1.挑战世界的宇宙解释
世界著名科学家斯蒂芬·霍金曾在德国参加一次弦论会议时说，与原先的预料相比，利用所谓的“万物至理”来解释宇宙将需要经过更长一些时间。弦论是一种认为所有物质、甚至时间和空间本身都是由微小的能量环组成的理论。在20世纪80年代弦论还不那么为人所知的时候，霍金曾经说过，20年内这一理论得到证明的可能性是一半。现在他不那么肯定了。
霍金说：“尽管过去20年里我们取得了巨大的进步，但看来我们并没有更加接近于实现我们的目标。”现在他认为，实现这一目标可能还需要20年。
一些科学家希望弦论可以把物理学上的两种理论即爱因斯坦的广义相对论和量子理论合二为一。广义相对论解释的是空间和时问的宏观结构，而量子力学解释的是物质和能量的基本性质。问题在于，尽管这两种理论在各自的范围内能够十分出色地解释宇宙，但是它们并不能互相包容。
事实上，很可能它们都不正确。它们可能是一种范围更大的、意义更为深远的理论的一部分。弦论很可能成为这样一种“包罗万象的”理论，但决不是唯一的一种。
离开德国之后，爱因斯坦在普林斯顿大学继续从事所谓的统一理论的研究，但他一直没有找到答案。不过据霍金说，统一理论也许不能提供放之四海而皆准的答案。霍金说：“也许根本不存在能够同时适用于不同答案的理论，这就如同根本没有一张能够包括整个世界的地图一样。”他说：“我们不了解宇宙的起源，不了解我们为什么会在这儿。一个完整的统一理论可能不会带来很多实际的好处，但是它将回答那个古老问题。”
2.划时代的普朗克量子物理
黑体辐射引发了普朗克的兴趣，他有极佳的见识，由这两个各解释了一半实验结果的数学公式，推断出了所需的方程式。普朗克并不是以理论或实验来推导公式，他只是“猜测”罢了，这样说并不是抹煞了普朗克的才智，相反，他的猜测是需要有极高天分才能有的启发式猜测。
然而，普朗克知道他必须根据既有的原理，以理论的方式来推导才能使其他科学家信服，光猜测是不够的。因此，他着手进行理论探索。一开始，他了解到，为了能以逻辑方式得到他想要的结果，惟一的方法是：“假设黑体所吸收及释出的光，并不是一种连续波，而是一种小‘包’的形式。”他将光的这些小包，称为“量子”，1900年量子物理诞生了。
根据普朗克的理论，黑体所吸收及释放的光，是以量子形式存在的。之后，爱因斯坦以啤酒桶来比喻普朗克的理论，啤酒桶每次只流一品脱单位的量，而不是连续不断。在这个比喻中“啤酒桶的开关就像黑体，啤酒是吸收或释出的辐射，而品脱这个单位则类似于量子。开关每次只准许以品脱为单位的量流出”。
普朗克的理论看来已为黑体辐射作了解释，但却被其他物理学家忽略了5年之久。这只不过是另一个例子，一些划时代的突破往往多被同时代科学家所忽略，后者只注意成熟的理论，这些划时代的突破还超过他们的领悟之外。然而，在1905年，由于一位理论物理学家的努力，量子物理终于窜升为物理的先驱理论。而这位物理学家只不过是个在瑞士伯尔尼瑞士专利局工作的职员，不是大学教员，这位科学家无疑是历史上最伟大的科学家，他在物理上所引起的革命，可与两个世纪前牛顿爵士的成就并驾齐驱，他就是阿尔伯特.爱因斯坦。
3.新兴的介观物理
我们知道，通常的宏观体系均由大量的微观粒子所组成，随着科学技术的飞速发展，对物质的超导电性不仅在理论上进行了深入研究，而且在实际中也进行了应用。但这只是在宏观尺度上量子力学现象的表现。而量子理论的一个历史性的成功是正确地指出了晶体的电阻是由于各种无规则的分布，并破坏了其晶格周期性的因素引起的。这些因素可以归纳为杂质和声子（即晶格振动）。这些足够无序的杂质会使一个导体的输送性质变成绝缘体的特性。例如：正常导线的电阻与其长度成正比；但有足够杂质的导线的电阻却是随长度按指数规律分配。因而用宏观系统已无法解释其现象。在这种背景下，便出现了一门新兴的学科——介观物理。
介观物理是研究介观体系中一系列物理现象的一种学科。其主要的内容包括：量子扩散区涉及的主要物理现象，正常金属环中的持续电流，微加工技术及器件应用、电子结构光学性质以及尺寸系统中人们较为关心的物理问题。介观物理基于介观体系，即是把尺度相当于或大于一个有物理意义的小尺度体系，该体系与宏观体系有显著的差别，其表现为它小到了失去宏观体系通常具有的自平由于目前微加工技术已到介观体系的尺度，随着尺寸的减少，传统的电子器件已日益接近它的工作原理的“物理极限”，进一步的发展有赖于对介观物理这一领域的深入认识，使介观物理的研究具有重要的应用背景。同时，由于材料科学技术的进步，以及人们对固体中载流流子的认识的不断深入才出现了介观物理这一新的科学领域，它有着很重要的基础研究意义，也为进一步发展固体电子学提供了物理基础，成为凝聚态物理中近几年来发展得很快的研究热点。
4.探索未来的粒子物理学
迄今，物理学从最基本粒子——夸克开始，直至对整个宇宙的认识，已经有了重大的新进展。当我们思考着宇宙的时候，首先总想知道物质世界是由什么构成的，又是什么力量在维系着这样复杂的世界。目前，人们已经认识到，世界是由基本粒子组成的。实际上，“基本粒子”并不基本，因而被统称为粒子。现在已认识到，构成物质的最小组分是12种轻子——只参加弱相互作用、电磁相互作用而不参加强相互作用的费米子，36种夸克——感受强作用力的带电粒子，12种媒介子——传递相互作用的粒子，共计为60种。同时，已知道作用在物质上的所有复杂的力可归结为三种力，即：引力，是由引力子所传递的最弱的力，但在宇宙的大距离、大质量尺度上却是强有力的一种力；统一的电磁一弱力或电弱力，即以电磁力和弱力两种表现形式出现的同一基本力，由经受了实验检验的电弱统一理论描述的一种力；强力，由胶子携带并仅在原子核内夸克之间起作用的短程力，即将夸克胶结在一起的色力，它使原子核保持为一个整体。20世纪80年代以来，世界上竞相建造了许多大型高能加速器，都是为了检验粒子物理学中的标准模型理论——弱相互作用、电磁相互作用的统一模型理论和强相互作用中的量子色动力学理论，以及寻找这种理论可应用的范围。
在2l世纪里，粒子物理学仍然是前沿分支学科，仍将在空间尺度极小的方向上寻求物质组分，在时间尺度极短方向上探求粒子的行为，以及寻找支配物质行为的基本力。由于基本力之间在数学上的相似性，就提示着存在一种更基本的统一力的可能性，即所有的力可能是同一种基本力的不同表现形式，在建立了标准模型之后，仍然存在着很多疑难问题，因此，检验和发展标准模型理论、寻找超出于标准模型理论的新物理和新的基本规律就成为未来粒子物理学的主要发展方向。
5.新层次的核物理学
自从卢瑟福发现原子核的存在后，便开创了核物理学研究领域。20世纪中叶后，核物理学已取得了新进展。核物理学主要研究强相互作用的多体问题，即在多体问题的前提下，研究各式各样核子系统的结构、状态和相互作用，以及支配核内各核子运动的力——核子一核子力的规律。这一分支学科的发展仍充满着活力，同时也面临着两大困难，即尚未完全弄清楚核子一核子力问题及多体问题所固有的复杂性。尽管如此，核物理学仍有许多新的发现，并建立了一些新理论，如对核的巨共振现象的研究，不但可观测到巨单极共振、四极共振，还可观测到自旋共振、巨磁偶极共振、巨伽莫夫一泰勒共振和核颤动现象；而且，还发现新的放射性类型如缓发中子、质子、双质子、双中子发射；在理论上发展了多体问题的模型方法和严格的核多体理论。在重离子核物理学研究中有更大的进展，尤其是把低能加速器改成重离子加速器，使重离子达到亚相对论能量，从而大大地开拓了核物理学的研究范围。
在21世纪里，核物理学将在新自由度和新的层次上扩展。在能量自由度方向上，将扩展到更高入射能、更高激发能、更高核温度区域。可以预言，在极高能密度时，将存在新的物质形态＿夸克～胶子等离子体，这是一种具有极高密度的新的物质状态。在这种奇特物态下，夸克解禁，单个核子将不再存在，这类似于在宇宙早期或在现在的超新星爆发中可能存在的物质状态。在这一假设状态中，被约束在原子核中的质子和中子内的组分夸克和胶子，会在高能碰撞导致的高温高压条件下流聚在一起。在同位旋自由度方向上，向远离稳定线的两边拓广时，核物理学的实验和理论研究将在空前的广度上深化，实现新的突破。在自旋这一新的维度上开展高自旋态核结构研究，也将是一个十分活跃的领域。同时，在核的强相互作用环境中，验证和探索超出标准模型的规律，将是核物理和粒子物理共同的发展方向。
6.跨世纪的凝聚态物理学
凝聚态物质由大量原子、分子以相当强的相互作用凝聚结合而成，包括固体、液体、液晶等物质形态。凝聚态物理研究对象含金属、半导体、超导体、超流体、准晶体、电介质、磁性物质等。目前，已形成了超导电性物理、晶体学、磁学、表面物理、固态发光物理、液态物理、极端条件下的物理等分支子学科，以及与化学、生命科学等交叉形成的交叉学科。
凝聚态物理学研究复杂多体系统，内容丰富，应用最广泛，并取得了重大的成就，如晶体管效应、量子霍耳效应、准晶态、高温氧化物超导体的发现都具有划时代的意义。
在21世纪里，凝聚态物理学将有更多的机会得到发展。这是由于凝聚态物质运动的复杂性、存在形式的多样性，因而存在着一系列最活跃的前沿领域和尚需解决的重大科学问题，如介观系统的物理特性，强关联多电子系统的基态和元激发，凝聚态多体系统中存在的服从分数统计的分数电荷元激发，自旋、电荷自由度分离的元激发，小量子系统和团簇系统的特性及新效应，非线性系统的行为，以及高温超导电性的机理等。
介观系统表现出一系列新的物理特性。在介观系统中，电子波函数的相干长度与体系的特征尺度相当，不能再把电子看成处在外场中运动的经典粒子，电子的波动性在运输过程中得以展现，导致普适电导涨落、非局域性电导等效应，突破了经典固体物理的若干观念。
高温超导机理研究仍将是活跃的前沿领域。高温超导体的研究虽已有了革命性的进展，但氧化物高温超导体的超导机制仍不清楚，这无疑是对固体物理理论的严重挑战。而且，它不仅涉及固体理论原有基本框架，还将对复杂多体系统的研究带来根本的影响。同时，高温超导现象还与物质磁性有着特殊的联系，也会给凝聚态物理带来很大的冲击。作为高温超导机制出发点的强关联多电子系统、重费米子系统等都得益于磁性物理。
7.研究第四态的等离子体物理学
等离子体是由大量带电粒子组成的宏观体系，是物质存在的第四态。任何物质由于温度不同可以处于固态、液态、气态和等离子体态。等离子体是部分或完全电离了的气体，在宏观上或整体上呈准电中性，即电子和离子所带正、负电荷的总和基本相等；而且，集体效应起主要作用。此外，在电解质溶液中，大量自由运动的电子和离子，也可看成等离子体；在金属中构成晶格的离子和传导电子，在半导体中电子和空穴，在整体上也呈电中性，又称固体等离子体。
在宇宙中，竟然有99％以上的物质都以等离子体形式存在着。巨大质量、极高温度的太阳，白矮星，中子星，大量气态星云，以及大量星际物质等都是等离子体。除了像地球这样一些很冷的地方外，日地空间、太阳系空间也都充满着等离子体。
由于带电粒子的运动与电磁场直接耦合，并通过电磁场与其他粒子相互作用，使等离子体的运动特征及其规律远比其他物质形态更为复杂。目前，等离子体物理研究已成为人类认识宇宙的重要基础，特别是对人类认识、控制地球空间环境，最终解决新能源，发展很多新技术展开了广阔的前景。
等离子体物理学以电动力学、流体力学、统计物理学和量子力学为基础，主要研究空间和天体等离子体、高温等离子体、低温等离子体。主要研究方法有近似处理和统计处理两大类：在近似处理中，有单粒子处理和流体处理，前者是把等离子体当作独立粒子系统，按牛顿运动方程来确定单个粒子在电磁场中的运动轨道，而不考虑粒子间的相互作用，这种方法最适合于描述稀薄等离子体；后者是把等离子体当作连续介质来处理，这种介质是导电流体，要受磁场的影响，因而要涉及宏观磁流体力学理论，这种方法最适合于描述稠密等离子体。在统计处理中，是把等离子体作为多粒子系统，确定出系统中各种粒子的分布函数来，求分布函数随时问而演化的方程——动力论方程，建立微观理论。
