物理学的研究范畴很广，涉及从夸克到宇宙多层次的物质结构及其运动规律。物质结构从层次上讲，夸克、轻子--强子--原子核--原子--分子--团簇--凝聚态--生命物质--恒星--星系--宇宙，每个层次上都有自己的基本规律需要研究，而这些规律又是互相联系的。其分支学科涉及原子物理、分子物理、核物理、声、光、电、磁及其与物理学相关的跨学科的诸多方面内容。物理学又是许多学科（如化学、生物学、地球科学和工程学）的基础。因此物理学是研究物质、能量、时间和空间以及其相互作用和运动规律的科学，也是最具基础性、前沿性、交叉性和综合性的学科。20世纪科学发展历史证明，理论物理学的一些重大突破(如量子力学和相对论)不仅常会带来新方向、产生新领域，推动新的学科交叉及技术革命，甚至能导致人类时空观、自然观的革命性变革。物理学的研究结果深入到社会持续健康发展和人们日常生活中，社会财富的增长、经济的全球化、生命的质量和生活的标准在很大程度上依赖于技术，技术进步又在很大程度上依赖于物理学的创新研究。因此各国政府很看重物理学的发展，在新世纪纷纷制订物理学的发展计划，并采取一系列创新举措。
理论物理学是对自然界各个层次的物质结构和运动基本规律进行理论探索和研究的学科。由此建立的基本理论不仅成为描述和解释自然界已知的各种物理现象和运动规律的理论基础，而且还是预言和发现自然界未知的物理现象和基本规律的理论依照。理论物理学乃至整个物理学的发展是一个在概念、思想方式上不断变革的历史。历史上，当牛顿力学在19世纪取得了辉煌的成果之际，那种认为物理学甚至整个自然界的运动都可以而且应当归结为力学运动的机械自然观应运而生。1900年，普朗克在对黑体辐射能谱分布规律的研究中提出了“作用量子”的概念，这是从经典物理学迈进量子物理学的第一步。1905年，爱因斯坦又在对光电效应等问题的研究中，把普朗克的量子化关系推广到光，认为光在与物质相互作用时，每次交换一个能量为频率乘以普朗克常数的“光量子”。1913年玻尔提出了原子的量子论，又称原子的玻尔模型。这项工作开创了微观物质系统量子理论的先河，并且为后来量子力学这门新的学科的兴起起到了必不可少的桥梁作用。以后由于海森伯、玻恩、薛定谔、泡利、狄拉克等物理学家的奠基性工作，量子力学趋于成熟，得到了完善。
戴森在评论量子力学发展历史时说：“在任何一门科学分支里，新概念难以掌握的原因常常是相同的；当时的科学家总要用先前已经存在的观念去描绘新的概念。发现者本人更是由于这一困难而受尽折磨；他同旧的观念搏斗以得出新的概念，而在以后的一段长时间内，他思维的语言内仍然保留着旧的观念。”只是在放弃了旧观念之后，新的概念才变成“某种基本的和不可约简的东西。一种以它自己的权利存在着的物理客体，它不再需要用什么别的东西来解释了。”
按照费曼的意见，发现新的科学规律的过程是从猜想开始的，其中使用的是尝试和纠错的方法。他说：“猜想从何而来是完全不要紧的，重要的是要同实验相符合。”费曼还强调，理论是不可能由经验直接推出来的，因为“物理学定律常常同经验没有直接的关系，现实经验的细节常常同基本定律相距甚远。”
恩格斯说过：“随着自然科学领域中每一个划时代的发现，唯物主义必定要改变自身的形式。”在20世纪物理学革命中，相对论和量子力学的新理论运用了一些比以前更加不合乎常规经验的抽象思考方式，这充分证明了科学实验是检验科学理论正确与否的唯一标准，又充分的发挥了人类精神的主观能动性，宣告同以往的经验主义彻底决裂。
新世纪开始，物理学面临了一次又一次新的挑战。巨大的“哈勃”太空望远镜观测到了迄今所发现的银河系中最古老的白矮星。这为确定宇宙年龄提供了一种全新的途径。WMAP对微波背景辐射观测的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为非重子暗物质，73%是暗能量, 占宇宙成分的95%的暗物质和暗能量究竟是什么目前还不清楚。中微子是一种暗物质粒子，但它的质量非常小，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的冷或温的暗物质。对基本粒子标准模型的研究取得了很大的成功，然而它却无法解释暗物质和暗能量的本质，不能解答宇宙中正、反物质不对称的疑难。
天文学上的发现总是让物理学家激动不已。天文学家宣称可能已发现两颗宇宙中最奇怪的星体——由夸克的亚原子粒子“浓汤”组成的星体，称为奇异星，又称夸克星。此类星体将给物理学家提供一个弄清中子的组成成分——夸克和奇异夸克的机会。
新年伊始又传来了振奋人心的消息，2016年2月11日美国科学家宣布人类首次直接探测到引力波。引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动。这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，合并成了一颗62倍太阳质量非常快速地旋转的黑洞，亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，被“激光干涉引力波天文台（LIGO）”的两台孪生引力波探测器探测到。引力波的探测，不仅验证了广义相对论的预言，其意义远远超出了检验广义相对论本身。LIGO打开了一扇探索宇宙的新窗口，人们将在未来探测到更多的未知的引力波源和原初引力波。引力波的发现是科学史上的里程碑，它将开创一个崭新的引力波天文学研究领域，揭示宇宙奥秘。
此外，在近二三十年间物理学的其他领域也发展迅速，特别是与其他学科（如数学、化学、生物、信息、材料等）交叉的领域发展方兴未艾，具有巨大的发展前途。在凝聚态物理方面，有高温超导、量子和分数量子霍尔效应、自旋量子霍尔效应、电子隧道扫描显微镜、石墨烯与半导体微结构、巨磁阻效应和自旋电子学等。在原子、分子物理学方面有激光冷却和陷阱、原子玻色-爱因斯坦凝聚、超短光脉冲源以及量子光学、量子信息和量子计算机等。这些研究不仅仅具备重要的理论意义，而且具备极其重大的应用前景。量子信息技术是光学、原子物理、固体物理与计算机科学密切结合的交叉学科研究的极好例子。
当前国内正处于基础研究发展的最好时机，在国家自然科学基金委员会数理学部“理论物理专款”项目的支持下，我们编辑出版这套《21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书》,目的是介绍现代理论物理及其交叉学科前沿领域的基本内容、最新进展和发展前途，以及中国科学家在这些领域中所取得的重大进展。
丛书由夏建白院士主编。在基金委“理论物理专款”的资助下，计划用5年时间出版20本左右专业书。内容包括：
希望本丛书能帮助大学生、研究生、博士后、青年教师和研究人员全方面了解理论物理学研究进展，培养对物理学研究的兴趣，迅速进入有关的研究领域，同时吸引更加多的年轻人投入和献身到理论物理学的研究中来，为发展我国的物理学研究、为在国际上占有一席之地作出自己的贡献。
本文由刘四旦摘编自王顺金著《真空结构、引力起源与暗能量问题》一书“《21世纪理论物理及其交叉学科丛书》出版前言”。标题为编者所加。
《真空结构引力起源与暗能量问题》首先强调了物理系统和真空环境耦合问题的重要性。然后提出了真空普朗克子球密集堆积模型。基于这个模型，研究T--个基本的天体物理学问题：①黑洞的微观量子结构和引力的微观量子统计起源；②以普朗克子为初始条件的宇宙演化和宇宙单位体积内的包含的能量起源；③作为真空晶体这一凝聚体的孤子型或位错型激发的基本粒子运动时的相对论效应。由这三项研究得到的结果，或者与天文观测符合，或者与现有理论一致。基于上述结果，对现代物理学的突破和发展前途提出了系统的看法，并进行了初步的探讨。作者觉得：①现代物理学面临新的突破；②突破点在于对真空微观量子结构的研究；③突破后将出现的深层次的实体性理论是真空微观量子结构理论，它是相对论和量子论这两个原理性理论的微观物质基础。现代物理学的上述原理性理论和基本粒子理论将以这一实体性理论的超低能、超长波的极限形式涌现出来；④突破需要粒子物理学家、天体物理一宇宙学家、凝聚态物理学家和数学家的共同努力。
