Fizik (Eski Yunanca: φύσις fisis “doğa”) maddeyi, maddenin uzay-zamanda hareketini enerji ve kuvveti de kapsamak üzere bütün ilgili kavramlarla birlikte inceleyen doğa bilimidir. Daha genel olarak, evren ile ilgili nasılları cevaplamak için doğanın genel bir analizidir.

Fizik en eski akademik disiplinlerden biridir, astronomiyi kapsadığı için ilki de denebilir. 16. yüzyıldan bu yana kendi sınırlarını çizmiş modern bir bilim olmasına karşın, Bilimsel Devrim'den önce iki bin sene boyunca felsefe, kimya, matematik ve biyolojinin belli branşları ile eş anlamlı olarak kullanılmıştır. Buna karşın, matematiksel fizik ve kuantum kimyası gibi alanlardan dolayı fiziğin sınırlarını net olarak belirlemek güçtür.

Fizik, diğer disiplinleri etkilemesi bakımından da önemlidir. Bunun nedeni kısmi olarak ondaki gelişmelerin genellikle teknolojiye uygulanmasıyken, fizikteki yeni fikirlerin matematik ve felsefe gibi diğer disiplinleri etkilemesinin katkısı da büyüktür. Örneğin, elektromanyetik ve nükleer fizikteki yenilikler günümüz toplumunun gelişmesinde önemli yer tutan televizyon, bilgisayar, elektrikli ev eşyaları, nükleer silahlar gibi ürünlerin, termodinamikteki yenilikler motorlu taşımanın, mekanikteki yenilikler kalkülüsün gelişmesine neden olmuştur.

 

 

 

Fizik kuarklar, nötrinolar ve elektronlar gibi temel parçacıklardan galaksi süperkümelerine kadar çok geniş bir yelpazede birçok fenomeni inceler. Diğer her şeyin kendilerinden oluştuğu bu fenomenleri incelemesi itibarıyla fizik zaman zaman “temel bilim” olarak da anılır. Fizik doğadaki çeşit çeşit fenomeni daha basit fenomenlerle açıklamaya çalışır. Böylece fizik hem gözlemlenebilir şeyleri temel nedenlere indirgemeye hem de bu temel nedenleri birbirleriyle ilişkilendirmeye çalışır.

Örnek olarak, Antik Çin'de insanlar mıknatıs taşlarının birbirini görünmez bir kuvvet ile çektiğini gözlemledi. Bu etki sonradan manyetizma olarak isimlendirildi ve esaslı olarak ilk kez 17. yüzyılda incelendi. Çinlilerden kısa bir zaman önce Yunanlılar da aynı görünmez kuvvetin amber gibi bazı cisimlerin hayvan postuna sürtüldüğünde ortaya çıktığını keşfettiler. Bu ise ilk kez gene 17. yüzyılda araştırıldı ve elektrik olarak isimlendirildi. Böylece fizik doğadaki gözlemleri iki temel nedene indirgemiş oldu. Bunun üzerine, 19. yüzyılda bu iki kuvvetin aslında tek bir kuvvetin, elektromanyetik kuvvetin, iki farklı görünümü olduğu keşfedildi. Bu “birleştirme” süreci günümüzde de devam etmektedir; bugün elektromanyetizma ve zayıf nükleer çekimin, bunlardan daha temel olan elektrozayıf etkileşimin iki farklı görünümü olduğu düşünülmektedir. Fizik doğanın neden bu şekilde olduğuna dair nihai bir neden (Her Şeyin Teorisi) bulma yoluna devam ediyor.

 

 

 

Fiziksel teorilerin geçerliliği bilimsel metod ile test edilir. Araştırılan teorinin sonuçları teoriyi test etmek için uygulanan deney verileriyle karşılaştırılır; deney ve gözlemlerden elde edilen bilgiler toplanır ve teorinin tahmin ve öngörüleriyle kıyaslanır, buna göre teorinin geçerli olup olmadığına karar verilir.

Deneysel verilerle çok iyi derecede örtüşen ve hiç yalanlanmamış teoriler sıklıkla bilimsel yasa ya da doğa yasası olarak adlandırılır. Tabii ki, bilimsel yasalar da dahil olmak üzere bütün teoriler deneylerle herhangi bir ters düşme söz konusu olduğunda daha tutarlı ve genel teorilerle değiştirilip düzeltilebilir.

 

 

 

Teorisyenler var olan deneylerle uyuşan ve gelecek deneylerle sınanabilecek matematiksel modeller üretmeye çalışırken deneyciler teorik öngörüleri test etmek ve yeni fenomenler gözlemlemek için deney yaparlar. Teori ve deneyler birbirinden ayrı olarak geliştirilse de birbirlerine kuvvetli bir bağlılıkları vardır. Fizikteki gelişmeler sıklıkla ya deneyciler halihazırdaki teorilerin açıklayamadığı bir deney yaptıklarında ya da teorisyenler yeni deneylerin yapılmasına ışık tutan, deneylerle test edilebilir yeni öngörüler öne sürdüklerinde meydana gelir.

Teorisyenlik ve deneycilik arasında gidip gelen fizikçiler fenomenolog olarak isimlendirilir. Fenomenologlar deneylerde gözlemlenen kompleks fenomenlere bakıp onları temel teorilerle ilişkilendirir.

Teorik fizik tarihsel olarak felsefeden ilham alagelmiştir, elektromanyetik teori bu yolla bütünleştirilmiştir. Bilinen evrenin ötesinde, fiziğin teorik sahasına dahil olan varsayımlar da vardır; örneğin paralel evrenler, multiverse, ileri boyutlar. Teorisyenler bu fikirleri halihazırdaki teorilerle bazı belli problemleri çözmek için öne sürerler. Böylece bu fikirlerin sonuçları deneylerle kıyaslanabilecek biçimde ortaya konur ve test edilebilecek öngörüler ortaya atılır.

Deneysel fizikçiler mühendislik ve teknoloji dallarına bilgi verdiği gibi bu dallardan bilgi de alır. Temel araştırma ile ilgilenenler parçacık hızlandırıcıları ve lazer gibi ekipmanlar dizayn edip kullanırken uygulamalı araştırma yapanlar genellikle endüstride çalışır ve manyetik resonans görüntüleme (MRG) ve transistör vb. teknolojilerin gelişiminde rol alırlar. Feynman'a göre, deneycilerin teorisyenler tarafından hiç araştırılmamış yerlere de yönelebilir.

 

 

 

Assayer'de (1622), Galileo, matematiğin doğanın kendi yasalarını belirttiği dil olduğunu söyler. Fizikteki çoğu deneysel sonuç numerik ölçümler şeklinde gelir ve teoriler bu matematiksel sonuçları karşılamak için matematiksel formda olurlar.

Fizik yasaların keskin olarak formülize edilebileceği mantıksal çerçeveyi sağlamak ve öngörüleri sayısal olarak ortaya koymak için matematiği kullanır. Analitik çözümlerin bulunamadığı durumlarda sayısal analiz yapılır ve simülasyonlar kullanılabilir.

Fizik ile matematik arasındaki temel fark fiziğin nihai olarak materyal gerçekliğin açıklanmasıyla ilgileniyor olduğudur. Fizik teorilerin öngörülerini deney ve gözlem sonuçlarıyla karşılaştırmak suretiyle ilerler, öte yandan matematik dünyada gözlemlenebilecek şeylerin ötesinde, soyut kalıplarla ilgilenir. Buna rağmen ikisinin arasındaki fark çok kesin sınırlarla çizili değildir. Fizik ile matematik arasında kalan geniş bir araştırma sahası vardır; matematiksel fizik.

Fizik öz itibarıyla diğer birçok bilim ile iç içedir, uygulamalı alanlarının mühendislik ve medikal bilimlerle iç içe olduğu gibi. Fiziğin prensipleri diğer doğa bilimlerinde de kendini gösterir, özellikle her türlü materyal sistem için geçerli olan enerjinin korunumu yasası gibi. Süperiletkenlik gibi bazı diğer fenomenler ise bu temel yasalardan türetilirler ve kendileri temel yasa değildir çünkü sadece belli başlı bazı sistemlerde kendilerini gösterirler.

Fiziğin (bazen kimyayı da içerecek biçimde) genellikle “temel bilim” olarak anılıyor oluşu diğer tüm disiplinlerin (biyoloji, kimya, jeoloji, malzeme bilimi, mühendislik, medikal bilimler) temel fizik yasalarına uyan belirli materyal sistemlerle ilgileniyor olduğundandır. Örneğin kimya madde kümelerinin (atom ve moleküllerden oluşan gaz ve sıvılar gibi) ve kimyasal maddelerin değişiminden kaynaklanan, kimyasal reaksiyon denilen süreçlerin incelenişidir. Kimyasal bileşenlerin yapısı, aktivitesi ve özellikleri onları oluşturan moleküllerin özelliklerinden çıkartılabilir. Bu temel özellikler kuantum mekaniği, kuantum kimyası, termodinamik ve elektromanyetizma gibi fiziğin alanlarıyla tanımlanır.

 

 

 

Fizik felsefi köklerini Antik Yunan felsefesinden alır. Tales'in maddeyi ilk kez karakterize etmesinden Demokritus'un doğayı bölünemez atomlara indirgemesine, the Ptolemaic astronomy of a crystalline firmament ve Aristo'nun Fizik'ine kadar farklı Yunan filozofları kendi doğa felsefelerini geliştirmişlerdir. 18. yy a kadar fizik doğa felsefesi olarak biliniyordu.

19. yüzyıl itibarıyla fizik diğer bilimlerden ve felsefeden pozitif bir bilim olarak ayrılmıştır. Diğer bütün bilimler gibi fizik de bilimsel metodunun yeterli bir tanımı için bilim felsefesine dayanır. Bilimsel metod a priori ve a posteriori gerekçelendirmeleri, verilmiş bir teorinin geçerliliğinin Bayesian inference ile belirlenmesini içerir.

Fiziğin gelişimi eski filozofların birçok sorusunu cevapladığı gibi ortaya yeni sorular da çıkarmıştır. Fiziği çevreleyen felsefi meseleler, 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. Ptolemy 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 Alhazen'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 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 metodların 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.

 

 

 

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 arkaplan 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 karamaddeyi zayıf etkileşimde bulunan ağır parçacıklar ile açıklayabilecek bir kanıt aramaktadır, bunun LHC ve diğer yer altı parçacık hızlandırıcılarında yapılan deneylerle destekleneceği tahmin edilmektedir.

IBEX halihazırda yeni astrofiziksel keşifler üretmektedir: Güneş rüzgarının terminasyon şoku boyunca “kimse enerjik nört atom (ENA) ribonunu neyin ürettiğini bilmiyor, fakat herkes klasik heliosfer betimlemesinin – güneş sisteminin güneş rüzgarının yüklü parçacıklarını paketlemesinin yıldızlar arası 'galaktik rüzgar'a doğru bir kuyruklu yıldız şeklinde püskürtülmesi – yanlış olduğu konusunda hemfikir.”

 

 

 

Evrensel kanunları bulmaya çalışan fiziğin teorilerinin farklı uygulama alanları vardır. Kabaca, klasik fiziğin yasaları atomik boyutların üzerinde ve ışık hızının altında olan sistemleri açıklamak için yeterli bir çerçeve sunar. Bu ön gereksinimler karşılanmadığında gözlemler klasik fiziğin tahminleriyle örtüşmez. Albert Einstein mutlak zaman ve mekan kavramları yerine uzay-zaman kavramını koyan özel görelilik kuramını geliştirdi ve böylece ışık hızına yaklaşan hızlardaki sistemleri açıklamak mümkün oldu. Max Planck, Erwin Schrödinger ve diğerlerinin atomik ve atomaltı boyutlardaki sistemleri açıklamak için parçacıkların ve etkileşimlerin olasılıksal algılanışını içeren kuantum mekaniğini ortaya atmaları ile çok küçük boyutlardaki sistemleri deneylerle tutarlı bir biçimde açıklayabiliyoruz. Daha sonra, kuantum alan teorisi kuantum mekaniği ve özel göreliliği birleştirdi. Genel relativite yüksek kütleli ve büyük boyutlu yapıların açıklanması için dinamik, doğrusal olmayan bir uzay-zaman kavrayışı ortaya attı fakat bu teori diğer temel açıklamalarla henüz birleştirilemedi; söz konusu birleştirme için kuantum gravitasyonunu açıklayacak aday teoriler halen geliştirilmekte.

 

 

 

Uygulamalı fizik, genel olarak, fiziğin özel bir kullanım sahasında geliştirilmesidir. Bir uygulamalı fizik programı genellikle jeoloji ve elektrik mühendisliği gibi birkaç uygulama disiplininden dersler içerir. Mühendislikten temel farklı uygulamalı fizikçinin özel bir düzenek tasarlamaması, bunun yerine, yeni teknolojilerin gelişimi ya da belli bir problemin çözümü için fiziği kullanmasıdır.

Yaklaşım uygulamalı matematiğin yaklaşımının benzeridir. Uygulamalı fizikçiler aynı zamanda fiziğin bilimsel araştırmada kullanımıyla da ilgilenebilirler. Örneğin akseleratör fiziğiyle ilgilenen fizikçiler daha iyi parçacık detektörlerinin yapımı için çalışabilirler.

Fiziğin mühendislikte geniş bir uygulama sahası vardır. Örneğin mekaniğin bir alt kolu olan statik köprü ve benzeri yapıların inşasında kullanılır. Akustiğin daha iyi anlaşılması daha efektif konser salonlarının yapılması için, benzer şekilde optiğin daha iyi anlaşılması optiksel araçların daha iyi ve kullanışlı üretilmesi için teorik zemin sağlar. Fiziğin anlaşılması daha gerçekçi uçuş simülasyonları, bilgisayar oyunları ve filmlerin üretilmesine yardım eder.

Standart kabule göre fizik yasaları evrenseldir ve zamanla değişmez; bu nedenle, belirsizlik içinde kalınan bazı sorunların çözümü için de fizik kullanılır. Örneğin, Dünya'nın merkezinin araştırılması ancak Dünya'nın kütlesi, sıcaklığı ve dönüş oranının bilinmesiyle mümkündür. Aynı zamanda fizik mühendislikte simülasyon üretilmesini sağlayarak yeni teknolojilerin gelişmesinde çok büyük bir rol oynar.

Fizikte interdisipliner (disiplinler arası) yöntemlerin yeri önemlidir ve diğer birçok alan fizik tarafından etkilenmektedir, örnek olarak ekonofizik ve sosyofizik verilebilir.

 

 

 

Fiziksel araştırmalar birçok farklı alanda gelişimini sürdürüyor.

Katı hal fiziğinde, çözülmemiş önemli teorik bir problem yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik olgusudur. Diğer bir önemli katı hal fiziği uğraşıda elektronların dönü (spin) özelliğinin kullanılarak elektronik işlemlerin yapılmasını amaçlayan spintronik'dir. Bu konu ile bağlantılı diğer bir güncel konu ise kuantum bilgisayarın katı hal sistemlerinde gerçekleştirilmesidir.

Parçacık fiziğinde, Standart Model'in ötesinde ve temelinde başka bir fiziğin olduğunun deneysel bulguları ortaya çıkmaya başladı. Bunların en önemlilerinden bir tanesi nötrinoların kütlesinin sıfır olmadığının keşfine ilişkin bulgulardır. Bu deneysel sonuçlar uzun süre çözülememiş solar nötrino problemini çözmüş gibi görünüyor. Kütleli nötrinoların fiziği halen aktif bir teorik ve deneysel araştırma konusu. Parçacık hızlandırıcıları TeV mertebesinde enerjilerle parçacıkları çarpıştırmaya başladı. Deneyciler bu deneylerin sonucunda Higgs bozunumu ve süpersimetrik parçacıkları bulmayı umuyor.

Yarım asırdır süregiden, kuantum mekaniğiyle genel göreliliği tek bir kuantum gravitasyonu kuramında birleştirme çabaları henüz sonuç vermiş değil. Halihazırdaki aday teoriler M-teorisi, süpersicim teorisi, döngü kuantum gravitasyonu olarak sıralanabilir.

Birçok astronomik ve kozmolojik gözlem henüz tatmin edici biçimde açıklanmış değil. Bunlardan birkaçı; ultra-yüksek enerjili kozmik ışınlar, baryon asimetrisi, evrenin ivmelenmesi, galaksilerin anormal dönüş oranları.

Yüksek enerji ve kuantum fiziğinde ve astrofizikte elde edilen büyük gelişmelere rağmen kaos, türbülans vb. birçok günlük fenomen hala tam anlamıyla anlaşılabilmiş değil. Dinamik ve mekaniğin zekice uygulanmasıyla çözülebileceği düşünülen kompleks problemler çözümsüz olarak duruyor; örnekler arasında kum yığınlarının oluşumu, sudaki titreşimlerin yapısı, su damlalarının biçimi, yüzey gerilimi fenomeninin mekanizması ve çalkalanan heterojen karışımların kendiliğinden dizilimi var.

Karmaşık (kompleks) yapıların 1970'lerden bu yana artan bir ilgiyle incelenmesinin birkaç nedeni var. Güncel matematiksel ve sayısal yöntemler, ve bilgisayar işlem yetileri karmaşık sistemlerin gerçekçi modellenebilmesine olanak sağladı. Karmaşık fizik, aerodinamikte türbülansın araştırılması ve biyolojik sistemlerde model oluşumunun gözlemlenmesi gibi durumlarda da görülebileceği üzere, git gide disiplinler arası bir araştırma sahası olmaktadır.

Horace Lamb (1932): “Şimdi yaşlı bir adamım ve ölüp cennete gittiğimde iki konuda aydınlanmayı umuyorum; kuantum elektrodinamiği ve akışkanların türbülans hareketi. İlki konusunda daha optimistim.”