋。50年代初C.H.湯斯及A.M.普羅霍羅夫與N.G.巴索夫分別使氨分子束實現瞭粒子數反轉，觀察到微波的受激發射。1958年，湯斯與A.L.肖洛提出瞭利用法佈裡·珀羅幹涉儀作為腔體實現光的受激發射的激光器的設想。1960年，T.H.梅曼制出瞭第一臺紅寶石激光器，為光子學揭開瞭序幕。激光器一經問世，首先想到的重要應用就是光通信，因為高頻的光波具有更大通信容量。但早期的進展都令人沮喪。激光器問世15周年時，雖然在測距、加工、準直、計量等方面取得瞭重要的成果，唯獨光通信仍然停滯不前。在貝爾實驗室，由於科學傢的遠見卓識和鍥而不舍，研制出瞭低損耗的光纖，研制出穩定可靠、壽命超過一萬小時的半導體激光器。這樣就使光通信走出實驗室成為一種重要的現代通信手段。光子學的發展，人們設想用光計算機來取代電子計算機。光的傳播速度高，光的信息處理是平行式，對圖像的處理應有其突出的優越性。光計算機的基本元件是高速的光雙穩態元件，量子阱就是一個候選者。應該指出，光計算機尚處於探索的階段，離實用還有相當的距離。當然，在電子計算機中采用部分的光學部件，如用於存儲信息的光盤業已大量應用。
鐵磁性或亞鐵磁性物質構成的磁存儲器一直是計算機的重要配件。但傳統的電子器件隻是應用瞭電荷的輸運，而忽略瞭自旋的輸運。1988年A.費爾等在鐵磁與非鐵磁金屬多層膜中發現瞭巨磁電阻效應，自旋輸運問題取得瞭突破。幾年後自旋閥問世，用於硬盤的讀出磁頭。另外，隧道磁電阻效應作為可擦除的磁隨機存儲器也可能獲得更大規模的應用，從自旋電子學基礎研究脫穎而出的這項新技術，受到科技界的普遍關註。操縱自旋輸運比操縱電荷輸運所需的能耗更小。再有如何將自旋極化的電流註入半導體，如何獲得居裡點高於室溫的鐵磁半導體等研究，在信息技術中的可能應用有遠大的前程。
1962年，B.D.約瑟夫森提出瞭超導電子對的隧道效應並獲得實驗的證實後，電子學又產生瞭一個新分支，即超導電子學。兩個或更多個約瑟夫森結可以組成超導量子幹涉器件。SQUID除在實驗室中作為精密測量磁場的儀器外，在地質探礦和測量人體的微弱磁性方面都有重要的應用。超導體也用於微波技術，可以作為高Q諧振腔的材料。而約瑟夫森結也可用於探測微波、毫米波和亞毫米波。SQUID也可作為門電路，用於計算機的邏輯元件。
1949年，C.E.香農創立的信息論是建立在經典統計物理的基礎上的，它提供瞭現代信息技術的理論基礎。到20世紀的90年代，科學傢發展瞭量子信息理論。基於量子力學的疊加原理，量子位(qubit)同時是既為0又為1，與經典位（0與1中選取一種）截然不同。許多實驗已演示瞭少數量子位的實現。量子信息的發展將是本世紀中值得關註的一件事，將來能否發展為重要實用技術還很難說。但至少在某些特殊的信息技術領域中可能有用，如量子密碼學就已經接近於實用化。
②材料技術。材料技術的核心為新材料的研制和傳統材料性能的提高。20世紀初，基於熱力學的復相平衡規律的應用，為研究材料相圖與相結構提供瞭依據，進而相變動力學理論得到瞭發展。到30年代，固體能帶理論提供瞭理解材料電子性質的依據，晶體的位錯理論為理解金屬的塑性提供瞭依據。到40年代，物理金屬學或金屬物理學得以建立。對於鍺、矽等半導體的研究，揭開瞭材料技術的新篇章。區熔提純、單晶制備、外延生長、摻雜工藝等方法相繼問世，徹底變革瞭材料工藝的面貌。這方面的研究工作，除瞭在半導體器件上開花結果外，也促使材料科學在定量化、微觀化和現代化方面邁出瞭一大步。
對金屬材料行之有效的多種研究方法也成功地向陶瓷材料的領域延拓。鐵氧體與鐵電體等新型功能材料也豐富瞭陶瓷學的內涵。到60年代，物理陶瓷學趨於成熟。
金屬、半導體和陶瓷共同點較多：以晶態為主，輔以非晶態的玻璃。而以高分子為主的有機材料的發展途徑和研究工具與無機材料有較大的差異。高分子科學的研究始於20世紀。通過H.施陶丁格、W.庫恩與P.J.弗洛裡等化學傢的努力，高分子科學也趨於成熟。到20世紀70年代，液晶物理學受到物理學傢的關註。隨後，P.-G.德·熱納等人又將臨界現象的標度律引入高分子科學，並關註於膠體或更復雜的系統，如水、油與表面活性劑的混合物等，從而引發瞭處理軟物質的材料科學的誕生，使材料科學朝向一體化方向邁出瞭一大步。
③能源。能源的取得和利用是工業生產的大事。20世紀物理學的一項重大貢獻在於核能的利用。然而，核電事業的發展速度和普及程度並沒有達到40～50年代科學界的期望。其原因是多方面的，但核電廠已是工業上的現實。在中國大亞灣、秦山等核電廠的建設，核電的發展已提到瞭工業發展的議事日程上。如何進一步降低成本，充分而經濟地利用核燃料，將是一個重要的研究方向。如果說核裂變能的利用是今天的現實，則核聚變能的研究便是為解決21世紀的能源問題開辟道路。可控熱核聚變能的研究，比原來預期要困難得多，但還是在向前推進。在能源和動力方面，可無損耗地傳輸電流的超導體的廣泛應用，也可能導致一場革命。在液氦溫區工作的常規超導體所繞成的線圈，已在粒子加速器，磁流體發電裝置乃至托卡馬克裝置等大型實驗設備中用來產生強磁場，可節約大量電能；在發電機和電動機上應用超導體，已制成接近實用規模的試驗性樣機；超導儲能、超導輸電和磁懸浮列車等的應用前景與開發的價值是不言而喻的。自從1987年液氮溫區的超導體問世以來，它在強電中的應用前景是最激動人心的。通過15年的努力，這方面應用的物理可行性已得到證實：已經掌握制備長線材的工藝技術，但還需要進一步降低成本。2001年初日本科學傢又發現金屬間化合物MgB2的Tc（超導臨界溫度）為39K，雖然不及氧化物超導體，但加工容易，某些應用有可能後來居上。太陽能的利用也對物理學提出瞭挑戰，如何制出價廉而高效的太陽能電池將是一個關鍵性的問題。至於更加常規的能源利用，如石油勘探、煤的燃燒、氫能的利用、節能技術等，也有不少涉及物理學的問題有待於進一步研究。
④其他。除瞭信息、材料、能源技術之外，醫療衛生技術也是物理學發揮作用甚大的領域：諸如X射線透視和層析技術，核磁共振透視與層析技術等，引發瞭診斷技術的革命；放射線元素和加速器的利用提供瞭治癌的有效手段。高能物理學是探索微觀世界最基本規律——基本粒子及其相互作用的學科領域，涉及大量數據的提取、處理和傳輸，因而在信息處理和網絡技術中發揮瞭極其關鍵性的作用。歐洲核子研究中心(CERN)為因特網的誕生作出瞭貢獻，而中國科學院高能物理研究所也為中國因特網的建立起瞭關鍵的作用。20世紀的30年代愛因斯坦與玻爾曾對量子力學的理論解釋展開激烈的爭議。1935年愛因斯坦及其合作者曾經提出EPR佯謬，來非難量子力學的流行解釋。但20世紀80年代實驗證實瞭EPR態確實存在，並構成瞭當今迅速發展中的量子信息技術的基礎。一場帶哲學意味的爭論產生瞭技術性的後果，也是始料不及的。這說明在基礎科學與技術應用的問題上，不能采取過於急功近利的態度。