Những tiến trình phát triển của vật lý tiếp tục với những vấn đề chưa giải được và nhu cầu thúc đẩy các tiến bộ công nghệ mới.

Trong vật lý vật chất ngưng tụ, một vấn đề lý thuyết quan trọng chưa giải được đó là giải thích hiệu ứng siêu dẫn nhiệt độ cao ở một số vật liệu gốm và tìm cách ứng dụng hiện tượng này tiến sát tới siêu dẫn ở nhiệt độ khí quyển. Một số thí nghiệm vật lý đang hướng đến tạo ra thành công máy tính lượng tử đầu tiên hay tạo ra các linh kiện mới dựa trên việc điều khiển và thao tác spin của điện tử. Các nhà thực nghiệm lượng tử cũng đang cố gắng hiện thực hóa được quá trình viễn tải lượng tử trên những khoảng cách lớn và không những đối với photon mà với cả hệ nhiều nguyên tử dựa trên sự vướng víu lượng tử.[77][78]

Trong vật lý hạt, những thí nghiệm mang lại manh mối đầu tiên về nền vật lý bên ngoài Mô hình chuẩn đang dần hé lộ. Một trong những chứng cứ nổi bật nhất đó là neutrino có khối lượng khác 0 nhưng rất nhỏ. Việc hạt neutrino có khối lượng giúp giải quyết nghịch lý từ lâu về vấn đề neutrino Mặt Trời, trong đó các nhà vật lý thực nghiệm chỉ đếm được 1/3 số hạt như Mô hình chuẩn tiên đoán, và thực chất neutrino có thể biến đổi thành hai loại neutrino khác. Các máy gia tốc đã đạt đến mức năng lượng gia tốc các hạt tới năng lượng TeV, và họ đã tìm thấy hạt có tính chất tương tự như hạt Higgs cũng như đang ráo riết săn lùng những hạt siêu đối xứng của các hạt cơ bản.[79]

Trên lĩnh vực lý thuyết, mục đích của nhiều nhà vật lý lý thuyết đó là tìm ra được thuyết hấp dẫn lượng tử thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối tổng quát, một mong muốn xuất phát từ những năm 1920 khi Einstein muốn thống nhất thuyết của ông với thuyết điện từ cổ điển, và quá trình này đang tiến triển rất năng động. Một số lý thuyết nổi bật lên đó là thuyết M, lý thuyết dây và hấp dẫn lượng tử vòng.[80]

Nhiều hiện tượng trong thiên văn học và vũ trụ học đang dần dần được giải thích, bao gồm sự xuất hiện của những tia vũ trụ năng lượng rất cao, những nguồn quasar bức xạ mạnh, dị thường hấp dẫn của tàu Pioneer. Và các nhà vũ trụ học đang tìm kiếm và giải thích vật chất tối chịu trách nhiệm cho tốc độ tự quay bất thường ở vùng rìa trong mỗi thiên hà. Sự kiện phát hiện ra vũ trụ đang giãn nở gia tốc cũng là khám phá mới cho thấy vũ trụ còn rất nhiều điều bí ẩn.[81]

Tuy đã có nhiều thành tự từ cơ học lượng tử cho đến vật lý thiên văn, ngay cả những hiệu ứng và hiện tượng hàng ngày vẫn còn chưa được hiểu đầy đủ như những hệ phức tạp, hỗn loạn, hay nhiễu loạn trong môi trường chất lưu...[81] Những vấn đề phức hợp tưởng như chúng có thể giải bằng cách khéo léo áp dụng các phương trình vi phân cơ học động lực vẫn chưa giải quyết được; ví dụ như sự hình thành những đốm sáng khi cho sóng âm kích thích nước lỏng, hình dạng của các giọt nước, cơ chế phá hủy sức căng bề mặt các chất lỏng, hay thậm chí các nhà khí tượng học chưa thể tiên đoán chính xác hoạt động thời tiết của khí quyển không quá 3 ngày với những kiến thức liên quan về vật lý hiện nay.[81]

Những hiện tượng phức hợp này nhận được sự chú ý từ thập niên 1970 vì một vài lý do, bao gồm sự ra đời của máy tính điện từ và các phương pháp toán học mới, cho phép các nhà vật lý thực hiện được mô phỏng chúng trên máy tính nhằm phát hiện những tính chất và hành trạng của các hệ phức hợp này. Phương pháp mô phỏng trên máy tính cần sự hợp tác của nhiều nhà khoa học trên nhiều lĩnh vực khác nhau, từ những lập trình viên cho đến các chuyên gia trong một lĩnh vực riêng, như nghiên cứu tính nhiễu loạn trong khí động lực học của máy bay hay sự hình thành tế bào trong sinh học. Năm 1932, Horace Lamb viết:[82]

Bây giờ tôi đã cao tuổi, một khi tôi qua đời và lên thiên đàng có hai điều mà tôi hy vọng muốn được làm sáng tỏ. Một là điện động lực học lượng tử, và hai là chuyển động nhiễu loạn của chất lưu. Và về những thứ khác tôi tin tưởng lạc quan hơn.

Năm 2005 là năm được tổ chức UNESCO của Liên Hợp Quốc chọn làm Năm vật lý thế giới. Đây là một hoạt động nhằm kỉ niệm và tôn vinh những thành tựu vật lý đã đạt được đối với khoa học cũng như đối với cuộc sống thường ngày trong những năm qua.

• Sự giãn nở của vũ trụ
• Tương lai của một vũ trụ giãn nở và số phận sau cùng của vũ trụ