量子頻率標準
物理學研究宇宙間物質存在的各種主要的基本形式，它們的性質、運動和轉化以及內部結構；從而認識這些結構的組元及其相互作用、運動和轉化的基本規律。地學和生命科學都是自然科學的重要方面，有重要的社會作用，但是像地球這樣有生物的行星在宇宙中卻是少見的，所以地學和生命科學不屬於物理學範圍。當然，物理學所發現的基本規律，即使在地球現象和生命現象中，也起著重要作用。
物理學的各分支學科是按物質的不同存在形式和不同運動形式劃分的。人對自然界的認識來源於實踐，而實踐的廣度和深度有著歷史的侷限性。隨著實踐的擴充套件和深入，物理學的內容也不斷擴充套件和深入。新的分支學科陸續形成；已有的分支學科日趨成熟，應用也日益廣泛。早在古代就形成的天文學和起源於古代鍊金術的化學，始終保持著獨立的地位，沒有被納入物理學的範圍。在天文學和物理學之間、化學和物理學之間存在著密切的聯絡，物理學所發現的基本規律在天文現象和化學現象中也起著日益深刻的作用。
客觀世界是一個內部存在著普遍聯絡的統一體。隨著物理學各分支科學的發展，人們發現物質的不同存在形式和不同運動形式之間存在著聯絡，於是各分支學科之間開始互相滲透。物理學逐步發展成為各分支學科彼此密切聯絡的統一整體。物理學家力圖尋找一切物理現象的基本規律，從而去統一地理解一切物理現象。這種努力雖然逐步有所進展，使得這一目標有時顯得很接近；但與此同時，新的物理現象又不斷出現，使這一目標又變得更遙遠。看來人們對客觀世界的探索、研究是無窮無盡的。以下大體按照物理學的歷史發展過程來敘述物理學的發展及其內容。
經典力學研究巨集觀物體低速機械運動的現象和規律，巨集觀是相對於原子等微觀粒子而言的。人們在日常生活中直接接觸到的物體常常包含巨量的原子，因此是巨集觀物體。低速是相對於光速而言的。最快的噴氣客機的速度一般也不到光速的一百萬分之一，在物理學中仍算是低速。物體的空間位置隨時間變化稱為機械運動。人們日常生活直接接觸到的並首先加以研究的都是巨集觀低速的機械運動。
自遠古以來，由於農業生產需要確定季節，人們就進行天文觀察。16世紀後期，人們對行星繞太陽的運動進行了詳細、精密的觀察。17世紀J.開普勒從這些觀察結果中總結出了行星繞日運動的三條經驗規律。差不多在同一時期，伽利略進行了落體和拋物體的實驗研究，從而提出關於機械運動的初步的現象性理論，並把用實驗驗證理論結果的方法引入了物理學。I.牛頓深入研究了這些經驗規律和初步的現象性理論，發現了巨集觀低速機械運動的基本規律：包括三條牛頓運動定律和萬有引力定律，為經典力學奠定了基礎。根據對天王星執行軌道的詳細天文觀察，並根據牛頓的理論，預言了海王星的存在；以後果然在天文觀察中發現了海王星。於是牛頓所提出的力學定律和萬有引力定律被普遍接受了。
經典力學中的基本物理量是質點的空間座標和動量。一個力學系統在某一時刻的狀態由它的每一個質點在這一時刻的空間座標和動量表示。對於一個不受外界影響，也不影響外界，不包含其他運動形式（如熱運動、電磁運動等）的力學系統來說，它的總機械能就是每一個質點的空間座標和動量的函式，其狀態隨時間的變化由總能量決定。在經典力學中，力學系統的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學的發展表明，任何一個孤立的物理系統，無論怎樣變化，其總能量和總動量數值是不變的，它們是守恆量。這種守恆性質的適用範圍已經遠遠超出了經典力學的範圍，還沒有發現它們的侷限性。
在經典力學中出現了三個最普遍的基本物理概念：質量、空間和時間。質量可以作為物質的量的一種度量，空間和時間是物質存在的普遍形式。現有一切物理量的量綱原則上都可以由質量、空間、時間的量綱結合起來表達。具有不同量綱的物理量之間存在著質的差異。量綱在一定程度上反映物理量的質。量綱相同的物理量的質可以相同，但未必一定相同。
在經典力學中，時間和空間之間沒有聯絡。空間向上下四方延伸，同時間無關；時間從過去流向未來，同空間無關。因此，就存在絕對靜止的參照系，牛頓運動定律和萬有引力定律原來是在這種參照系中表述的。相對於絕對靜止的參照系作勻速運動的參照系稱為慣性參照系。任何一個質點的座標，在不同的慣性參照系中取不同的數值，這種不同數值之間的變換關係稱為伽利略變換。在這種變換中，尺的長度不變，時鐘執行的速度不變，經典力學基本規律的數學形式也不變。利用力學實驗方法，無法確定哪些慣性參照系是絕對靜止的參照系，因而絕對靜止的參照系就成了一個假設。
早在19世紀，經典力學就已經成為物理學中一個成熟的分支學科，它包含了豐富的內容。例如：質點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、塑性力學、流體力學等。經典力學的哈密頓正則方程已成為物理學中的重要方程，並應用到統計物理學、量子力學等近代物理學的理論中。經典力學的應用範圍，涉及到能源、航空、航天、機械、建築、水利、礦山建設直到安全防護等各個領域。當然，工程技術問題常常是綜合性的問題，還需要許多學科進行綜合研究，才能完全解決。
機械運動中，很普遍的一種運動形式是振動和波動。聲學就是系統研究這種運動的產生、傳播、轉化和吸收的分支學科。聲波是傳遞資訊的重要媒介，而且常常是其中不可缺少的環節。人的聲帶、口腔和耳就是聲波的產生器和接收器。人們通過聲波傳遞資訊。有許多物體，不易為光波和電磁波透過，卻能為聲波透過。利用聲波研究這種物體的內部性質，例如利用聲波在媒質中的傳播特性研究地層結構和海洋深處及海底的現象和性質，就有優越性。頻率非常低的聲波能在大氣和海洋中傳播到遙遠的地方，因此能迅速傳遞地球上任何地方發生的地震、火山爆發或核爆炸的資訊；頻率很高的聲波和聲表面波已經用於固體的研究、微波技術、醫療診斷等領域；非常強的聲波已經用於工業加工。
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。人們很早就有冷熱的概念。利用火是人類文明發展史中的一個重要的里程碑。對於熱現象的研究逐步澄清了關於熱的模糊概念（例如：區分了溫度和熱量，發現它們是密切聯絡而又有區別的兩個概念）。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。到19世紀，熱力學已趨於成熟。
能量可以有許多種存在形式，力學現象中物體有動能和位能。物體有內部運動，因此有內部能量。19世紀的系統實驗研究證明：熱是物體內部無序運動的能量的表現，因此稱這種能量為內能，以前稱作熱能。19世紀中期，J.P.焦耳等用實驗確定了熱量和功之間的定量關係，從而建立了熱力學第一定律：巨集觀機械運動的能量與內能可以互相轉化。就一個孤立的物理系統來說，不論能量形式怎樣相互轉化，總的能量的數值是不變的，熱力學第一定律就是能量守恆與轉換定律的一種表現。
在S.卡諾研究結果的基礎上，R.克勞修斯等提出了熱力學第二定律。它提出了一切涉及熱現象的客觀過程的發展方向，表達了巨集觀非平衡過程的不可逆性。例如：一個孤立的物體，其內部各處的溫度不盡相同，那麼熱就從溫度較高的地方流向溫度較低的地方，最後達到各處溫度都相同的狀態，也就是熱平衡的狀態。相反的過程是不可能的，即這個孤立的、內部各處溫度都相等的物體不可能自動回到各處溫度不盡相同的狀態。應用熵的概念，還可以把熱力學第二定律表達為：一個孤立的物理系統的熵不能隨著時間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當熵達到最大值時，物理系統就處於熱平衡狀態。
熱力學是一種唯象的理論。深入研究熱現象的本質，就產生了統計力學。統計力學根據物質的微觀組成和相互作用，研究由大量粒子組成的巨集觀物體的性質和行為的統計規律，是理論物理的一個重要分支。
巨集觀物體內部包含著大量的粒子。要研究其中每一個分子在每一時刻的狀態實際上辦不到。為了認識熱現象的規律，也無需那麼詳細的知識。統計力學應用統計系綜的方法，研究大量粒子的平均行為。20世紀初，J.W.吉布斯奠定了平衡態的統計力學的基礎。它的關於統計分佈的基本假設是：對於一個具有給定能量的給定物理系統，各種可能的狀態出現的機率是等同的。熱力學中的各種物理量以及它們之間的關係都可以用這種統計分佈的平均值表達。溫度一方面同物體內部各分子無序運動的那部分能量有關，另一方面也決定了這種內部能量在物體內部運動狀態之間的分佈。
非平衡統計力學所研究的問題複雜，直到20世紀中期以後才取得了比較大的進展。對於一個包含有大量粒子的巨集觀物理系統來說，無序狀態的數目比有序狀態的數目大得多，實際上多得無法比擬。系統處於無序狀態的機率超過了處於有序狀態的機率。孤立物理系統總是從比較有序的狀態趨向比較無序的狀態。在熱力學中，這就相應於熵的增加。
處於平衡狀態附近的非平衡系統的主要趨向是向平衡狀態過渡。平衡態附近的主要非平衡過程是弛豫、輸運和漲落。這方面的理論逐步發展，已趨於成熟。近20～30年來人們對於遠離平衡態的物理系統如耗散結構等進行了廣泛的研究，取得了很大的進展，但還有很多問題等待解決。
在一定時期內，人們對客觀世界的認識總是有侷限性的，認識到的只是相對的真理，經典力學和以經典力學為基礎的經典統計力學也是這樣。經典力學應用於原子、分子以及巨集觀物體的微觀結構時，其侷限性就顯示出來，因而發展了量子力學。與之相應，經典統計力學也發展成為以量子力學為基礎的量子統計力學。
經典電磁學研究巨集觀電磁現象和客觀物體的電磁性質。人們很早就接觸到電的現象和磁的現象，並知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發現電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連線線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發現電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發現電和磁之間的聯絡。
19世紀前期，H.C.奧斯特發現電流以力作用於磁針。而後 A.-M.安培發現作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之後，M.法拉第又發現，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯絡。
兩個質點之間的萬有引力沿著它們之間的連線線起作用。兩個電荷之間的作用力也是這樣。這些力曾經被認為是超距作用。也就是說：這種力的傳遞既不需要時間，也不需要媒介。但是在電和磁之間的聯絡被發現以後，就認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產生電力線，並在此基礎上產生了電磁場的概念。現在人們認識到，電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產生電場，這個電場又以力作用於其他電荷。磁體和電流在其周圍產生磁場，而這個磁場又以力作用於其他磁體和內部有電流的物體。電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介。它瀰漫於整個空間。
19世紀下半葉，J.C.麥克斯韋總結了巨集觀電磁現象的規律，並引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場；變化著的磁場也能產生電場。在此基礎上他提出了一套偏微分方程來表達電磁現象的基本規律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經典電磁學的基本方程，其中包含著電荷、電流如何產生電磁場的規律；也包含著電場和磁場相互影響，導致它們在時間和空間中如何變化的規律。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等於光速。這一預言後來為H.R.赫茲的實驗所證實。遂使人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了巨集觀電磁現象的規律，肯定了光也是一種電磁波。
由於電磁場能夠以力作用於帶電粒子，一個運動中的帶電粒子既受到電場的力，也受到磁場的力，H.A.洛倫茲把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結為一個公式，人們就稱這個力為洛倫茲力。描述電磁場基本規律的麥克斯韋方程組和洛倫茲力就構成了經典電動力學的基礎。
事實上發電機無非是利用電動力學的規律，將機械能轉化為電磁能；電動機無非是利用電動力學的規律將電磁能轉化為機械能。電報、電話、無線電、電燈也無一不是經典電磁學和經典電動力學發展的產物。經典電動力學對生產力的發展起著重要的推動作用，從而對社會產生普遍而重要的影響。
光學研究光的性質及其和物質的各種相互作用，光是電磁波。雖然可見光的波長範圍在 4×10-5 ～ 7.6×10-5cm之間，只佔電磁波中很窄的一個波段，但早在認識到光是電磁波以前，人們就對光進行了研究。17世紀對光的本質提出了兩種假說：一種假說認為光是由許多微粒組成的；另一種假說認為光是一種波動。19世紀在實驗上確定了光有波的獨具的干涉現象，以後的實驗證明光是電磁波。20世紀初又發現光具有粒子性，人們在深入研究微觀世界後，才認識到，光具有波粒二象性。
光可以為物質所發射、吸收、反射、折射和衍射。當所研究的物體或空間的大小遠大於光波的波長時，光可以當作沿直線進行的光線來處理；但當研究深入到現象細節，其空間範圍和光波波長差不多大小的時候，就必須著重考慮光的波動性。而研究光和微觀粒子的相互作用時，還要考慮光的粒子性。
光學方法是研究大至天體、小至微生物以至分子、原子結構的非常有效的方法。利用光的干涉效應可以進行非常精密的測量。物質所放出來的光攜帶著關於物質內部結構的重要資訊，例如：原子所放出來的原子光譜就和原子結構密切相關。近年來利用受鐳射輻射機制所產生的鐳射能夠達到非常大的功率，且光束的張角非常小，其電場強度甚至可以超過原子內部的電場強度。利用鐳射已經開闢了非線性光學等重要研究方向；鐳射在工業技術和醫學中已經有重要的應用。
現在用人工方法產生的電磁波的波長，長的已經達幾千米，短的不到一百萬億分之一釐米，覆蓋了近20個數量級的波段。電磁波傳播的速度大，波段又如此寬廣，已成為傳遞資訊的非常有力的工具。
在經典電磁學的建立與發展過程中，形成了電磁場的概念。在物理學爾後的發展中，場成了非常基本、非常普遍的概念，變得十分重要。在現代物理學中，場的概念已經遠遠超出了電磁學的範圍，成為物質的一種基本的、普遍的存在形式。
在經典力學取得很大成功以後，人們習慣於將一切現象歸結為由機械運動所引起的。在電磁場概念提出以後，人們假設存在一種名叫“以太”的媒質，它瀰漫於整個宇宙，滲透到所有的物體中，絕對靜止不動，沒有質量，對物體的運動不產生任何阻力，也不受萬有引力的影響。電磁場被認為是以太中的應力，電磁波是以太中的彈性波，它在以太中向各方向的傳播速度都一樣大（見以太論）。
可以將以太作為一個絕對靜止的參照系，因此相對於以太作勻速運動的參照系都是慣性參照系。在相對於以太作勻速運動的慣性參照系中觀察，電磁波的傳播速度應該隨著波的傳播方向而改變。例如：在一個運動的慣性參照系中觀察，沿著參照系運動方向傳播的光的速率看起來應該慢一些；逆著參照系運動方向傳播的光的速率看起來應該快一些。這就給利用測量不同方向光速的方法，在所有的慣性參照系中確定那些是絕對靜止的參照系提供了可能性。但實測的結果卻出乎意料之外，在不同的、相對作勻速運動的慣性參照系中，測得的光速同傳播方向無關，都完全相等。特別是A.A.邁克耳孫和E.W.莫雷進行的非常精確的實驗，可靠地證明了這一點。這一實驗事實顯然同經典物理學中關於時間、空間和以太的概念相矛盾。A.愛因斯坦從這些實驗事實出發，對空間、時間的概念進行了深刻的分析，從而建立了新的時空觀念，在此基礎上他提出了狹義相對論。狹義相對論的基本假設是：
（1）在一切慣性參照系中，基本物理規律都一樣，都可用同一組數學方程來表達；
（2）對於任何一個光源發出來的光，在一切慣性參照系中測量其傳播速率，結果都相等。
在狹義相對論中，空間和時間是彼此密切聯絡的統一體，空間距離是相對的，時間也是相對的。在相對於尺和鍾作勻速運動的慣性參照系中的觀察者看來，尺變短了，鍾變慢了。因此尺的長短， 時間的長短都是相對的。但在狹義相對論中，並不是一切都是相對的。例如：設在空間、時間中有兩點，它們的座標分別為(x1，t1)和(x2，t2)，那末在任何慣性參照系中，量(x1-x2)2-с2(t1-t2)2的數值是不變的，因此是絕對的，其中с代表光速。空間座標、時間座標和一系列物理量，如：動量和能量、電場強度和磁場強度等等，在不同慣性參照系之間的變換關係稱為洛倫茲變換。基本物理規律必須對於洛倫茲變換具有不變性。
麥克斯韋方程組對於洛倫茲變換具有不變性。經典力學規律對於伽利略變換具有不變性；但對於洛倫茲變換卻不具有不變性，因此必須加以修改。修改後的力學稱為相對論力學，它對於洛倫茲變換具有不變性。在相對論力學中，光速是機械運動速度的極限，不可逾越。當物體速度無限地趨近光速時，它的動量、能量、慣性質量均將趨於無窮大。這些結論在實驗中都得到了證實。
相對論力學的另一個重要結論是:一個具有質量m的物體一定具有能量E，並有
E＝mс2，
即使物體靜止時也是如此。假使質量是物質的量的一種度量，能量是運動的量的一種度量，則上式表明：物質和運動之間存在著不可分割的聯絡。不存在沒有運動的物質，也不存在沒有物質的運動。對於靜止物體來說，E代表它的內部運動的量。1克物質內部所蘊藏的能量相當於2萬多噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量。這一規律已在核能的研究和實踐中得到了證實。
當物體的速度遠小於光速時，相對論力學定律就趨近於經典力學定律。因此在低速運動時，經典力學定律仍然是很好的相對真理。例如：地球繞太陽執行的速率約為30km/s。這同日常生活中遇到的機械運動的速度相比是很大的速度；但同光速相比，卻是很小的速度，僅為光速的萬分之一。因此處理這類問題，經典力學定律仍然是很好的相對真理，仍然能用來解決工程技術中的力學問題。
狹義相對論對空間和時間的概念進行了革命性的變革，並且否定了以太的概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質存在的特殊形式。由於空間和時間是物質存在的普遍形式，因此狹義相對論對於物理學產生了廣泛而又深遠的影響。
狹義相對論給牛頓萬有引力定律也帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認為是一種超距作用，它的傳遞不需要時間，產生和到達是同時的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。而且在狹義相對論中，“同時”是一種相對的概念。因此，必須對牛頓的萬有引力定律也加以改造。改造的關鍵來自R.V.厄缶的實驗，它以很高的精確度證明：慣性質量和引力質量相等，因此不論行星的質量多大多小，只要在某一時刻它們的空間座標和速度都相同，那末它們的執行軌道都將永遠相同。引力所決定的執行軌道和執行物體的質量無關，對於所有物體都一樣。這個結論提供了一個線索，啟發愛因斯坦設想：萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現，從而提出了廣義相對論。根據廣義相對論，空間、時間的彎曲結構決定於物質的能量密度、動量密度在空間、時間中的分佈；而空間、時間的彎曲結構又反過來決定物體的執行軌道。在引力不強，空間、時間彎曲很小的情況下，廣義相對論的預言就同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的預言趨於一致；引力較強，空間、時間彎曲較大的情況下，就有區別。但這種區別常常很小，很難在實驗中觀察到。從廣義相對論提出到現在已經過去了70年，至今還只有四種實驗能檢驗出這種區別。所有這四種實驗觀察結果都支援廣義相對論而不支援牛頓萬有引力定律的結論。
廣義相對論不僅對於天體的結構和演化的研究有重要意義，對於研究宇宙的結構和演化也有重要意義。
原子物理學研究原子的性質、內部結構、內部受激狀態，以及原子和電磁場、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個很古老的概念。古代就有人認為：宇宙間萬物都是由原子組成的。原子是不可分割的、永恆不變的物質最終單元。1897年J.J.湯姆孫發現了電子。這才使人們認識到原子不是不可分割的、永恆不變的，而是具有內部結構的粒子。於是在19世紀末，經典物理學的侷限性進一步暴露出來。根據經典物理學和原子中存在著電子的實驗事實可以推匯出：假使空腔壁的溫度不為零，一個具有有限體積的空腔內的電磁輻射的能量是無窮大的。這顯然不符合客觀事實（見黑體輻射）。經典物理學也無法解釋光電效應。為此，M.普朗克和愛因斯坦提出了同經典物理學相矛盾的假設：光是由一粒一粒光子組成的，每一粒光子的能量E為
E＝hv，
式中v為光的頻率，h是一個常數，稱為普朗克常數。這一假設匯出的結論和黑體輻射及光電效應的實驗結果符合。於是，19世紀初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現。
1911年，E.盧瑟福用α粒子散射實驗(見原子結構)發現原子的質量絕大部分以及內部的正電荷集中在原子中心一個很小的區域內，這個區域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為原子核。這才使人們對原子的內部結構得到了一個定性的、符合實際的概念。在某些方面，原子類似一個極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。
用經典物理學來解釋原子的內部結構和原子發射出來的光的頻譜遇到了不可克服的困難。按照經典電動力學理論，圍繞原子核執行的電子因加速運動會輻射電磁波，從而損失能量，電子軌道的半徑將逐漸縮小，放出的電磁波的頻率會愈來愈高，並連續改變；最後，電子因損失能量而落入原子核中。因此，原子不可能有穩定的結構。但實驗表明：原子有很穩定的結構，放出來的電磁波的頻譜並不連續，而是分立的，而且這種分立的頻譜具有明顯的規律性。
為了解釋原子的結構和原子光譜的規律，N.玻爾提出了他的氫原子理論，在經典力學所容許的所有運動狀態中，只有那些電子的軌道角動量為
的整數倍的狀態才是客觀規律所允許的狀態（見玻爾氫原子理論）。因此原子內部電子圍繞原子核運動的能量只能取一系列分立的數值，稱為能級。原子吸收或放出光子時，就從一個能級躍遷到另一個能級，光的頻率v和光子的能量 E之間有如上述愛因斯坦光子假說的公式所表達的關係。光子的能量 E為這兩個能級的能量差。玻爾的氫原子理論在解釋氫原子的結構和光譜時取得了很大的成功；但是用來研究氦原子結構時就遇到了困難。顯然，經典物理學的可用範圍不包括微觀世界；而上述普朗克、愛因斯坦、玻爾的學說雖包含了微觀世界的部分真理，但都不是微觀世界物理現象的完整的基本理論。
原子物理學的基本理論是在20世紀20年代中期和後期由L.V.德布羅意、W.K.海森伯、E.薛定諤、P.A.M.狄喇克、W.泡利等所建立的量子力學和量子電動力學。它們區別於經典力學和經典電動力學的主要特點是：
（1）物理量所能取的數值常常是不連續的，當然，某些物理量在一定範圍內也可以取連續的數值；
（2）它們所反映的規律不是確定性的規律，而是統計規律。
這兩個特點之間又存在著密切的聯絡。量子力學和量子電動力學應用於研究原子結構、原子光譜、原子發射、吸收、散射光的過程以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉化過程非常成功。理論結果同最精密的實驗結果相符合。
微觀客體的一個基本性質是波粒二象性。所有一切微觀粒子如：光子、電子、原子等都具有波粒二象性。對於所有微觀粒子，能量E和頻率v之間、動量p和波長λ之間都有如下的關係：
。
這兩個關係式表達了微觀客體的粒子性和波動性之間的深刻聯絡。粒子和波是人在巨集觀世界的實踐中形成的概念，它們各自描述了迥然不同的客體。但從巨集觀世界實踐中形成的概念未必恰巧適合於描述微觀世界的現象。現在看來，需要粒子和波動兩種概念互相補充，才能全面地反映微觀客體在各種不同的條件下所表現的性質。
這一基本特點的另一種表現方式是海森伯的測不準關係。這一關係說明：不可能同時測準一個粒子的位置和動量，位置測得愈準，動量必然測得愈不準；動量測得愈準，位置必然測得愈不準。測不準關係的表示式是：
Δx·Δp≥h，
式中Δx是位置測量的誤差，Δp是動量測量的誤差。
波粒二象性已經包含在量子力學的數學形式中：在量子力學中物理量由算符表示，物理量所能取的數值就是算符的本徵值，本徵值常常是不連續的，粒子性就是這種不連續性的一種表現；物理狀態由波函式表達，波動性就是波函式所描述的統計性質的一種表現。
量子力學和量子電動力學產生於原子物理學研究，但是它們起作用的範圍遠遠超出原子物理學。量子力學是所有微觀、低速現象所遵循的規律，因此不僅應用於原子物理，也應用於分子物理學、原子核物理學以及巨集觀物體的微觀結構的研究。量子電動力學則是所有微觀電磁現象所必須遵循的規律，直到現在，還沒有發現量子電動力學的侷限性。
當所研究的現象中，座標值和動量值的乘積遠遠大於h時，量子力學和量子電動力學所得到的結果就趨近於經典力學和經典電動力學所得到的結果。例如，觀察不到巨集觀物體的波動性的原因是因為相應的波長太短。一個質量為 1g的物體以1cm/s的速度運動，相應的波長為6×10-27cm，遠遠小於目前實驗技術所能測量出來的最小距離。因此經典力學和經典電動力學仍然是反映巨集觀力學現象和巨集觀電磁現象的規律的很好的相對真理。
分子物理學研究原子如何結合成為分子，分子的內部結構、內部運動狀態、它的電學性質、磁學性質和光學性質等等。分子物理現象服從量子力學和量子電動力學所反映的規律。簡單的分子用量子力學和量子電動力學來分析處理，得到的結果和實驗結果相符合，但用量子力學和量子電動力學來處理複雜的分子，數學上非常複雜和困難，很難得到比較準確的結果。由於X射線衍射技術、中子衍射技術、鐳射技術等的發展，為研究分子提供了有力的實驗手段。生命物質內部的分子結構非常複雜，但應用現有的實驗技術已經能夠對它們的結構包括細胞內染色體中攜帶遺傳密碼的分子結構進行詳細的分析。分子物理的實驗研究正在不斷取得進展。
以量子力學為基礎的統計力學，稱為量子統計力學(見量子統計法)。經典統計力學以經典力學為基礎，因而經典統計力學也具有侷限性。例如：隨著溫度趨於絕對零度固體的比熱容趨於零的實驗現象，就無法用經典統計力學來解釋。
在巨集觀世界中，看起來相同的物體總是可以區別的；在微觀世界中，同一類粒子卻無法區分。例如：所有的電子的一切性質都完全一樣。在巨集觀物理現象中，將兩個巨集觀物體交換，就得到一個和原來狀態不同的狀態，進行統計時必須將交換前和交換後的狀態當作兩個不同的狀態處理；但是在一個物理系統中，交換兩個電子後，得到的還是原來的狀態，因此進行統計時，必須將交換前和交換後的狀態當作同一個狀態來處理。
微觀粒子還有其他特殊性。自旋為媡 的半整倍數的粒子，如電子，服從費密-狄喇克統計，這類粒子統稱為“費密子”；自旋為媡的整數倍的粒子，如光子，服從玻色-愛因斯坦統計(見全同粒子)，這類粒子統稱為“玻色子”。根據微觀世界的這些規律改造經典統計力學，就得到量子統計力學。應用量子統計力學就能使一系列經典統計力學無法解釋的現象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱容、固體中的電子為什麼對比熱的貢獻如此小等等，得到了合理的解釋。
固體物理學研究固體的性質，它的微觀結構及其各種內部運動，以及這種微觀結構和內部運動同固體的巨集觀性質（如力學性質、熱學性質、光學性質、電磁性質等等）的關係。每立方厘米固體中包含巨量的原子，因此上述問題是多體問題。固體的內部結構和運動形式很複雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內部結構簡單，而且具有明顯的規律性，較易研究。以後進一步研究一切處於凝聚狀態的物體的內部結構、內部運動以及它們和巨集觀物理性質的關係。這類研究統稱為凝聚態物理學。
固體中電子的運動狀態服從量子力學和量子電動力學的規律。在晶體中，原子（離子、分子）有規則地排列，形成點陣。20世紀初，M.von勞厄和布喇格父子發展了X射線衍射方法，用以研究點陣結構。第二次世界大戰以後，又發展了中子衍射方法，使晶體點陣結構的實驗研究得到了進一步發展。
在晶體中，原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶(見固體的能帶)。電子不可能具有能帶以外的能量值。按電子在能帶中不同的填充方式，可以把晶體區別為金屬、絕緣體和半導體。能帶理論結合半導體鍺和矽的基礎研究，高質量的半導體單晶生長和摻雜技術，導致J.巴丁、W.H.布喇頓和W.肖克萊於1947～1948年發明了電晶體。
電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運動一起，決定了晶體的磁學性質，晶體的許多性質（如力學性質、光學性質、電磁性質等）常常不是各向同性的。作為一個整體的點陣，有大量內部自由度，因此具有大量的集體運動方式，具有各式各樣的元激發（見固體中的元激發）。晶體的許多性質都和點陣的結構及其各種運動模式密切相關，晶體內部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的性質有重要的影響。例如：H.開默林－昂內斯在1911年發現，金屬在低溫下有超導電性；江崎玲於奈在1960年發現超導體的單電子隧道效應。這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關。
晶體內部的原子可以形成不同形式的點陣。處於不同形式點陣的晶體，雖然化學成分相同，物理性質卻可能不同。不同的點陣形式具有不同的能量：在低溫時，點陣處於能量最低的形式；當晶體的內部能量增高，溫度升高到一定數值，點陣就會轉變到能量較高的形式。這種轉變稱為相變。相變會導致晶體物理性質的改變。溫度不斷升高，晶體可以經歷幾次相變。溫度升高了，晶體就會熔化為液體；溫度更高時，液體就會沸騰而轉化為氣體；溫度再升高，氣體中的分子就分解為原子；溫度再升高，原子就分解為離子和電子，氣體就轉化為等離子體。這些變化都稱為相變。相變是重要的物理現象，也是重要的研究課題。
點陣結構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態。實際晶體內部的點陣結構總會有缺陷；化學成分也不會絕對純，內部會含有雜質。這些缺陷和雜質對固體的物理性質（包括力學、電學、磁學、發光學等）以及功能材料的技術性能，常常會產生重要的影響。大規模積體電路的製造工藝中，控制和利用雜質和缺陷是很重要的。晶體的表面性質和介面性質，會對許多物理過程和化學過程產生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的重要領域（見晶體缺陷、晶粒間界、表面物理學）。
非晶態固體內部結構的無序性使得對於它們的研究變得更加複雜。非晶態固體有一些特殊的物理性質，使得它有多方面的應用。這是一個正在發展中的新的研究領域（見非晶態半導體、非晶態材料、非晶態材料的結構模型）。
固體物理對於技術的發展有很重要的作用。在電晶體發明以後，積體電路技術迅速發展，電子學技術、計算技術以至整個資訊產業也隨之迅速發展。其經濟影響和社會影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。固體物理學也是發展具有特定物理性質（如：發光性質、磁學性質、電學性質）材料的基礎，這些材料對於工業技術的發展，往往有重要的作用。
原子核是比原子更深一個層次的物質結構。原子核物理學研究原子核的性質，它的內部結構、內部運動、內部激發狀態、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應過程。在原子核被發現以後，曾經以為原子核是由質子和電子組成的。1932年，J.查德威克發現了中子，這才使人們認識到原子核是由質子和中子組成的。質子和中子統稱為核子，核子在原子核中的結合能遠大於電子在原子中的結合能。
中子不帶電。質子帶正電荷，因此質子間存在著靜電排斥力。萬有引力雖然使各核子相互吸引，但在兩個質子之間的靜電排斥力比它們之間的萬有引力要大到約1036倍。顯然，將核子結合成為原子核的既不可能是電磁相互作用，也不可能是萬有引力相互作用。自然界一定存在第三種基本相互作用──強相互作用。人們將核子結合成為原子核的力稱為核力。核力來源於強相互作用，在巨集觀物理現象中，能夠直接觀察到萬有引力和電磁力，因為它們是長程力；但從未能直接觀察到核力，因為核力是短程力。從原子核的大小以及核子和核子碰撞時的截面估計，核力的力程約為10-13cm。
地球上的原子核絕大多數是穩定的；只有一些質量很大的原子核在沒有外來影響下能自行轉化為質量較小的其他原子核。在這種自行轉化的過程中會放出射線。放出的射線有三種：一種由波長很短、能量很高的光子組成，相應的轉化過程是由電磁相互作用產生的;第二種射線由氦原子核組成，相應的轉化過程是強相互作用和電磁相互作用結合產生的;第三種射線由電子組成，在相應的轉化過程中還同時放出一種叫做中微子的粒子。中微子不帶電，質量非常小，可能等於零。中微子和物質的相互作用非常弱，直到20世紀50年代才在實驗中被探測到。因此，自然界還存在著一種遠較電磁相互作用為弱的第四種基本相互作用──弱相互作用。原子核放出電子和中微子的過程是由弱相互作用導致的。所有能自行轉化並放出射線的原子核統稱為放射性原子核。這種轉化過程稱為衰變過程。
原子核主要由強相互作用將核子結合而成，當原子核的結構發生變化或原子核之間發生反應時，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如鈾原子核）在吸收一箇中子以後，會裂變成為兩個較輕的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成為一個較重的原子核，同時放出很大的能量。這種原子核熔合過程也叫作聚變。
粒子加速器的發明和裂變反應堆的建成使人能夠獲得大量能量較高的質子、電子、光子、原子核和大量中子，用以轟擊原子核，以便系統地開展關於原子核的性質及其運動、轉化和相互作用過程的研究。
高能物理研究發現，核子還有內部結構。核子的半徑和原子核的半徑都是10-13cm數量級，因此原子核的內部結構很難和核子的內部結構截然分開。
原子核結構是一個遠較原子結構為複雜的研究領域。目前，已有的關於原子核結構，原子核反應和衰變的理論都是模型理論。其中一部分相當成功地反映了原子核的客觀規律。原子核的實驗研究和理論研究仍在探索和發展之中。
原子核物理的研究已經產生了重要的社會效果。1kg鈾裂變時所釋放的能量相當於約2萬噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量。這就是原子彈爆炸和核發電站中的關鍵物理過程。1kg重氫原子核聚變為氦原子核所釋放的能量還要大幾倍。輕原子核聚變為較重的原子核並釋放能量的過程，就是太陽幾十億年來大量放光、放熱的能量來源，也是熱核爆炸的能量來源。海洋中有幾乎取之不盡的重氫，假使能使重氫的聚變反應有控制地進行，那麼能源問題就將得到較徹底的解決。由於放射性同位素所放出的射線穿透力很強，能產生各種物理效應、化學效應和生物效應，這些射線又容易探測，因此放射性同位素在工業、農業、醫學和科學研究中已經有廣泛的應用。
等離子體物理研究等離子體的形成及其各種性質和運動規律。宇宙間的大部分物質處於等離子體狀態。例如：太陽系的物質絕大部分集中於太陽，太陽中心區的溫度超過107℃，太陽中的絕大部分物質處於等離子體狀態。地球高空的電離層也處於等離子體狀態。19世紀以來對於氣體放電的研究、20世紀初以來對於高空電離層的研究推動了對等離子體的研究工作。從20世紀50年代起，為了利用輕核聚變反應解決能源問題，促使等離子體物理學研究蓬勃發展。
等離子體內部存在著很多種運動形式，並且相互轉化著，高溫等離子體還有多種不穩定性。因此等離子體研究是個非常複雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數學方程，但這組方程非常難解，目前還很難用以準確預言等離子體的性質和行為。等離子體的實驗研究，因為因素複雜多變，所以難度也很大，目前精確度還不高。現在正在大力進行這方面的研究，以期能夠發展出一套方法，使等離子體的溫度升高到一億度以上，並能控制它的不穩定性，在足夠長的時間內，將它約束住，使熱核反應得以比較充分地進行下去。
目前實驗上所能探測到的物質結構最深層次的研究稱為粒子物理學，也稱為高能物理學。在20世紀20年代末，人們曾經認為電子和質子是基本粒子，後來又發現了中子。在宇宙線研究和後來利用高能加速器進行的實驗研究中，又發現了數以百計的不同種類的粒子。它們都能產生、消滅、相互轉化，連電子和質子也不例外。在條件具備時，電子和質子也能產生和消滅，轉化為其他粒子。這些粒子的性質很有規律性。看來它們不是以前所設想的永恆不變的、不可分割的基本粒子。所以現在將基本兩字去掉，統稱為粒子。
研究這些粒子，發現它們都是配成對的。配成對的粒子稱為正、反粒子。正、反粒子一部分性質完全相同，另一部分性質完全相反。例如：電子和正電子是一對正、反粒子。它們的質量和自旋完全相同，它們的電荷和磁矩完全相反。有一小部分正、反粒子，它們的所有性質完全相同。它們就是同一種粒子。光子就是這樣一種粒子。
另一個重要發現是，沒有一種粒子是不生不滅、永恆不變的，在一定條件下都能產生和消滅。例如：原來認為電子是不生不滅的和永恆不變的。後來發現，高能光子在原子核的電場中能轉化為一對電子和正電子。電子和正電子相遇，就會同時湮沒而轉化為兩個或三個光子。
在所有這些粒子中，光子是傳遞電磁相互作用的媒介，1983年發現的W+、W-和Z0中間玻色子是傳遞弱相互作用的媒介。但迄今還沒有在實驗上發現理論上預言的傳遞萬有引力的引力子和傳遞強相互作用的膠子。
除了光子和W+、W-、Z0中間玻色子以外，可以按照是否參與強相互作用，把實驗上已經發現了的粒子分為兩大類。
（1）不參與強相互作用的粒子統稱為輕子。已經發現的輕子共有三代，每代兩種，共六種。與之相應，存在著六種反輕子。輕子和反輕子的自旋均為啚/2，因此都是費密子。
（2）參與強相互作用的粒子統稱為強子。已經發現的數百種粒子中絕大部分是強子。實驗發現，強子有一定大小（例如：核子的半徑大小為 0.8×10-13cm）。進一步實驗研究發現，強子內部還存在著帶點電荷的、可以在強子內部相當自由地運動的東西，因此強子具有內部結構（見強子結構）。強子內部帶點電荷的東西在國外稱為夸克；中國的部分物理學家稱之為層子，因為他們認為：即使層子也不是物質的始元，也只不過是物質結構無窮層次中的一個層次而已。組成已經發現的強子的層子也有三代，每代兩套，每套三種，共十八種。與之相應，存在十八種反層子。丁肇中和B.裡希特在1974年發現的J/ψ粒子證明其中的一套層子：粲層子的存在（見粲偶素）。所有層子和反層子的自旋也都是啚/2，也都是費密子。看來輕子和層子的性質有不同處，也有很多相似處，它們之間可能存在著深刻的聯絡。
雖然層子在強子內部可以相當自由地運動，但即使用目前加速器所能產生的能量最高的粒子束轟擊強子，也沒有能將層子、膠子打出來，使它們成為處於自由狀態的層子和膠子。將層子和膠子囚禁在強子內部是強相互作用所獨有的性質，這種性質稱為“囚禁”。
弱相互作用也有其獨特的性質。它的基本規律對於左和右，對於正、反粒子，對於過去和未來都是不對稱的。弱相互作用的規律對於左和右不對稱就是李政道和楊振寧在1956年所預言、不久以後在實驗上為吳健雄所證實的宇稱在弱相互作用中的不守恆。
量子電動力學是關於電磁相互作用的基本理論，它成功地經受了非常嚴格的實驗檢驗。在20世紀60年代，S.L.格拉肖、A.薩拉姆和S.溫伯格提出統一地描述電磁相互作用和弱相互作用的理論，稱為電弱統一理論。這一理論在70年代已經成功地通過了一系列實驗的檢驗。1983年在實驗上發現這一理論所預言的W+、W-、 Z0中間玻色子是一種關鍵性的檢驗，這是繼麥克斯韋建立將電和磁統一起來的理論以後，向統一地理解各種基本相互作用的研究方向邁出的意義重大的一步。
粒子物理研究雖然已經獲得了重要的進展，但仍是一門年輕的、迅速發展的分支學科。
實驗表明：波粒二象性以及粒子的產生和消滅是微觀、高速物理過程中的普遍現象。量子力學能反映波粒二象性，但不能反映粒子的產生和消滅。經典場論能反映波動的場的產生和消滅，但不能反映波粒二象性。為了克服這種侷限性，可以按照將經典力學改造成為量子力學的方法，將經典場論改造成為量子場論。量子電動力學是最早建立的量子場論，並且非常成功。現在建立的一切關於微觀、高速物理現象的基本理論都是量子場論。
在量子場論中，各種粒子如光子、中間玻色子、輕子、層子等均用相應的量子場來反映。空間、時間中每一點的量子場均以算符來表示，稱為場算符。這些場算符滿足一定的微分方程和對易關係或反對易關係。量子場的確既能反映波粒二象性，又能反映粒子的產生和消滅，還能自然地反映正、反粒子配成對的現象。
量子場論取得了一系列成就，也碰到了困難。以量子電動力學為例：用量子電動力學計算任何電磁過程的最低次近似，得到的結果都同實驗符合得相當好。但為了使理論結果和實驗結果符合得更好而計算高次近似的貢獻時，卻得到了無窮大的結果。這種困難稱為發散困難。1948年R.P.費因曼、J.S.施溫格、朝永振一郎等提出了一種能成功地處理這種發散困難的重正化方法。用這種方法處理量子電動力學問題，得到了很好的結果。
量子場論的另一重要進展是1954年楊振寧和R.L.密耳斯提出的非阿貝耳規範場論（見規範場），其核心思想是物理基本規律的定域對稱性（見對稱性和守恆律）。電弱統一理論就是以非阿貝耳規範場為基礎的。目前討論得最多的一種探索性的強相互作用的基本理論──量子色動力學，也是一種非阿貝耳規範場論。
對稱性在物理學中佔有很重要的地位。可以證明，假使物理基本規律具有某種對稱性，與之相應就有某種守恆定律。例如：物理基本規律在空間各處都一樣，與之相應就有動量守恆定律；假使物理基本規律在任何時間都一樣，與之相應就有能量守恆定律；假使物理基本規律對於相變換具有不變性，與之相應就有電荷守恆定律。
假使物理規律的某種對稱性是定域的，那麼與之相應一定存在某種基本相互作用。目前已經通過實驗嚴格檢驗的廣義相對論、量子電動力學和電弱統一理論都來源於定域對稱性。也就是說：萬有引力相互作用、電磁相互作用和弱相互作用都來源於定域對稱性。
物質的各種存在形式和運動形式之間普遍存在著聯絡。隨著學科的發展，這種聯絡逐步顯示出來。於是自然科學的不同學科互相滲透。物理學也正在和其他學科相互滲透，產生一系列交叉學科，如：化學物理、生物物理、大氣物理、海洋物理、地球物理、天體物理等等。天體的結構和演化與原子核物理之間的密切關係，宇宙的結構和演化與粒子物理學之間的密切關係都鮮明地表達了這一相互滲透過程。數學對物理學的發展起了重要的作用，反過來物理學也促進數學的發展。在物理學基礎性研究過程中形成和發展出來的基本概念、基本理論、基本實驗手段和精密的測試方法，已成為其他許多學科的重要組成部分，併產生了良好的效果。這對於天文學、化學、生物學、地學、醫學、農業科學都是如此。
物理學的發展導致技術的重大革新在前面已經舉了許多例子，物理學研究的重大突破導致生產技術的飛躍已經是歷史事實。反過來，發展技術和生產力的要求也有力地推動物理學研究的發展。固體物理、原子核物理、等離子體物理、鐳射研究、現代聲學等之所以迅速發展是和技術及生產力發展的要求分不開的。物理學研究的突破導致技術革新的所需時間正在縮短。在19世紀需要幾十年，而現在可能只需要幾年。
在另一方面，目前要在物理學前沿進行研究工作，必須使用尖端技術，否則就無法使實驗研究工作達到以前所沒有達到的深度，也很難開闢新的研究領域。甚至某些重要的理論物理研究領域也需要利用尖端的計算技術，否則就難於取得進展。因此理論和實踐，基礎理論和尖端技術的關係將日益密切、互相促進，並一日千里地向前推進。