理论物理的发展史
理论物理的知识体系起源于15、6世纪欧洲近代的思想革命。哥白尼首次提出“日心说”挑战宗教神学体系，开创了现代天文学。与哥白尼同时代的开普勒再接再厉，用严谨的数学语言对“日心说”进行了正确完整的描述，为这一理论奠定了更加坚实的基础。伽利略建立了现代自然科学研究的方法:对物理现象进行实验研究，并将实验方法与数学方法和逻辑论证相结合。爱因斯坦曾评论说，伽利略的科学研究方法是人类思想史上最伟大的成就之一，是物理学的真正开端。
牛顿通过总结和继承哥白尼、伽利略等近代思想家的理论，创造性地建立了一套逻辑严密的理论体系，开始了物理学史上的第一个新纪元。牛顿建立了经典的绝对时空观，提出了力的三大定律，揭示了光的颜色的奥秘。他发展了微积分等强有力的数学手段对物理问题进行严密的逻辑推理和分析，并自制了望远镜、棱镜等实验设备进行实验观察。这些研究方法为现代物理学的研究确立了最基本的规范。牛顿的时空哲学和机械系统是200多年来物理学研究的基础。拉格朗日、欧拉、拉普拉斯、傅立叶、汉密尔顿等经典物理学家用数学分析的方法不断完善牛顿的力学体系。安培、法拉第、麦克斯韦创立并完善了经典电磁理论，卡诺、克劳修斯、吉布斯、玻尔兹曼发展并完善了经典热力学和统计理论。牛顿的理论体系及其产品也使人们认识到物质运动规律是可以掌握和利用的。对遥远宇宙和地外恒星的认识，改变了人们对人类在宇宙中地位的认识。对生物进化史的解剖分析和追溯，彻底改变了人们对自身的认识。人们已经开始抛弃教条主义、神秘主义和不可知论的宗教和迷信。对事物的起源、运动规律、内在逻辑和相互联系的追求，构成了理性主义和科学方法的基础，实际上是一种提升。
经典物理体系的高度完善使理论本身达到了力所能及的边缘，但它所催生的精密实验手段发现理论基础本身存在重大问题，促使庞加莱、洛伦兹、爱因斯坦、玻尔、海森堡等人认真思考经典物理体系的基础是否正确。这一波对牛顿体系的批判性重新审视引发了20世纪初的物理学革命:20世纪初相对论和量子论的出现彻底颠覆了牛顿的时空观和经典物理学基础，物理学迎来了新一轮的快速发展。需要注意的是，虽然新的物理理论取代了旧理论的基本思想，但经典物理的价值并没有被否定，因为经典物理所建立的探索运动规律的原理、实验和理论的研究方法、用数学语言描述物理规律等具有永恒的价值，而且在一定的物理条件下，经典物理仍然是精确的理论，相对论和量子力学带来的修正并不会影响具体的物理实践。
相对论和量子力学再次重塑了人们的时空观，赋予了相对论和绝对性、时空和物质、确定性和不确定性、连续性和不连续性等概念新的含义。经典体系中的物理概念和定律在新的物理框架下可以被检验和重述，但在某种意义上被抛弃了，但同时又被保留和提升了。随着量子力学对黑体辐射和原子光谱的完美解释，狭义相对论对电磁理论和质能转换的完善预言，广义相对论对行星岁差的精确解释，新的物理体系作为物理研究的新基础迅速被人们接受。以此为起点，20世纪二三十年代，人类对自然的认知迅速深入到微观层面的原子和核子层面，对原子光谱有了清晰的认识，初步了解了核物理的现象和规律，开始了核能的应用。宏观上扩展到星系和宇宙的尺度。建立在广义相对论基础上的现代宇宙学，为100多亿年的宇宙演化史提供了理论框架。对数十亿光年之外的星系的观测前所未有地扩展了人类的知识，对黑洞的讨论也成为引力理论的一个经久不衰的话题。
随着对微观粒子知识的积累，人们发现粒子不是永久的，它们是不断产生和湮灭的，它们之间是相互作用的，这促使物理学家在20世纪三五十年代发展了量子场论。场的概念早在法拉第和麦克斯韦的时代就已经确立，是现代物理学的基本概念之一。量子场论将场论与狭义相对论、量子力学结合起来，完整地解释了粒子的挥发性与粒子性质的关系，以及质量与能量的关系。这一时期，理论物理的知识成倍增长，涌现出许多人才:海森堡提出了测不准原理，泡利提出了不相容原理，狄拉克提出了描述电子的方程，与梅克斯·玻恩、乔丹、维格纳一起完善了量子力学，对场量子化进行了大量早期探索。20世纪三四十年代，浅长一郎、施温格和费曼建立了量子场论——量子电动力学，描述了电磁场与电子的相互作用。他们的理论完全符合相对论和量子力学的要求，他们成功地发展了一套微扰理论来计算具体问题的近似解。电子反常磁矩的理论计算结果与实验相符，充分显示了理论方法的威力。在此期间，对微观量子世界的研究也揭示了其独特的对称性原理，建立了时空CPT对称性和粒子理论的C破坏、P破坏、T破坏等理论，发现并总结了粒子的内部对称性？自旋、同位旋、重子数等。
20世纪六七十年代，理论物理经历了又一个发展高峰期。虽然S-矩阵理论曾经兴盛一时，但人们仍然意识到量子场方法在理解动力学问题上具有不可替代的优势。规范对称性作为一个基本的物理原理，为描述物质之间的相互作用提供了一个理论框架。非阿贝尔规范理论(Yang-Mills场论)已经成为构建现代场论和粒子物理标准模型的基石，四种已知力中除引力外的三种:电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用都可以用规范理论来描述。随着夸克理论的引入、弱电流统一理论的建立以及量子色动力学对渐近自由夸克相互作用的正确描述，我们知道费米粒子作为基本成分构成了物质世界，而规范粒子则起着相互作用发射器的作用。理论上，威尔逊的重正化理论从新的角度考察了量子场论的基本结构，提出了重正化流的概念，阐述了有效量子场论的意义。南布、戈德斯通、希格斯等人发展了自发对称破缺机制；胡夫特和维尔特曼证明了非阿贝尔规范理论的重整化；温伯格-萨拉姆-格拉肖建立了弱电统一量子理论；量子色动力学也被证明是描述夸克-胶子相互作用的正确理论。对磁单极子和瞬子的研究揭示了场论的一些非微扰性质。在实验方面，大量的高能实验，如核子的深度弹性散射、PP碰撞的喷流现象，证实了夸克的真实存在和量子色动力学的渐近自由。中性流和重玻色子的探测证实了弱电流理论的正确性。到20世纪80年代初，粒子物理学的基础已经具备，统一理论的建立似乎指日可待。然而，事实表明，统一相互作用理论的难度远远超出了人们的想象。
为了统一弱电流理论和强相互作用理论，人们试图利用SO(10)、SU(5)等规范群来构造满足所有对称性要求的统一理论，并提出超对称性的概念来改善理论的紫外性质。但是，这方面的大量研究并没有得到实验的支持。理论上，量子场论的微扰理论已经被很好的理解，但是非微扰量子场论仍然困扰着人们，格点规范理论还远远不足以完全解决杨-米尔斯理论等禁闭问题。引力理论和量子力学的矛盾更加尖锐。人们早就发现，对其他领域不利的量子化方法在应用于引力场时已经失效:直接量子化引力得到的量子场是不可约的，这意味着这个理论无法做任何有意义的量子计算。但量子引力理论对理论物理体系的完善是不可或缺的:对黑洞性质的经典研究表明黑洞具有热力学特性、宏观熵和温度，半经典研究甚至表明量子力学使黑洞具有了黑洞性质微观机制所要求的量子引力理论；同时，大爆炸宇宙学成功追溯到宇宙演化历史的前三分钟，粒子宇宙学正确解释了宇宙中轻重量元素的丰度。但是，要继续考察宇宙的起源，就必须考虑引力的量子效应。
为了解决理论物理中的这些重大问题，物理学家从20世纪70年代开始提出了各种各样的理论机制，其中一些是基于相对论和量子力学并做了相对保守的新扩展:超对称性是庞加莱对称性的扩展，弦理论将自然界的基本组成部分从点粒子改变为一维弦，额外维理论认为除了宏观的四维时空之外还有一些极其微小的额外空间。这些理论往往出发点很简单，但却引出了很多有趣的研究成果。有些理论从根本上重新审视相对论和量子力学的理论基础，企图用彻底的革命性变革来解决问题。量子力学和圈量子引力的各种替代理论都在这个方向做了一些探索。这些理论引起了很多形式上的理论研究，但总是缺乏决定性实验结果的支持。一些理论研究和实验研究渐行渐远，导致这些研究是否偏离了物理学研究的正确道路的争议。
无论如何，理论物理仍然是一个未完成的体系，充满了活力和挑战。理论物理一方面探索基本粒子的运动规律，同时探索物理规律在各种复杂条件下的表现形式。随着科技的高度发展，理论物理的研究继续在越来越多的领域发挥着至关重要的作用:量子信息论加深了我们对量子力学基础的理解，同时不断挑战量子理论的解释极限；边界物理和纳米技术揭示了宏观和微观过渡区丰富的物理规律；超低温、强激光等极端环境表现出独特的物理性质；强关联多电子系统对分析和数值研究都提出了挑战。复杂物理系统和非线性物理系统中不断出现新的问题。
新世纪，作为宇宙学的重要发现，我们的宇宙处于加速膨胀状态。暗物质和暗能量分别构成宇宙成分的23%和73%，我们熟悉的重子物质只占4%！理论与实验的冲突如此尖锐，理论本身也面临着自洽的逻辑问题。新物理不可避免，理论物理再次面临重大突破的机遇。随着大型强子对撞机LHC的建成，新一代天文探测器的发射，引力波探测实验的推进，以及未来几个大型实验计划的实施，我们有机会探测到标准模型之外的新粒子，精确测量宇宙极早期大爆炸的余辉，研究遥远太空中的黑洞和其他奇异天体。当我们有了越来越多的实验结果，理论物理学家将得到更多的启示，一些新的物理将自然涌现并正确解释上述奥秘，我们对自然规律的认识将进入一个新的层次。