和能量的基本组元及它们间的相互作用；也可称为高能物理。因为许多基本粒子在自然界原本并不存在，只在粒子加速器中与其它粒子高能碰撞下才出现。据基本粒子的相互作用标准模型描述，有12种已知物质的基本粒子模型（夸克和轻粒子）。它们通过强、弱和电磁基本力相互作用。标准模型还预言一种希格斯-玻色粒子存在。现正寻找中。
天体物理——天体物理和现代天文学是将物理的理论和方法应用于研究星体的结构和演变、太阳系的起源，以及宇宙的相关问题。因为天体物理的范围宽，它利用了物理的许多原理，包括力学、电磁学、统计力学、热力学和量子力学。1931年，卡尔发现了天体发出的无线电讯号，开始了无线电天文学。天文学的前沿已被空间探索所扩展。地球大气的干扰使观察空间需要用到红外、超紫外、伽玛射线和x射线。物理宇宙论研究在宇宙的大范围内宇宙的形成和演变。爱因斯坦的相对论在现代宇宙理论中起了中心的作用。20世纪早期哈勃从图中发现了宇宙在膨胀，促进了宇宙的稳定状态论和大爆炸之间的讨论。1964年宇宙微波背景的发现，证明了大爆炸理论可能是正确的。大爆炸模型建立在二个理论框架上：爱因斯坦的广义相对论和宇宙论原理。宇宙论已建