✨Giải Nobel Vật lý
thumb|upright|[[Wilhelm Röntgen (1845–1923), người đầu tiên nhận giải Nobel Vật lý.]] Mặt sau huy chương giải Nobel vật lý
Giải Nobel Vật lý là giải thưởng hàng năm do Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao cho những người có đóng góp nổi bật nhất cho nhân loại trong lĩnh vực vật lý. Đây là một trong năm Giải Nobel được thành lập theo ý muốn của Alfred Nobel vào năm 1895 và bắt đầu trao từ năm 1901, những giải còn lại là Giải Nobel Hóa học, Văn học, Hòa bình, và Sinh lý học và Y khoa. Theo truyền thống, vật lý là giải thưởng đầu tiên được trao trong lễ trao giải Nobel.
Nhà vật lý người Đức Wilhelm Röntgen là người đầu tiên nhận giải Nobel Vật lý nhằm ghi nhận những đóng góp phi thường mà ông mang lại khi khám phá ra tia X-quang. Giải thưởng này do Quỹ Nobel quản lý và được coi là giải thưởng uy tín nhất mà một nhà khoa học có thể nhận trong lĩnh vực vật lý. Giải giới thiệu tại Stockholm tại một buổi lễ thường niên vào ngày 10 tháng 12, ngày giỗ của Nobel. Tính đến năm 2022, có tổng cộng 221 cá nhân đã nhận giải.
Bối cảnh
Alfred Nobel đã quy định trong di chúc và di thư cuối cùng của ông rằng tiền của ông sẽ dùng để tạo ra một loạt giải thưởng để trao cho những người mang lại "lợi ích lớn nhất cho nhân loại" trong các lĩnh vực vật lý, hóa học, hòa bình, sinh học hoặc y học, và văn học. Mặc dù Nobel đã viết nhiều di chúc trong suốt cuộc đời của ông, nhưng di chúc cuối cùng được viết hơn một năm trước khi ông qua đời và ký tại Câu lạc bộ Thụy Điển-Na Uy ở Paris vào ngày 27 tháng 11 năm 1895. Nobel để lại 94% tổng tài sản 31 triệu kronor Thụy Điển (US$198 triệu, €176 triệu vào năm 2016), để thiết lập và tặng năm giải thưởng Nobel. Do mức độ hoài nghi xung quanh di chúc, phải đến ngày 26 tháng 4 năm 1897, di chúc mới được Quốc hội Na Uy chấp thuận. Những người thực hiện di chúc của ông là Ragnar Sohlman và Rudolf Lilljequist, họ đã thành lập Quỹ Nobel để quản lý tài sản của Nobel và tổ chức các giải thưởng.
Các thành viên của Ủy ban Nobel Na Uy sẽ trao giải Giải Hòa bình ngay sau khi di chúc được thông qua. Các tổ chức trao giải theo sau: Học viện Karolinska vào ngày 7 tháng 6, Viện Hàn lâm Thụy Điển vào ngày 9 tháng 6 và Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển vào ngày 11 tháng Sáu. Sau đó, Quỹ Nobel đã đạt được thỏa thuận về hướng dẫn cách thức trao giải Nobel. Năm 1900, Vua Oscar II ban hành quy chế mới cho Quỹ Nobel. Theo di chúc của Nobel, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển sẽ trao Giải thưởng Vật lý. So với các giải Nobel khác, quy trình đề cử và tuyển chọn cho giải Vật lý kéo dài và nghiêm ngặt nhất. Đây là lý do chính giải thích tại sao nó ngày càng trở nên quan trọng hơn trong những năm gần đây và trở thành giải thưởng quan trọng nhất trong ngành Vật lý.
Ủy ban Nobel Vật lý sẽ lựa chọn ra những người đoạt giải Nobel, Ủy ban Nobel bao gồm năm thành viên do Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển bầu chọn. Trong giai đoạn đầu tiên bắt đầu từ tháng 9, một nhóm khoảng 3.000 giáo sư đại học, những người đoạt giải Nobel Vật lý và Hóa học, và những người khác sẽ gửi các mẫu đề cử bí mật. Các mẫu đã hoàn thành phải đến tay Ủy ban Nobel trước ngày 31 tháng 1 của năm tiếp theo. Các chuyên gia sẽ xem xét kỹ lưỡng và thảo luận về các đề cử, rồi thu hẹp xuống còn khoảng mười lăm cái tên. Ủy ban sẽ đệ trình một báo cáo với các khuyến nghị về các ứng cử viên cuối cùng cho Viện, tại đó, trong Cấp Vật lý, nó sẽ được thảo luận thêm. Sau đó, Viện đưa ra lựa chọn cuối cùng của những người đoạt giải Vật lý theo đa số phiếu bầu.
Quy tắc chung là không bao giờ công bố công khai tên của những người nhận đề cử, và họ cũng không nhận bất kỳ thông báo nào về việc Viện đang xem xét chính họ cho Giải thưởng. Hồ sơ đề cử sẽ được niêm phong trong năm mươi năm. Mặc dù không được phép đề cử những người đã qua đời, nhưng giải thưởng vẫn có thể trao nếu cá nhân đó qua đời trong khoảng thời gian đợi quyết định của ủy ban (thường là vào tháng 10) và buổi lễ vào tháng 12. Trước năm 1974,vẫn cho phép truy tặng ứng cử viên đã qua đời sau khi nhận đề cử.
Các quy tắc của giải Nobel Vật lý yêu cầu tầm quan trọng của những thành tựu phải được công nhận và "kiểm tra bằng thời gian". Trên thực tế, điều đó có nghĩa là độ trễ giữa phát hiện và giải thưởng thường vào khoảng 20 năm và có thể lâu hơn nữa. Ví dụ, một nửa giải Nobel Vật lý năm 1983 đã được trao cho Subrahmanyan Chandrasekhar vì công trình của ông về cấu trúc sao và sự tiến hóa đã được thực hiện trong thập niên 1930. Đây cũng là nhược điểm của quy tắc thử nghiệm theo thời gian này do không phải tất cả các nhà khoa học đều sống đủ lâu để công việc của họ được công nhận. Một số khám phá khoa học quan trọng không bao giờ được xem xét để trao giải thưởng, vì những người khám phá qua đời vào ngay thời điểm tác động của công trình đó được đánh giá cao.
Tranh cãi
nhỏ|[[Nikola Tesla]] nhỏ|[[Thomas Edison]] Thomas Edison và Nikola Tesla, hai nhà phát minh nổi tiếng Thế giới cuối thế kỉ 19 và 20 được coi là những ứng cử viên nặng ký cho Giải Nobel Vật lý năm 1915, nhưng không ai trong số họ giành được giải thưởng này cho dù cả hai đều đóng góp rất lớn cho sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật. Nhiều người tin rằng ủy ban xét giải đã loại cả hai người do những mâu thuẫn cá nhân giữa hai nhà phát minh này, nhiều bằng chứng cho thấy cả Edison và Tesla bằng cách này hay cách khác đã tìm cách hạ thấp những cống hiến và sự xứng đáng đoạt giải của người kia, đồng thời thề sẽ từ chối giải nếu phải cùng nhận hoặc nhận sau địch thủ của mình—như đồn đại của giới truyền thông. Dù sao thì cũng rất đáng tiếc khi trong danh sách những người nhận giải không có tên Tesla và Edison. Cần biết rằng lúc này Tesla đang rất cần hỗ trợ về tài chính, chỉ một năm sau khi được đề cử không thành, ông đã lâm vào cảnh phá sản
Nhà Vật lý nữ người Áo Lise Meitner đã đóng góp rất lớn vào việc phát hiện ra hiện tượng phân hạch năm 1939 nhưng không bao giờ được nhận Giải Nobel Vật lý. Trong thực tế, chính bà chứ không phải Otto Hahn, người được nhận Giải Nobel Hóa học năm 1944 "vì tạo ra nguyên tố mới nhờ phản ứng phân hạch", đã lần đầu tiên đề cập đến hiện tượng phân hạch đồng vị phóng xạ sau khi phân tích các dữ liệu thí nghiệm và cùng Otto Robert Frisch áp dụng thành công mẫu giọt chất lỏng của Niels Bohr để giải thích hiện tượng này. Nhiều người cho rằng Meitner không được trao giải vì tình trạng trọng nam khinh nữ phổ biến đầu thế kỉ 20 trên Thế giới và ngay trong thành phần ủy ban xét giải, đã dẫn đến những cống hiến của bà bị xem nhẹ và gạt khỏi danh sách trao giải.
Giải Nobel Vật lý năm 1956 được trao cho William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain "vì phát minh transistor" trong khi thực tế đã có nhiều phát minh trước đó liên quan đến việc hình thành transistor như các mẫu transistor hiện đại do Julius Edgar Lilienfeld đăng ký bằng sáng chế từ năm 1928.
Ngô Kiện Hùng là nhà Vật lý nữ được mệnh danh "Đệ nhất phu nhân của Vật lý", "Marie Curie của Trung Quốc", bà đã chứng minh bằng thực nghiệm sự vi phạm bảo toàn tính chẵn lẻ năm 1956 và là phụ nữ đầu tiên được nhận Giải Wolf cho Vật lý. Tuy vậy đến tận khi mất năm 1997, bà vẫn không được xét trao Giải Nobel Vật lý. Chính Ngô Kiện Hùng đã đề cập thí nghiệm của mình với Lý Chính Đạo và Dương Chấn Ninh, giúp cho hai nhà Vật lý này chứng minh thành công lý thuyết về sự vi phạm bảo toàn tính chẵn lẻ trong phân rã điện tử. Lý và Dương đã được nhận Giải Nobel Vật lý vì công trình này, tương tự trường hợp của Meitner, dư luận đã chỉ trích việc ủy ban không đồng trao giải cho Ngô Kiện Hùng như là một biểu hiện của việc trọng nam khinh nữ trong xét giải của Ủy ban Giải Nobel.
Năm 1974 giải được trao cho Martin Ryle và Antony Hewish "vì những nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực Vật lý thiên văn vô tuyến". Hewish được trao Giải Nobel Vật lý với lý do riêng là đã phát hiện ra xung tinh, nhưng thực tế thì nhà Vật lý này ban đầu đã giải thích những tín hiệu thu được là liên lạc của "những người nhỏ bé da xanh" ("Little Green Men", ám chỉ người ngoài hành tinh) với Trái Đất. Sự giải thích chính xác chỉ đến khi David Staelin và Edward Reifenstein phát hiện ra một xung tinh ở tâm của Tinh vân con cua (Crab Nebula). Sau đó, Fred Hoyle và nhà thiên văn Thomas Gold đã giải thích chính xác pulsar là những sao neutron quay rất nhanh trong từ trường mạnh nên bức xạ sóng vô tuyến đều đặn và mạnh như là việc phát ánh sáng của một ngọn hải đăng. Jocelyn Bell Burnell, học trò do Hewish hướng dẫn, cũng không được xét trao giải, mặc dù cô là người đầu tiên đề cập đến các nguồn sóng vô tuyến từ ngoài vũ trụ mà sau đó được chứng minh là bắt nguồn từ các pulsar. Một trường hợp tương tự cũng liên quan đến Vật lý thiên văn là Giải Nobel Vật lý năm 1978, năm đó hai người chiến thắng là Arno Allan Penzias và Robert Woodrow Wilson "vì đã phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ" (CMB), trong khi ban đầu chính bản thân hai người này cũng không thể hiểu được tầm quan trọng to lớn của phát hiện này và cũng không giải thích được chính xác nguồn gốc của các tín hiệu tìm thấy.
Trong những năm gần đây, Giải Nobel Vật lý cũng không thoát khỏi chỉ trích từ giới khoa học và dư luận. Giải năm 1997 được trao cho Chu Đệ Văn, Claude Cohen-Tannoudji và William Daniel Phillips "vì đã phát triển phương pháp làm lạnh và bẫy nguyên tử bằng laser" trong khi những công trình tương tự đã được các nhà Vật lý Nga thực hiện từ hơn một thập kỉ trước đó.
Lịch sử người nhận giải
Từ vật lý cổ điển đến vật lý lượng tử
Wilhelm Röntgen, người đầu tiên đoạt giải Nobel Vật lý năm 1901 Năm 1901, khi giải Nobel đầu tiên được trao thì các lĩnh vực của vật lý cổ điển đã dựa trên một nền tảng vững chắc do các nhà vật lý và hóa học vĩ đại của thế kỉ 19 tạo nên. Tuy vậy, sự thỏa mãn về bức tranh vật lý đó kéo dài không được bao lâu. Thời điểm bước sang thế kỉ mới là thời điểm quan sát các hiện tượng mà vật lý lúc bấy giờ không lý giải được và những ý tưởng cực mới về cơ sở của vật lý lý thuyết được đưa ra.
Tia X và phóng xạ
Một trong những hiện tượng không giải thích được của vài năm cuối cùng của thế kỉ 19 đó là việc Wilhelm Conrad Röntgen, người được trao giải Nobel vật lý đầu tiên (1901) phát hiện ra tia X vào năm 1895. Năm 1896 Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ và hai vợ chồng nhà bác học Marie và Pierre Curie tiếp tục nghiên cứu bản chất của hiện tượng này. Nhờ công trình về hiện tượng phóng xạ, Becquerel và vợ chồng Curie được trao giải Nobel năm 1903. Cùng với công trình của Ernest Rutherford (người đoạt giải Nobel về hóa học năm 1908) người ta hiểu rằng thực ra nguyên tử bao gồm một hạt nhân rất nhỏ chứ không phải như từng được nghĩ như trước đây là một phần tử không có cấu trúc.
Cấu trúc nguyên tử
Năm 1897, J.J. Thomson (Joseph John Thomson) phát hiện các tia phát ra từ cathode trong một ống chân không là những hạt có mang điện tích. Ông đã chứng minh rằng các tia này gồm những hạt rời rạc mà sau này chúng ta gọi là các hạt điện tử (hay electron). Ông đã đo tỉ số giữa khối lượng của hạt với điện tích (âm) của hạt đó và thấy rằng giá trị đó chỉ bằng một phần rất nhỏ so với giá trị dự đoán của các nguyên tử mang điện. Và ngay sau đó người ta thấy rằng các hạt có khối lượng nhỏ bé mang điện tích âm đó phải là những viên gạch cùng với hạt nhân mang điện tích dương đã tạo nên tất cả các loại nguyên tử. Thomson nhận giải Nobel năm 1906. Trước đó một năm (1905), Philipp E.A. von Lenard đã làm sáng tỏ rất nhiều tính chất thú vị của những tia phát ra từ ca-tốt như là khả năng đi sâu vào những tấm kim loại và tạo ra huỳnh quang. Sau đó, vào năm 1912, Robert A. Millikan lần đầu tiên đo chính xác điện tích của điện tử bằng phương pháp giọt dầu (tiếng Anh: oil-drop), và việc này dẫn ông đến giải Nobel năm 1923. Millikan cũng được trao giải cho những công trình về hiệu ứng quang điện.
Sự phá sản của ê-te
Vào đầu thế kỉ 20, Albert Abraham Michelson đã phát triển một phương pháp giao thoa, theo phương pháp này thì khoảng cách giữa hai vật thể có thể được đo bằng số các bước sóng ánh sáng (hoặc là những phần nhỏ của chúng). Điều này làm cho việc xác định chiều dài chính xác hơn trước đó rất nhiều. Dùng chiếc giao thoa kế đó, Michelson và Edward Morley đã tiến hành một thí nghiệm nổi tiếng (Thí nghiệm Michelson-Morley, thí nghiệm đó kết luận rằng vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động tương đối của nguồn ánh sáng và người quan sát. Thí nghiệm này bác bỏ giả thuyết trước đó coi ê-te là môi trường truyền ánh sáng. Michelson nhận giải Nobel năm 1907.
Nguyên tử và từ trường
Các cơ chế phát xạ ánh sáng bởi các hạt tải điện đã được Hendrik Lorentz nghiên cứu. Ông cũng là người đầu tiên áp dụng các phương trình Maxwell vào việc dẫn điện trong vật chất. Lý thuyết của ông có thể được áp dụng vào bức xạ gây ra bởi dao động giữa các nguyên tử, vào bối cảnh đó, lý thuyết có thể giải thích một thí nghiệm cực kì quan trọng. Vào năm 1896, Pieter Zeeman khi nghiên cứu về các hiệu ứng điện từ của ánh sáng đã tìm ra một hiện tượng quan trọng, đó là các vạch phổ của natri khi bị đốt cháy trong một từ trường mạnh bị tách thành một vài thành phần. Hiện tượng này có thể được giải thích rất chi tiết bằng lý thuyết của Lorentz khi lý thuyết này được áp dụng cho các dao động của các điện tử. Lorentz và Zeeman chia nhau giải Nobel năm 1902. Sau đó, Johannes Stark chứng minh ảnh hưởng trực tiếp của điện trường lên phát xạ ánh sáng nhờ việc phát ra một chùm các nguyên tử (chùm tia anode gồm các nguyên tử hoặc phân tử) trong một điện trường mạnh. Ông đã quan sát được sự tách phức tạp của các vạch phổ cũng như dịch chuyển Doppler phụ thuộc và vận tốc của nguồn phát. Stark nhận giải Nobel năm 1919.
Ứng dụng của tia X và xác định cấu trúc lớp điện tử
Bắt đầu từ giữa thế kỉ 19, người ta đã có một tài liệu thực nghiệm đó là những vạch phổ đặc trưng phát ra trong những vùng khả kiến từ những loại nguyên tử khác nhau. Bức xạ tia X đặc trưng do Charles Glover Barkla (giải Nobel năm 1917) phát hiện bổ sung thêm cho tài liệu đó. Barkla phát hiện điều đó sau khi Max von Laue (giải Nobel năm 1914) xác định bản chất sóng của bức xạ và nhiễu xạ tia X. Phát hiện của von Laue trở thành một nguồn thông tin quan trọng về cấu trúc bên trong của nguyên tử. Karl Manne Georg Siegbahn nhận thấy rằng đo phổ tia X đặc trưng của tất cả các nguyên tố sẽ cho biết một cách có hệ thống các lớp điện tử kế tiếp được thêm vào như thế nào khi đi từ các nguyên tố nhẹ tới các nguyên tố nặng. Ông đã thiết kế các quang phổ kế cực kì chính xác cho mục đích này. Và nhờ đó sự khác nhau về năng lượng của các lớp điện tử khác nhau cũng như các quy tắc cho việc dịch chuyển bức xạ giữa các lớp đó được xác định. Ông nhận giải Nobel vật lý năm 1924. Tuy vậy, hóa ra là để hiểu sâu hơn cấu trúc của nguyên tử, người ta cần nhiều hơn rất nhiều những khái niệm thông thường của vật lý cổ điển mà lúc bấy giờ, khó ai có thể tưởng tượng nổi.
Sự ra đời của thuyết lượng tử
Vật lý cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng cũng là liên tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ có một đỉnh cực đại? Wilhelm Wien nghiên cứu về bức xạ của vật đen (tiếng Anh: black body) từ những vật rắn nóng (tương phản với bức xạ của các nguyên tử khí có phân bố tần số liên tục). Sử dụng điện động học cổ điển, ông đi tới một biểu thức cho phân bố tần số của bức xạ này và cho sự dịch chuyển của bước sóng có cường độ cực đại khi nhiệt độ của một vật đen bị thay đổi (định luật dịch chuyển Wien, rất hiệu quả trong việc xác định nhiệt độ của Mặt Trời chẳng hạn). Ông được trao giải Nobel năm 1911.
Max Planck, cha đẻ thuyết lượng tử Tuy vậy, Wien không thể rút ra một công thức phân bố phù hợp với thực nghiệm cho cả hai vùng bước sóng dài và bước sóng ngắn. Vấn đề đó không được giả quyết cho đến khi Max Planck đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới là năng lượng phát xạ chỉ phát ra từng lượng gián đoạn có một giá trị nhất định gọi là lượng tử. Một lượng tử năng lượng bằng hằng số Planck nhân với tần số của lượng tử đó. Đây được coi là sự ra đời của vật lý lượng tử. Wien nhận giải Nobel năm 1911 và Planck nhận giải Nobel năm 1918. Các bằng chứng quan trọng chứng minh ánh sáng phát ra theo từng lượng tử năng lượng cũng được củng cố bằng lời giải thích của Albert Einstein về hiệu ứng quang điện (được Heinrich Rudolf Hertz quan sát lần đầu tiên vào năm 1887), hiệu ứng này cho thấy ánh sáng không chỉ được phát ra theo từng lượng tử mà còn được hấp thụ theo từng lượng tử. Hiệu ứng quang điện bao gồm phần mở rộng của lý thuyết Planck. Einstein nhận giải Nobel vật lý năm 1921 về hiệu ứng quang điện và về những đóng góp cho vật lý lý thuyết.
Trong các thí nghiệm sau này, James Franck và Gustav Ludwig Hertz đã chứng minh hiệu ứng quang điện ngược (tức là khi một điện tử va chạm với một nguyên tử thì cần một năng lượng tối thiểu để sinh ra các lượng tử ánh sáng với năng lượng đặc trưng phát ra từ va chạm đó) và chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết Planck và hằng số Planck. Franck and Hertz cùng nhận giải Nobel năm 1926. Cũng vào khoảng thời gian đó, Arthur Compton (người nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1927) nghiên cứu sự mất mát năng lượng của quang tử (lượng tử sóng điện từ) tia X khi tán xạ lên các hạt vật chất và cho thấy rằng các lượng tử của chùm tia X có năng lượng lớn hơn năng lượng của ánh sáng nhìn thấy 10.000 lần và chúng cũng tuân theo các quy tắc lượng tử. Charles Thomson Rees Wilson (xem dưới đây) nhận một nửa giải Nobel năm 1927 vì tạo ra dụng cụ quan sát tán xạ năng lượng cao có thể được dùng để chứng minh tiên đoán của Compton.
Mô hình nguyên tử của Bohr
Niels Bohr làm việc với mô hình hành tinh nguyên tử trong đó các điện tử quay xung quanh hạt nhân. Ông thấy rằng các vạch phổ sắc nét phát ra từ các nguyên tử có thể được giải thích nếu cho rằng điện tử quay xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo tĩnh đặc trưng bởi một mô-men góc bị lượng tử hóa. Ông cũng cho thấy năng lượng phát xạ chính bằng sự khác nhau giữa các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa đó. Giả thiết ông đưa ra có xuất phát điểm từ vật lý cổ điển hơn là từ lý thuyết của Planck. Mặc dầu giả thiết trên chỉ giải thích được một số đặc điểm đơn giản của quang phổ và nguồn gốc của nó nhưng người ta cũng sớm chấp nhận nó vì phương pháp của Bohr là một điểm khởi đầu đúng đắn, ông nhận giải Nobel năm 1922.
Lưỡng tính sóng-hạt
Năm 1923, Louis de Broglie (Louis-Victor P. R. de Broglie) đã phát biểu rằng các hạt vật chất cũng có những tính chất sóng và rằng sóng điện từ cũng thể hiện những tính chất của các hạt dưới dạng các quang tử. Ông đã phát triển các công thức toán học cho tính lưỡng tính này, trong đó có một công thức mà sau này gọi là bước sóng de Broglie cho các hạt chuyển động. Các thí nghiệm ban đầu của Clinton Davisson đã chỉ ra rằng thực ra các điện tử thể hiện tính chất phản xạ giống như các sóng khi đập vào một tinh thể và các thí nghiệm này được lặp lại nhiều lần chứng minh giả thiết lưỡng tính của de Broglie. Một thời gian sau George Paget Thomson (con trai của J.J. Thomson) đã đưa ra nhiều thí nghiệm đã được cải tiến rất nhiều cho biết hiện tượng tán xạ khi các điện tử năng lượng cao đi sâu vào trong các tấm kim loại. De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 và sau đó Davisson và Thomson chia nhau giải Nobel năm 1937. Erwin Schrödinger phát triển thêm ý tưởng của de Broglie và viết một bài báo cơ bản về Lượng tử hóa như là một bài toán trị riêng vào đầu năm 1926. Ông đã tạo ra một cái gọi là cơ học sóng. Nhưng một năm trước đó Werner Heisenberg đã bắt đầu một phương pháp toán học hoàn toán khác gọi là cơ học ma trận và bằng cách đó ông cũng thu được các kết quả tương tự như các kết quả mà Schrödinger đưa ra sau đó. Lý thuyết này cũng ngụ ý rằng có những giới hạn tự nhiên trong việc xác định chính xác đồng thời các đại lượng vật lý Hệ thức bất định Heisenberg. Heisenberg được trao giải Nobel năm 1932 cho sự phát triển của cơ học lượng tử, trong khi đó Schrödinger và Paul Dirac cùng nhận giải vào năm sau đó. Dirac sửa đổi các công thức khi tính đến lý thuyết tương đối hẹp của Einstein và cho thấy rằng một lý thuyết như vậy không chỉ bao gồm những thông số tương ứng cho sự tự quay của điện tử xung quanh mình, gọi là spin, mà còn tiên đoán sự tồn tại của một loại hạt hoàn toàn mới gọi là các phản hạt có khối lượng bằng khối lượng của điện tử nhưng mang điện tích dương. Phản hạt đầu tiên của điện tử do Carl David Anderson (được trao một nửa giải Nobel năm 1936) phát hiện năm 1932 được gọi là phản điện tử (positron).
Nguyên lý loại trừ
Max Born, thầy của Heisenberg vào những năm đầu của thập niên 1920 có những đóng góp quan trọng về miêu tả toán học và giải thích vật lý. Ông nhận một nửa giải Nobel vào năm 1954 cho công trình của ông về ý nghĩa thống kê của hàm sóng. Wolfgang Pauli đã đưa ra nguyên lý loại trừ (mỗi trạng thái lượng tử chỉ có thể có một điện tử mà thôi) dựa trên cơ sở lý thuyết bán cổ điển của Bohr. Sau này, người ta cũng thấy nguyên lý Pauli liên quan đến tính đối xứng của hàm sóng của các hạt có spin bán nguyên nói chung gọi là các fermion để phân biệt với các hạt boson có spin là một số nguyên lần của hằng số Plank chia cho 2*pi. Nguyên lý loại trừ có nhiều hệ quả quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lý và Pauli nhận giải Nobel năm 1945.
Năm 1947, Polykarp Kusch tìm ra rằng mô-men từ của một điện tử không có giá trị đúng như Dirac tiên đoán mà khác với một đại lượng rất nhỏ. Vào cùng thời gian đó Willis Lamb cũng nghiên cứu một vấn đề tượng tự về spin của điện tử tương tác với các trường điện từ bằng việc nghiên cứu cấu trúc siêu tinh tế của quang phổ phát ra từ nguyên tử hydrogen. Ông quan sát thấy rằng sự tách cấu trúc siêu tinh tế luôn luôn sai khác với giá trị của Dirac một lượng đáng kể. Kusch và Lamb cùng nhận giải Nobel năm 1955.
Điện động lực học lượng tử và sắc động lực học lượng tử
frame|Richard Feynman, người có đóng góp đáng kể cho điện động lực học lượng tử Trong điện động lực học lượng tử (còn được biết theo chữ viết tắt tiếng Anh là QED - quantum electrodynamics), lý thuyết nhiễu loạn lượng tử miêu tả các hạt tích điện tương tác thông qua trao đổi các quang tử. Mô hình cũ của điện động lực học lượng tử chỉ bao gồm trao đổi quang tử riêng lẻ, nhưng Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman nhận ra rằng tình huống lại phức tạp hơn rất nhiều vì tán xạ điện tử-điện tử có thể bao gồm trao đổi một vài quang tử. Một điện tích điểm trần trụi không tồn tại trong bức tranh của họ. Điện tích luôn tạo ra một đám các cặp hạt-phản hạt ảo ở xung quanh nó, do đó, mô men từ hiệu dụng của nó thay đổi và thế năng Coulomb cũng bị biến đổi tại các khoảng cách ngắn. Các tính toán từ mô hình này đã tái tạo lại các dữ liệu thực nghiệm của Kusch và Lamb với một độ chính xác ngạc nhiên và mô hình điện động lực học lượng tử mới được coi là một lý thuyết chính xác nhất đã từng có. Tomonaga, Schwinger và Feynman cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1965. Phát triển này của điện động lực học lượng tử lại có một tầm quan trọng vĩ đại nhất cho cả việc miêu tả các hiện tượng vật lý năng lượng cao. Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân không của một trường lượng tử là một khái niệm cơ sở trong lý thuyết trường hiện đại của các tương tác mạnh và của sắc động lực học lượng tử (quantum chromodynamics).
Khám phá về tính đối xứng
Khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử là tính đối xứng của các hàm sóng và các trường. Năm 1956, Lý Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương Chấn Ninh (Chen Ning Yang) đã chỉ ra rằng các tương tác vật lý có thể không tuân theo đối xứng gương. Điều này có nghĩa là tính chất chẵn lẻ của hàm sóng, ký hiệu là P, không được bảo toàn khi hệ bị đặt dưới một tương tác như vậy và tính chất đối xứng gương có thể bị thay đổi. Lý và Dương cùng nhận giải Nobel năm 1957. James Watson Cronin và Val Logsdon Fitch phát hiện sự phân rã của hạt meson K vi phạm nguyên lý bảo toàn điện tích và tính chẵn lẻ năm 1964 và họ cùng nhau nhận giải Nobel năm 1980.
Năm 1960, khi Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg đưa ra lý thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ. Họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1979 về lý thuyết thống nhất này và đặc biệt là tiên đoán của họ về một loại tương tác yếu đặc biệt được điều hòa bởi dòng neutron đã được thực nghiệm kiểm chứng mới gần đây. Giải Nobel vật lý cuối cùng của thế kỷ 20 được trao cho Gerardus 't Hooft và Martinus J. G. Veltman. Họ đã tìm ra cách để tái chuẩn hóa lý thuyết điện-yếu, và loại bỏ các điểm kỳ dị trong các tính toán lượng tử.
Từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô
Thuyết tương đối
Albert Einstein, Cha đẻ của [[Thuyết tương đối, nhưng lại được trao giải Nobel về Hiệu ứng quang điện]] Một mối liên hệ khác liên kết các thực thể nhỏ nhất và lớn nhất trong vũ trụ của chúng ta là lý thuyết tương đối của Albert Einstein. Einstein đưa ra thuyết tương đối hẹp của mình lần đầu tiên vào năm 1905 với phương trình cho biết mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng E = mc². vào thập kỷ tiếp theo, ông tiếp tục đưa ra thuyết tương đối rộng liên hệ lực hấp dẫn với cấu trúc của không gian và thời gian. Tất cả các tính toán khối lượng hiệu dụng của các hạt năng lượng cao, của các biến đổi năng lượng trong phân rã phóng xạ cũng như các tiên đoán của Dirac về sự tồn tại của phản hạt, đều dựa trên lý thuyết tương đối của ông. Lý thuyết tương đối rộng là cơ sở cho các tính toán chuyển động trên thang vĩ mô của vũ trụ, kể cả giả thiết về tính chất của hố đen. Einstein nhận giải Nobel vào năm 1921 lại do công trình về hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của ánh sáng.
Các đồng vị
Ernest Rutherford và Frederick Soddy (Nobel hóa học 1921) đưa ra lý thuyết biến tố. Họ đã theo dõi rất chi tiết một chuỗi các phân rã phóng xạ khác nhau và so sánh năng lượng phát ra với sự thay đổi về khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con. Họ tìm thấy rằng hạt nhân thuộc một nguyên tố hóa học có thể có các khối lượng khác nhau và họ đã tìm ra các đồng vị. Một giải Nobel cũng được trao vào năm 1922 cho Francis William Aston về việc tách quang phổ - khối lượng của một số lớn các đồng vị của các nguyên tố không phóng xạ. Cùng lúc đó Marie Curie cũng nhận giải Nobel lần thứ hai (lần này về hóa học) về phát hiện ra các nguyên tố hóa học radi và poloni.
Khối lượng của các đồng vị đều là một số nguyên lần khối lượng của proton, hạt proton do Rutherford phát hiện lần đầu tiên khi ông chiếu tia alpha và hạt nhận nguyên tử nitơ. Nhưng các đồng vị không thể chỉ được tạo thành từ các proton được vì mỗi nguyên tố hóa học chỉ có một giá trị tổng điện tích hạt nhân. Thông thường các proton chỉ chiếm không đến một nửa khối lượng hạt nhân, điều đó có nghĩa là một số thành phần không mang điện cũng có mặt trong hạt nhân. James Chadwick lần đầu tiên tìm thấy chứng cứ cho hạt đó, gọi là hạt neutron khi ông nghiên cứu các phản ứng hạt nhân năm 1932. Ông nhận giải Noebel vật lý năm 1935.
Ngay sau phát hiện của Chadwick, Enrico Fermi và một số người khác cũng bắt tay vào nghiên cứu neutron như là một phương pháp để tạo ra các phản ứng hạt nhân mà có thể gây ra phóng xạ "nhân tạo". Fermi thấy rằng xác suất của các phản ứng hạt nhân cảm ứng (không bao gồm biến đổi nguyên tố) tăng lên khi neutron bị làm chậm đi và điều này cũng đúng cho các nguyên tố nặng giống như với các nguyên tố nhẹ, trái ngược với phản ứng của các hạt mang điện (ví dụ như proton) cảm ứng. Ông nhận giải Nobel vật lý năm 1938.
Vật lý hạt nhân
Một nhánh của vật lý gọi là vật lý hạt nhân đã được hình thành dựa trên giả thiết hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron và một vài thành tựu quan trọng đã được ghi nhận bằng các giải Nobel. Ernest Lawrence, người nhận giải Nobel vật lý năm 1939 đã xây máy gia tốc đầu tiên trong đó các hạt được gia tốc dần dần bằng việc gia tăng năng lượng cho hạt sau mỗi vòng quay trong từ trường. Sir John Cockcroft và Ernest Walton đã gia tốc các hạt bằng việc tác động trực tiếp một điện thế rất cao và các ông cũng được trao giải vào năm 1951 cho công trình nghiên cứu về biến tố.
Otto Stern nhận giải Nobel vật lý năm 1943 cho các phương pháp thực nghiệm của ông để nghiên cứu tính chất từ của hạt nhân, đặc biệt là xác định mô men từ của proton. Isidor I. Rabi làm tăng độ chính xác lên hai bậc trong việc xác định mô men từ của hạt nhân bằng kỹ thuật cộng hưởng tần số vô tuyến, và do đó, ông nhận giải Nobel vật lý năm 1944. Sau đó, vào nửa cuối của thế kỷ một vài nhà vật lý lý thuyết được trao giải cho những công trình về mô hình hóa lý thuyết các hệ nhiều hạt như: Eugene Wigner, Maria Goeppert-Mayer và J. Hans D. Jensen vào năm 1963 và Aage Niels Bohr, Ben Roy Mottelson và Leo James Rainwater vào năm 1975.
Vật lý năng lượng cao
Ngay từ năm 1912 Victor F. Hess (giải Nobel năm 1936 cùng với Carl David Anderson) thấy rằng các bức xạ có khả năng đi sâu vào vật chất có thể đến với chúng ta từ khoảng không ngoài vũ trụ. Bức xạ vũ trụ này được ghi nhận bằng các buồng ion hóa và sau này là buồng mây Wilson. Các tính chất của các hạt có thể phỏng đoán từ các vạch cong của các hạt để lại trong buồng ion hóa dưới tác dụng của từ trường ngoài rất lớn. Theo cách đó, Anderson đã phát hiện ra phản điện tử (positron). Anderson và Patrick Blackett cho thấy rằng, tia gamma có thể sinh ra các cặp điện tử-phản điện tử (electron-positron) và ngược lại, điện tử và phản điện tử có thể hủy nhau tạo ra chính tia gamma bị mất đi. Blackett nhận giải Nobel vật lý năm 1948 cho việc phát triển buồng mây sau này và các phát minh mà ông đã thực hiện để làm việc đó.
Mặc dù sau này, các máy gia tốc được phát triển nhiều, bức xạ vũ trụ vẫn là nguồn chủ yếu của các hạt năng lượng cao trong vài thập kỷ (và hạt từ bức xạ vũ trụ có năng lượng lớn hơn năng lượng của các hạt tạo ra từ các máy gia tốc lớn nhất trên Trái Đất, mặc dù cường độ của bức xạ vũ trụ rất nhỏ) và nó đã cung cấp những hình ảnh ban đầu của một thế giới hạ hạt nhân mà lúc bấy giờ con người hoàn toàn chưa biết. Một loại hạt mới gọi là meson mu được phát hiện năm 1937 có khối lượng xấp xỉ 200 lần khối lượng điện tử (nhưng nhẹ hơn proton 10 lần). Năm 1946, Cecil Frank Powell đã làm sáng tỏ hiện tượng trên và cho rằng thực ra là có hơn một loại hạt như vậy tồn tại. Một trong số đó có tên là meson pion phân rã thành một hạt khác gọi là meson mu. Powell nhận giải Nobel vật lý năm 1950.
Hạt cơ bản
Năm 1935, Hideki Yukawa giả thiết rằng lực tương tác mạnh có thể được truyền bằng các hạt trao đổi, giống như lực điện từ được giả thiết được truyền thông qua trao đổi các quang tử ảo trong lý thuyết trường lượng tử. Yukawa cho rằng một hạt như vậy phải có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng của điện tử để giải thích tầm tác dụng ngắn của lực tương tác mạnh mà thực nghiệm tìm ra. Hạt meson pi mà Powell tìm ra có các tính chất phù hợp để có thể là hạt Yukawa. Ngược lại, hạt meson mu lại có các tính chất hoàn toàn khác (và tên của nó sau này được đổi thành muon). Yukawa nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1949. Mặc dù các nghiên cứu sau này chỉ ra rằng cơ chế của lực tương tác mạnh phức tạp hơn bức tranh của Yukawa rất nhiều nhưng ông vẫn được coi là tiên phong trong nhiên cứu các hạt truyền tương tác mạnh. David J. Gross, H. David Politzer và Frank Wilczeck là chủ nhân của giải Nobel vật lý năm 2004 với những khám phá về lực hạt nhân mạnh. Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng, không giống như các lực khác, lực tương tác mạnh lại suy yếu đi khi hai quark tiến về một chỗ. Hiện tượng đó giống như thể các hạt được nối với nhau bằng một dải cao su, mà lực kéo giữa chúng càng mạnh khi chúng càng ở xa nhau. Phát hiện của ba nhà nghiên cứu này, công bố năm 1973, đã dẫn đến lý thuyết về sắc động lực học lượng tử - lý thuyết góp phần quan trọng cho sự ra đời của Mô hình Chuẩn.
Vào cuối những năm 1950, các máy gia tốc có thể đạt năng lượng vài tỉ eV (electron-volt), tức là các cặp hạt với khối lượng bằng khối lượng của proton có thể được tạo ra từ chuyển đổi năng lượng-khối lượng. Phương pháp này được nhóm nghiên cứu của Owen Chamberlain và Emilio Segrè sử dụng khi lần đầu tiên họ đã xác định và nghiên cứu phản proton vào năm 1955 (học chia nhau giải Nobel năm 1959). Các máy gia tốc năng lượng cao cũng cho phép cũng cho phép nghiên cứu cấu trúc của proton và neutron chi tiết hơn trước đó rất nhiều và Robert Hofstadter có thể phân biệt chi tiết cấu trúc điện từ của các nucleon nhờ quan sát tán xạ của chúng lên các điện tử năng lượng cao. Ông nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1961.
Sự tồn tại của hạt neutrino tiên đoán từ lý thuyết của Pauli vào những năm 1930 cũng đã được ghi nhận. Các bằng chứng trực tiếp thực nghiệm đầu tiên về hạt neutrino được Clyde Cowan và Frederick Reines cung cấp vào năm 1957 nhưng mãi đến năm 1995, công trình đó mới được trao một nửa giải Nobel (lúc đó Cowan đã chết, ông chết năm 1984). Neutrino cũng có mặt trong các quá trình liên quan đến tương tác yếu (như là phân rã của hạt beta và hạt meson pi thành hạt muon) và khi cường độ chùm hạt tăng lên, các máy gia tốc có thể tạo ra các chùm neutrino thứ cấp. Leon M. Lederman, Melvin Schwartz và Jack Steinberger đã phát triển phương pháp này vào những năm 1960 và chứng minh rằng hạt neutrino đi kèm trong phân rã meson pi thành muon không đồng nhất với các neutrino liên quan đến các điện tử trong phân rã hạt beta, chúng là hai hạt riêng biệt gọi là hạt neutrino điện tử và neutrino muon. Giải Nobel vật lý năm 2002 được trao cho Riccardo Giacconi, Masatoshi Koshiba và Raymond Davis Jr. vì có công thu được các hạt neutrino, khẳng định bằng thực nghiệm sự có mặt của hạt này.
Hạt điện tử (e-), hạt muon (μ), neutrino điện tử (νe), neutrino muon (νμ) và các phản hạt của chúng đã được tìm thấy và chúng thuộc cùng một lớp gọi là lepton. Các hạt trên không tương tác bởi lực tương tác mạnh; ngược lại, các hạt proton, neutron, meson và hyperon (tập hợp các hạt có khối lượng lớn hơn khối lượng của proton) lại được xác định bởi lực tương tác mạnh. Các hạt lepton được mở rộng khi Martin Lewis Perl và nhóm nghiên cứu của ông đã phát hiện ra hạt lepton tau có khối lượng lớn hơn điện tử và muon. Perl chia giải Nobel với Reines vào năm 1995.
Hạt quark
Tất cả các lepton vẫn được coi là các hạt cơ bản, tức là chúng giống như các điểm và không có cấu trúc nội, nhưng đối với proton,... thì lại không phải vậy. Murray Gell-Mann và nhiều người khác cố gắng phân loại các hạt tương tác rất mạnh (gọi là các hadron) thành các nhóm có các liên hệ và kiểu tương tác giống nhau. Gell-Mann nhận giải Nobel năm 1969. Hệ thống của ông dựa trên giả thiết rằng tất cả các hạt đều được tạo thành từ các hạt nguyên tố gọi là các hạt quark. Bằng chứng thực về việc các nucleon được tạo thành từ các hạt giống như quark đến từ công trình của Jerome Isaac Friedman, Henry Way Kendall và Richard Edward Taylor. Họ "nhìn thấy" các hạt cứng bên trong các lepton khi nghiên cứu tán xạ không đàn hồi của các điện tử lên các lepton. Do đó, họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1990.
Người ta hiểu rằng tất cả các hạt tương tác mạnh đều được tạo thành từ các quark. Vào giữa những năm 1970, một hạt có thời gian sống rất ngắn được phát hiện một cách độc lập bởi nhóm của Burton Richter và Samuel C. C. Ting. Đó là một loại hạt quark chưa được biết vào lúc đó và được đặt tên là quark đẹp (charm). Hạt quark này không có mối liên hệ nào đến hệ thống các hạt cơ bản và Richter và Ting chia nhau giải Nobel năm 1976. Mô hình chuẩn trong vật lý hạt phân chia các hạt thành 3 họ, họ thứ nhất gồm: 2 quark (và các phản quark) và hai lepton, trong mỗi lepton đều có các quark thuận và nghịch, điện tử và neutrino điện tử; họ thứ hai gồm: quark lạ (strange) và quark đẹp, muon và neutrino muon; họ thứ ba gồm: quark thuận, quark nghịch, tau và tau neutrino. Các hạt truyền tương tác trong tương tác điện yếu là photon, Z boson và W boson; trong tương tác mạnh là các hạt gluon.
Năm 1983, Carlo Rubbia và nhóm nghiên cứu của ông đã chứng minh sự tồn tại của các hạt W và Z bằng buồng va chạm proton-phản proton với năng lượng đủ cao để tạo ra các hạt rất nặng đó. Rubbia chia giải năm 1984 với Simon van der Meer, người có những phát minh quan trọng trong việc xây dựng buồng va chạm đó. Họ cũng suy đoán rằng có các hạt khác có thể được tạo ra tại các năng lượng cao hơn năng lượng của các máy gia tốc hiện thời, nhưng đến giờ không có bằng chứng thực nghiệm nào về điều đó.
Vũ trụ học
Mô hình vụ nổ lớn (Big Bang) miêu tả một kịch bản có thể cho sự tiến hóa của vũ trụ tại những thời điểm đầu tiên. Một trong những tiên đoán của mô hình đó là sự tồn tại của nền bức xạ vũ trụ đã được Arno Allan Penzias và Robert Woodrow Wilson tìm ra vào năm 1960. Họ cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1978.
Hans Bethe lần đầu tiên miêu tả chu kì hiđrô và cacbon trong đó năng lượng được giải phóng trong các ngôi sao bởi sự kết hợp của proton thành hạt nhân heli. Vì đóng góp này, ông nhận giải Nobel vật lý vào năm 1967.
Subrahmanyan Chandrasekhar đã tính toán lý thuyết quá trình tiến hóa của các ngôi sao, đặc biệt là các ngôi sao sẽ kết thúc cuộc đời của mình ở một trạng thái gọi là sao lùn trắng. Dưới một số điều kiện đặc biệt, sản phẩm cuối cùng có thể là sao neutron, một vật thể cực đặc trong đó tất cả các proton biến thành neutron. Trong các vụ nổ siêu sao, các nguyên tố nặng được tạo ra trong quá trình tiến hóa của các sao sẽ bay vào trong khoảng không vũ trụ. William Alfred Fowler đã làm sáng tỏ rất chi tiết cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm các phản ứng hạt nhân quan trọng nhất trong các ngôi sao và sự hình thành các nguyên tố nặng. Fowler và Chandrasekhar cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1983.
Thiên văn vô tuyến cung cấp các thông tin về các vật thể vũ trụ mà chúng ta không thể quan sát được bằng phổ quang học. Sir Martin Ryle đã phát triển một phương pháp trong đó các tín hiệu từ vài kính thiên văn đặt cách xa nhau có thể kết hợp với nhau để làm tăng độ phân giải của bản đồ nguồn sóng radio từ bầu trời. Antony Hewish và nhóm nghiên cứu của ông đã thực hiện một phát minh rất ngẫu nhiên vào năm 1964 khi sử dụng kính thiên văn của Ryle: các vật thể không xác định gọi là pulsar phát ra các xung tần số sóng vô tuyến với tốc độ lặp lại rất xác định. Ryle và Hewish chia giải Nobel vật lý năm 1974.
Năm 1974 cuộc tìm kiếm pulsar là đối tượng chính của các nhà thiên văn vô tuyến, nhưng một bất ngờ khác đã đến vào mùa hè năm đó khi Russell Alan Hulse và Joseph Hooton Taylor, Jr. đã chú ý đến sự điều biến chu kì của tần số các xung của một pulsar mới được phát hiện gọi là PSR 1913+16. Đó chính là pulsar đôi đầu tiên được ghi nhận, nó được đặt tên như vậy bởi vì sao neutron phát ra sóng radio là một thành phần trong một hệ sao đôi có kích thước gần bằng nhau. Các quan sát trên 20 năm về hệ sao này cho thấy bằng chứng của sóng hấp dẫn. Sự suy giảm của tần số quay rất phù hợp với các tính toán dựa trên lý thuyết của Einstein về mất mát năng lượng gây ra do phát ra sóng hấp dẫn. Hulse và Taylor chia nhau giải Nobel vật lý vào năm 1993. Tuy vậy việc thu trực tiếp sóng hấp dẫn trên Trái Đất vẫn chưa được thực hiện.
Từ đơn giản đến phức tạp
Hạt nhân nguyên tử
Để đơn giản hóa, người ta coi hạt nhân nguyên tử, theo một phép gần đúng bậc một, được tạo thành từ các hạt nucleon. Mô hình đầu tiên về cấu trúc hạt nhân là mô hình các lớp hạt nhân do Maria Goeppert-Mayer và Johannes D. Jensen đưa ra vào cuối những năm 1940. Họ nhận thấy rằng ít nhất đối với các hạt nhân với hình gần như hình cầu thì các nucleon bên ngoài cùng cũng lấp đầy các mức năng lượng giống như các điện tử trong nguyên tử. Tuy vậy, trật tự của các nucleon lại khác với các điện tử và được xác định bởi một thế năng chung và bởi sự kết cặp spin-quỹ đạo rất mạnh của các lực hạt nhân. Mô hình của họ giải thích tại sao hạt nhân lại đặc biệt ổn định với một số xác định (con số kì diệu) các proton. Họ chia nhau giải Nobel vật lý năm 1963 cùng với Eugene Wigner, người đã công thức hóa các nguyên lý đối xứng cơ bản rất quan trọng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt.
Hạt nhân có số nucleon khác với con số kì diệu thì lại không phải là hình cầu. Niels Bohr đã từng nghiên cứu mô hình giọt chất lỏng áp dụng cho các hạt nhân bị biến dạng như vậy (có thể có dạng hình e-líp), vào năm 1939 người ta thấy rằng nếu kích thích các hạt nhân bị biến dạng mạnh có thể dẫn đến sự phân chia hạt nhân, tức là hạt nhân bị phá vỡ thành hai mảnh lớn. Otto Hahn nhận giải Nobel hóa học năm 1944 cho phát hiện quá trình mới này. Hình phi cầu của hạt nhân biến dạng sinh thêm các bậc tự do cũng giống như sự dao động tập thể của các hạt nhân. James Rainwater, Aage Bohr (con trai của Niels Bohr) và Ben Mottelson đã phát triển các mô hình miêu tả các kích thích hạt nhân và họ cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1975.
Các mô hình về hạt nhân được nhắc đến trên đây không chỉ dựa trên các nguyên lý chung, có tính định hướng mà còn dựa trên các thông tin ngày càng tăng về phổ hạt nhân. Harold C. Urey đã phát hiện ra deuterium, một đồng vị nặng của hydrogen và, vì thế, ông được trao giải Nobel về hóa học vào năm 1934. Fermi, Lawrence, Cockcroft và Walton, được nhắc đến ở phần trước, đã phát triển các phương pháp để tạo ra các đồng vị hạt nhân không bền. Edwin M. McMillan và Glenn T. Seaborg nhận giải Nobel hóa học năm 1951 vì đã mở rộng bảng đồng vị hạt nhân tới các nguyên tố nặng nhất. Năm 1954, Walther Bothe và Max Born (được nhắc đến ở trên) nhận giải Nobel vật lý vì phát triển phương pháp trùng hợp cho phép những người nghiên cứu quang phổ có thể lựa chọn các chuỗi bức xạ hạt nhân có liên quan từ phân rã hạt nhân.
Nguyên tử
Một bài toán có từ lâu vẫn chưa được giải quyết là các vấn đề toán học liên quan đến các tương tác lẫn nhau giữa các điện tử sau khi tính đến lực hút của các hạt nhân mang điện tích dương. Một khía cạnh của vấn đề này đã được đề cập bởi một trong những người đạt giải Nobel hóa học mới đây (1998), đó là Walter Kohn. Ông đã phát triển phương pháp hàm mật độ có thể áp dụng vào các nguyên tử tự do cũng như áp dụng cho các điện tử trong các phân tử và trong chất rắn.
Vào đầu thế kỉ 20, bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học vẫn chưa hoàn thiện. Lịch sử ban đầu của giải Nobel bao gồm các phát hiện một số các nguyên tố còn thiếu. Lord Rayleigh đã chú ý đến những dị thường về khối lượng nguyên tử tương đối khi các mẫu oxy và nitơ được tách trực tiếp từ không khí quanh ta chứ không phải tách chúng từ các thành phần hóa học. Ông kết luận rằng khí quyển phải có chứa thành phần chưa biết, đó là nguyên tố argon, có khối lượng nguyên tử là 20. Ông nhận giải Nobel vật lý năm 1904, cùng năm với Sir William Ramsay nhận giải Nobel hóa học vì đã tách được nguyên tố heli.
Trong nửa cuối của thế kỉ 20, đã có một sự phát triển vượt bậc về phổ và độ chính xác nguyên tử, mà nhờ đó người ta có thể đo được các dịch chuyển giữa các trạng thái nguyên tử, hoặc phân tử, rơi vào vùng vi sóng hoặc vùng ánh sáng khả kiến. Vào những năm 1950, Alfred Kastler (giải Nobel năm 1966) và các đồng nghiệp cho thấy các điện tử trong các nguyên tử có thể được đặt vào các trạng thái kích thích lọc lựa bằng các sử dụng ánh sáng phân cực. Sau phân rã phóng xạ, ánh sáng phân cực cũng có thể làm cho spin của các nguyên tử ở trạng thái cơ bản định hướng.
Cảm ứng dịch chuyển tần số vô tuyến đã mở ra các khả năng đo một cách chính xác hơn trước rất nhiều các tính chất của các trạng thái bị lượng tử hóa của các điện tử trong nguyên tử. Một hướng phát triển song song đã dẫn đến việc phát hiện ra maser và laser dựa trên khuếch đại phát xạ kích thích sóng vô tuyến trong các trường sóng điện từ ở vùng vi sóng và khả kiến – các hiệu ứng mà về mặt nguyên lý đã được tiên đoán từ các phương trình của Einstein vào năm 1917 nhưng đã không được quan tâm đặc biệt cho đến tận đầu những năm 1950.
Charles H. Townes đã phát triển maser đầu tiên vào năm 1958. Nikolay G. Basov và Aleksandr M. Prokhorov đã thực hiện công trình lý thuyết về nguyên lý maser. Maser đầu tiên sử dụng một dịch chuyển kích thích trong phân tử ammonium. Nó đã phát ra bức xạ vi sóng mạnh không giống như các bức xạ tự nhiên (với các quang tử có các pha khác nhau). Độ sắc nét của tần số của maser ngay lập tức trở thành một công cụ quan trọng trong kĩ thuật, xác định thời gian và các mục đích khác. Townes nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1964, Basov và Prokhorov chia nhau một nửa giải còn lại.
Đối với bức xạ khả kiến, sau này laser được phát triển trong một số phòng thí nghiệm. Nicolaas Bloembergen và Arthur L. Schawlow được nhận nửa giải Nobel năm 1981 cho công trình nghiên cứu về phổ laser chính xác của các nguyên tử và phân tử. Một nửa giải của năm đó được trao cho Kai M. Siegbahn (con trai của Manne Siegbahn), người đã phát triển một phương pháp có độ chính xác cao trong việc xác định phổ nguyên tử và phân tử dựa vào các điện tử phát ra từ các lớp điện tử bên trong khi bị tác động của chùm tia X có năng lượng đã được xác định. Phổ điện tử của ông được sử dụng làm công cụ phân tích trong rất nhiều ngành của vật lý và hóa học.
Norman F. Ramsey đã phát triển các phương pháp chính xác dựa trên sự hưởng ứng của các điện tử tự do trong chùm nguyên tử với trường điện từ tần số vô tuyến, Wolfgang Paul đã phát minh ra các bẫy nguyên tử tạo thành từ các điện trường và từ trường tác động lên toàn bộ thể tích mẫu. Nhóm nghiên cứu của Hans G. Dehmelt là những người đầu tiên cách ly được các hạt riêng lẻ (trong trường hợp này là các phản điện tử) cũng như là các nguyên tử riêng lẻ trong các bẫy như vậy. Lần đầu tiên, các nhà thực nghiệm có thể "giao tiếp" được với các nguyên tử riêng biệt bằng các tín hiệu vi sóng và laser. Điều này cho phép nghiên cứu các khía cạnh mới của tính chất cơ học lượng tử và làm tăng độ chính xác hơn nữa trong việc xác định tính chất nguyên tử và chuẩn hóa thời gian. Paul và Dehmelt nhận một nửa giải Nobel năm 1989 và nửa còn lại được trao cho Ramsey.
Bước cuối cùng trong tiến bộ này là làm cho các nguyên tử trong các bẫy như vậy chuyển động chậm đến mức, ở trạng thái cân bằng nhiệt trong môi trường khí, chúng có thể tương ứng với nhiệt độ chỉ vài micro Kenvin. Điều đó được thực hiện bằng cách cho chúng vào để làm nguội bằng laser thông qua một tập hợp các hệ thống được thiết kế rất thông minh do Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji và William D. Phillips thực hiện khi nhóm này nghiên cứu thao tác lên các nguyên tử thông qua quá trình va chạm với các quang tử laser. Công trình của họ được nhìn nhận bằng giải Nobel năm 1997.
Phân tử và plasma
Các phân tử tạo thành từ các nguyên tử. Chúng tạo ra mức phức tạp tiếp theo khi nghiên cứu các hệ nhiều hạt. Nhưng các nghiên cứu phân tử thường được coi như một nhánh của hóa học và hiếm khi được trao giải Nobel về vật lý. Chỉ có một ngoại lệ đó là công trình của Johannes Diderik van der Waals, ông đã đưa ra các phương trình trạng thái của các phân tử cho chất khí khi tính đến tương tác lẫn nhau giữa các phân tử và sự giảm thể tích tự do gây ra bởi kích thước hữu hạn của chúng. Các phương trình van der Waals là những điểm rất quan trọng trong việc miêu tả quá trình ngưng tụ của các chất khí thành chất lỏng. Ông nhận giải Nobel vật lý năm 1910. Jean B. Perrin nghiên cứu chuyển động của các hạt nhỏ phân tán trong nước và nhận giải Nobel năm 1926. Nghiên cứu của ông cho phép khẳng định lý thuyết thống kê của Einstein về chuyển động Brown cũng như các định luật điều khiển quá trình cân bằng của các hạt phân tán trong chất lỏng khi chịu tác dụng của trọng lực.
Năm 1930, Sir C. Venkata Raman nhận giải Nobel vật lý cho các quan sát của ông chứng tỏ rằng ánh sáng tán xạ từ các phân tử bao gồm các thành phần có tần số bị dịch chuyển tương ứng với ánh sáng đơn sắc. Sự dịch chuyển này gây bởi sự tăng hoặc giảm năng lượng đặc trưng của phân tử khi chúng thay đổi chuyển động quay hoặc dao động. Phổ Raman nhanh chóng trở thành nguồn thông tin quan trọng cung về cấu trúc và động học phân tử.
Plasma là trạng thái khí của vật chất trong đó các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hóa rất mạnh. Lực điện từ giữa các ion dương và giữa các ion và điện tử đóng một vai trò nổi trội, điều này làm tăng tính phức tạp khi nghiên cứu plasma so với nguyên tử hoặc phân tử trung tính. Năm 1940, Hannes Alfvén đã chứng minh rằng một loại chuyển động tập thể mới, gọi là sóng từ-thủy động lực học có thể được sinh ra trong các hệ plasma. Các sóng này đóng một vai tròn quan trọng xác định tính chất của plasma, trong phòng thí nghiệm cũng như trong khí quyển Trái Đất và trong vũ trụ. Alfvén nhận nửa giải Nobel năm 1970.
Vật lý chất rắn
Cấu trúc tinh thể
Các tinh thể được đặc trưng bởi sự sắp xếp đều đặn của các nguyên tử. Sau khi phát hiện ra tia X không lâu, Max von Laue nhận thấy rằng, các tia X bị tán xạ khi đi qua các tinh thể chất rắn giống như ánh sáng đi qua một cách tử quang học. Có hiện tượng này là do bước sóng của tia X thông thường trùng với khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn. Sir William Henry Bragg (cha) và William Lawrence Bragg (con) lần đầu tiên dùng tia X để đo khoảng cách giữa các nguyên tử và phân tích sự sắp xếp hình học của các nguyên tử trong các tinh thể đơn giản. Vì các công trình tiên phong trong việc nghiên cứu tinh thể học bằng tia X, họ được trao giải Nobel vật lý, Laue năm 1914 và cha con Bragg năm 1915.
Cấu trúc của tinh thể là trạng thái ổn định nhất trong nhiều trạng thái rắn mà nguyên tử có thể được sắp xếp tại nhiệt độ và áp suất thông thường. Vào những năm 1930, Percy W. Bridgman đã phát minh ra các dụng cụ mà nhờ đó có thể nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tinh thể, tính chất điện, từ, nhiệt của chất rắn dưới áp suất cao. Rất nhiều tinh thể thể hiện các chuyển pha dưới các điều kiện đặc biệt như vậy. Sự sắp xếp hình học của các nguyên tử bị thay đổi đột ngột tại áp suất nhất định. Bridgman nhận giải Nobel vật lý năm 1946 cho các phát minh trong lĩnh vực vật lý áp suất cao.
Vào những năm 1940, nhờ sự phát triển của các máy phản ứng phân rã hạt nhân, các nhà thực nghiệm có thể thu được các neutron năng lượng thấp. Người ta cũng thấy rằng, giống như tia X, các neutron cũng rất hiệu quả trong việc xác định cấu trúc tinh thể bởi vì bước sóng de Broglie của hạt nhân cũng cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn. Clifford G. Shull đã có nhiều đóng góp cho sự phát triển kĩ thuật nhiễu xạ neutron trong việc xác định cấu trúc tinh thể, và cũng cho cho biết rằng, sự sắp xếp của các mô men từ nguyên tử trong các vật liệu có trật tự từ có thể làm tăng nhiễu xạ neutron, cung cấp một công cụ rất mạnh để xác định cấu trúc từ.
Shull nhận giải Nobel vật lý năm 1994 cùng với Bertram N. Brockhouse, chuyên gia về một khía cạnh khác của tán xạ neutron trên chất rắn: khi các neutron kích thích kiểu dao động tử mạng trong tinh thể gây ra suy giảm năng lượng. Do đó, Brockhouse đã phát triển máy phổ neutro