现代物理学

近代物理学（Modern physics）所涉及的物理学领域包括量子力学与相对论，与牛顿力学为核心的古典物理学相异。近代物理研究的对象有时小于原子或分子尺寸，用来描述微观世界的物理现象。爱因斯坦创立的相对论经常被视为近代物理学的范畴。19世纪未，物理学家相信他们借由古典物理学理解了大部分的自然现象，牛顿力学、电磁学、热力学和光学对日常生活所见的各种现象提供了完满的解释和准确的预测。20世纪初，量子力学和相对论先后被发展出来，并大大改变了人类对自然的了解。“近代物理学”一词通常指20世纪往后所发展的物理学理论，特别是量子力学和相对论。 近代物理研究大致分类为天文物理学、原子物理学、分子物理学、光波物理学、粒子物理学、凝聚态物理学等等。有些大学的物理系也提供物理教育研究。自20世纪以来，物理学的各个领域越加专业化，大多数物理学家的整个职业生涯只专精于一个领域，像阿尔伯特·爱因斯坦（1879–1955）和列夫·朗道（1908–1968）这样的全才大师现在已寥若晨星。天文物理学是研究宇宙的物理学，这包括星体的物理性质（光度，密度，温度，化学成分等等）和星体与星体彼此之间的交互作用。应用物理理论与方法，天文物理学探讨恒星结构、恒星演化、太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题。由于天文物理学是一门很广泛的学问，天文物理学家通常需要应用很多不同的学术领域，像古典力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学等等。大多数天文物理实验需依赖观测电磁辐射获得数据。比较寒冷的星体，像星际物质或星际云会发射无线电波。大爆炸后，经过红移，遗留下来的微波，称为宇宙微波背景辐射。研究这些微波需要用到无线电望远镜。太空探索大大地扩展了天文学的疆界。太空中的观测可让观测结果避免受到地球大气层的干扰，科学家常透过使用人造卫星于地球大气层外进行红外线、紫外线、伽玛射线和X射线天文学等电磁波波段的观测实验，以获得更佳的观测结果。光学天文学通常使用加装电荷耦合元件和光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层的扰动会干涉观测数据的品质，故于地球上的观测仪器通常必须配备调适光学系统，或改由大气层外的太空望远镜来观测，才能得到最优良的影像。在这频域里，恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱，可以分析恒星、星系和星云的化学成分。理论天文物理学家的工具包括分析模型和计算机模拟。天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解内中奥妙；计算机模拟可以显示出一些非常复杂的现象或效应。大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论和宇宙学原理。由于太初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验证实，科学家确定大爆炸模型正确无误。最近，学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化，这模型涵盖了宇宙暴胀、暗能量、暗物质等等概念。原子物理学、分子物理学及光物理学都是在研究尺寸为单原子或少数原子结构的物质，及其与别的物质之间或与光波之间的交互作用。这三个研究领域会被合并在一起讨论，是因为它们之间的密切关系：它们所使用的分析方法类似，所涉及的能量尺寸也很相近。原子物理学研究原子的结构和性质，即环绕着原子核、束缚于原子内部的电子的排列方式，排列所产生的现象与效应，以及促使排列改变的过程。当今的研究焦点为个体原子和离子在离子阱内部的囚禁冷却与操控、低温碰撞动力学、电子关联对于结构与动态的效应。原子物理学与核子有关，例如超精细结构。分子物理学专注于研究分子的物理性质以及将原子结合为分子的化学键性质。它和原子物理学密切相关。分子物理学中最重要的实验方法是光谱分析。除了从原子得知的电子激发态以外，分子可以旋转与振动。由于这些旋转与振动具有量子性质，伴随的能量阶级也是离散的。纯旋转运动光谱位于红外线谱域（波长大约为30-150微米）；振动光谱位于近红外线谱域（大约为1-5微米）；电子跃迁光谱则位于可见光和紫外线谱域。从测量旋转运动和振动光谱，可以获得分子的物理性质，例如，原子核与原子核之间的距离。原子物理学的原子轨域理论，在分子物理学里，扩展为分子轨域理论。光物理学研究电磁辐射的生成与性质、电磁辐射与物质之间的微观交互作用，特别是其控制与操纵。从微波到X射线，横跨整个电磁波谱，对于每一个频率，研究者尝试开发出具有更优良性质的发光源。研究者也会对于各种线性或非线性光学过程做详细分析。光物理学的研究成果，时常会促成通讯业、制药业、制造业甚至娱乐业的惊人进展。粒子物理学研究组成物质和射线的基本粒子，以及它们之间的交互作用。由于在大自然的一般条件下，许多基本粒子不存在、存在的生命周期极短或无法单独出现，需待物理学家使用极高能量的粒子加速器碰撞来产生这些基本粒子，因此粒子物理学也被称为高能物理学。标准模型可以正确地描述基本粒子之间的交互作用。这模型能够说明12种已知粒子（夸克和轻子），这些粒子彼此之间相互以强力、弱力、电磁力或引力施加于对方。这些粒子会互相交换规范玻色子（分别为胶子、光子、W及Z玻色子）。标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。凝聚态物理学研究物质的宏观物理性质。凝聚态指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强的交互作用的系统。常见的凝聚态有固态和液态，这是由原子与原子之间的化学键和电磁力形成的物态。比较罕见的凝聚态包括发生于非常低温的系统里的超流体和玻色-爱因斯坦凝聚态、在某些物质里的传导电子展现的超导态、在某些磁性物质内部因为原子晶格的自旋而出现的铁磁态和反铁磁态。凝聚态物理学起源于十九世纪固体物理学和低温物理学的发展，是近代物理学最大的分支，与化学、材料科学、纳米科技有相当程度的重叠。