Fysiikassa tutkitaan ympäröivää luontoa. Varhaisimmat tutkimuskohteet, kuten liikeilmiöt ja taivaankappaleiden liike, ovat aistein havainnoitavissa. Myös lämpöopin ja sähkömagnetismin perusilmiöt ovat välittömässä kokemuspiirissämme. Kun luonnonilmiöitä ymmärretään entistä paremmin, on tutkimuskohteiden mittaskaala myös laajentunut. Ihmisen asema on samalla muuttunut luonnonilmiöiden tulosten tulkitsijaksi, kun tutkimuksessa käytettävät laitteet tekevät mittauksia ihmisaisteille mahdottomista ilmiöistä.

1900-luvun alussa syntyi kvanttifysiikka kuvaamaan atomitason ilmiöitä. Opittiin tuntemaan atomin ytimen rakenne, ja siihen liittyvät vahva ja heikko vuorovaikutus. Nykyinen hiukkasfysiikan standardimalli selittää aineen jakamattomien rakenneosien ominaisuudet ja vuorovaikutukset hyvin tarkasti. Standardimallin hiukkaset tulivat kokeellisesti todennetuiksi, kun Higgsin hiukkasen löytö julkistettiin kesällä 2012. Francois Englert ja Peter Higgs saivat hiukkasfysiikan teoriaan liittyvästä kehitystyöstä Nobel-palkinnon v. 2013.

Fysiikka kuvaa myös koko maailmankaikkeuden suurimpia mittakaavoja ja pisimpiä ajanjaksoja. Kosmologisten havaintojen ja gravitaatiovuorovaikutusta kuvaavan suhteellisuusteorian ansiosta tunnetaan maailmankaikkeuden kehitys alkuräjähdyksen jälkeisistä hetkistä nykyaikaan. 2010-luvulla on tehty suuria koko ihmiskunnan huomion saaneita löytöjä. Suhteellisuusteoriasta kumpuavat gravitaatioaallot osoitettiin todellisiksi, ja mustasta aukosta julkaistiin ensimmäinen oikea kuva. Gravitaatioaaltojen löydöstä jaettiin Nobel-palkinto Reiner Weissille, Barry C. Barrishille ja Kip S. Thornelle v. 2017.

Samalla kun fysiikan tutkimus on levittänyt tietämystämme yhä uusille alueille, ovat kokeellisen tutkimuksen menetelmät kehittyneet monimutkaisemmiksi. Pienimpiä luonnon kokoluokkia tutkitaan valtavilla hiukkaskiihdyttimillä ja hiukkasilmaisimilla. LHC-hiukkaskiihdyttimen (Large Hadron Collider) rakentaminen ja hankkeen rahoittaminen vaatii useiden kansakuntien yhteistyötä. Gravitaatioaaltoja syntyy kahden kappaleen pyöriessä toistensa ympäri. Kahden toistensa ympäri pyörivän mustan aukon tuottamien gravitaatioaaltojen havaitseminen edellytti LIGO-laboratoriolta (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) äärimmäisen tarkkaa mittaustekniikkaa. Merkittävät fysiikan tutkimustulokset ovat työryhmien tuotosta. LHC:llä ja LIGO:lla toteutettavat tutkimukset edellyttävät osaamista, ja työmäärää, jota yksittäinen tutkija ei voi aikaansaada.

Niin hiukkasfysiikan kuin kosmologian tutkimustyö palkitaan paitsi maailmankaikkeuden toiminnan ymmärryksen lisääntymisenä, myös tutkimuksen ansiosta syntyvinä käytännön sovelluksina edistämään arkipäiväisiä toimia tulevaisuudessa. Viimeisen sadan vuoden aikana kvanttifysiikan soveltamisesta laitetuotannossa ovat esimerkkeinä ledi ja älypuhelin. Nykyisiin käsityksiin alkeishiukkasten luonteesta ja maailmankaikkeuden rakenteesta sisältyy avoimia kysymyksiä, joihin fyysikot etsivät kiihkeästi vastauksia. Niiden löytyessä ihmiskunnan käsitys luonnosta tarkentuu jälleen entistä laajemmaksi.

Kuvat ylhäältä alas: LHC-kiihdyttimen tunneli, hiukkashavainto LHC:n CMS-ilmaisimessa, LIGO-laboratorio, visualisointi gravitaatioaaltojen synnystä mustien aukkojen törmätessä, Event Horizon -teleskoopilla kuvattu musta aukko.