thumb|200px|Fyysikot Arthur Compton ja Luis Alvarez vuonna 1933. Fysiikan tutkimus on enimmäkseen yliopistoissa ja instituuteissa tehtävää fysikaalisten ilmiöiden tutkimusta. Sen tavoitteena on ymmärtää maailmankaikkeuden rakennetta ja löytää havaituille ilmiöille matemaattinen esitystapa. Fysiikan tutkimus on merkittävä osa nykyaikaista yhteiskuntaa ja sen tulokset ovat monien ihmiskuntaa hyödyttävien keksintöjen taustalla.
Fysiikan tutkimukselle ominaista on löytää uusia ilmiöitä ja kehittää löydetyistä ilmiöistä uusia mittausmenetelmiä. Esimerkiksi fyysikoiden löytämät ilmiöt ja kehittämät menetelmät kuten NMR-spektroskopia, röntgensäteily, tunnelointimikroskooppi ja positroniemissiotomografia ovat laajassa käytössä myös fysiikan tutkimuksen ulkopuolella. Menetelmiä käytetään lääketieteessä, sekä farmasian, kemian ja biologian aloilla erilaisten aineiden ja eliöiden tutkimiseen. Moni teknisesti vaativa fysiikan ala, kuten hiukkasfysiikka ja avaruustutkimus, puolestaan edistää vaatimuksillaan teknistä ja tietoteknistä osaamista.
Tutkimuksen osa-alueet
Fysiikan tutkimus voidaan jaotella erilaisiin osa-alueisiin riippuen tutkimustavasta ja tutkimuksen tavoitteista sekä luonnollisesti erilaisiin erikoisaloihin tutkimuskohteiden mukaan.
Kokeellinen ja teoreettinen tutkimus Yleisellä tasolla fysiikan tutkimus voidaan jakaa teoreettiseen ja kokeelliseen tutkimukseen. Havaitsemalla luonnonilmiöitä pyritään löytämään ilmiöön liittyviä malleja ja periaatteita. Kokeellinen havainnointi siis mahdollistaa ilmiöt selittävien teorioiden muodostamisen.
Kokeellisessa tutkimuksessa fysikaalista ilmiötä testataan mittalaittein. Fysiikan kokeellisen tutkimuksen kolme pääteemaa ovat (1) uusien ilmiöiden löytäminen, (2) nykyisten teorioiden testaaminen ja soveltaminen, sekä (3) pyrkimys mitata erilaisten fysikaalisten vakioiden arvoja aina vain tarkemmin. Tärkeä osa kvantitatiivista kokeellista tutkimusta on virhearvioiden määrittäminen mitatuille suureille.
Teoreettisessa tutkimuksessa pyritään ennustamaan uusia fysikaalisia ilmiöitä tai selittämään jo havaittuja. Teoreettista tutkimusta voidaan tehdä johtamalla jo tunnetuista lainalaisuuksista uusia tai soveltamalla niitä esimerkiksi simulaatiossa. Jos teoreettinen malli rakennetaan jo tunnetuista yhtälöistä ilman sovitettuja parametreja, sanotaan, että malli on johdettu ab initio () eli ”alusta asti”. Ideaalitapauksessa kaikki tutkimus voisi olla teoreettista, jos tunnetut yhtälöt kuvaisivat todellisuutta tarpeeksi hyvin. Silloin kaikki tilanteet voitaisiin testata simulaatiossa eikä kokeita enää tarvittaisi. Nykyisillä molekyylien liikettä ja sitoutumista koskevilla simulaatioilla kyetään saamaan jo melko hyvin todellisuutta vastaavia tuloksia esimerkiksi pienten molekyylien tapauksessa ja lyhyillä aikaskaaloilla. Monimutkaisempia, isoja molekyylijoukkoja koskevia ilmiöitä ei pystytä ennustamaan kovin pitkälle johtuen paitsi niihin liittyvistä suurista parametrimääristä, myös systeemien luontaisesta kaoottisuudesta. Tällöin on tyydyttävä tilastollisiin malleihin eli tutkimaan erilaisten numeeristen ratkaisujen todennäköisyyksiä. Kaoottisuuden vuoksi esimerkiksi sään ja ilmastonmuutoksen tarkka ennustaminen on hankalaa jopa supertietokoneilla.
Perustutkimus ja sovellettu tutkimus
Toisaalta tutkimus voidaan myös jakaa perustutkimukseen ja sovellettuun tutkimukseen. Perustutkimuksessa tutkittavalla aiheella ei ole heti nähtävissä suoranaista sovellutusta vaan tutkimusta tehdään silkasta uteliaisuudesta tarkoituksena tuottaa uutta tietoa. Osa perustutkimuksesta saattaa kuitenkin ennemmin tai myöhemmin johtaa merkittäviin sovelluksiin, joita kukaan ei arvannut odottaa. Perustutkimuksen tulosten soveltaminen uusiin käytännön ongelmiin on soveltavan tutkimuksen tavoite ja vaikka joistakin tuloksista sovellutukset ovat seuranneet hyvinkin pian löydön jälkeen, käytännössä uuden tutkimuksen hyödyntämismahdollisuudet nähdään usein vasta vuosien päästä. Esimerkkejä sovelluksia löytäneistä fysiikan käsitteistä ja keksinnöistä ovat muiden muassa energia, sähkömagnetismi, röntgensäteily, suppea suhteellisuusteoria, laser, NMR-ilmiö, ja suuri magnetoresistanssi.
Historia
Ennen 1900-lukua
Modernin tieteen, mukaan lukien fysiikan, kehityksen voidaan katsoa saaneen alkunsa antiikin Kreikasta. Kun luonnonilmiöitä pyrittiin aikaisemmin selittämään mytologioilla, 600. vuosisadalla ennen ajanlaskun alkua kreikkalaiset filosofit alkoivat selittää ilmiöitä perustuen havaintoihin, syihin ja logiikkaan. Kokeellista tutkimusta silloiset filosofit eivät kuitenkaan tehneet. Kuuluisia Aleksandrian Museionissa toimineita luonnonfilosofeja olivat muun muassa Arkhimedes, Eukleides ja Ptolemaios.
Nykyisen fysiikan, ja yleisemmin koko tieteen kokeelliset tutkimusmenetelmät on luotu keskiajan islamilaisen tieteen kukoistusaikana ja sittemmin Euroopassa uuden ajan alussa, tieteellisen vallankumouksen aikaan, aluksi Galileo Galilein, René Descartesin ja Isaac Newtonin töiden myötä. Ennen tätä uuden ajan alussa suosioon tullutta empirististä tieteenfilosofiaa oli tyydytty lähinnä luonnonfilosofisiin pohdintoihin ja auktoriteettiuskoon. Tieteellisen vallankumouksen jälkeen luonto ymmärrettiin ikään kuin mekaanisten lakien alaisena koneena, jota voitiin tutkia kokeellisin menetelmin ja jonka toimintaa voitiin ennustaa matematiikan avulla. Vielä 1700-luvulla luonnonfilosofian tutkimus ei kuitenkaan yleensä ollut kvantitatiivista – tieteellinen menetelmä ei ollut vielä täysin kehittynyt – eikä järjestelmällistä opetusohjelmaa tutkijoiden kouluttamiseksi ollut.Cahan 2003, s. 164–165 Fysiikan tutkimus erkani vähin erin luonnonfilosofiasta, eriytyen lopulta omaksi tieteekseen vasta 1800-luvun aikana.
1900-luku 1800-luvun lopussa fysiikan tutkimus oli muodostunut organisoiduksi ja kansainväliseksi toiminnaksi. Tutkimuksen kärkimaita olivat Britannia, Saksa, Ranska ja Yhdysvallat. Tutkimus keskittyi 1890-luvulta vuosisadan alkuun pääasiassa kuuden, tuoreen perusaiheen ympärille: röntgensäteilyyn, elektroniin, eetteriin, kaasujen, nesteiden ja kiinteän aineen tilastolliseen esitykseen, radioaktiivisuuteen sekä sähkömagneettisen spektrin pitkäaaltoiseen osaan.Cahan 2003, s. 163–164. Vuosisadan alkuun saakka fysiikan tutkimus oli käytännössä eurooppalaisten harteilla, sillä Yhdysvalloissa tehtiin selvästi heikommin perustutkimusta. MIT:n rehtorin toteamus vuodelta 1889 kertoo kuitenkin opiskelijoiden arvostamisesta: ”tavoitteemme tulee olla huolehdi opiskelijasta, ei tieteellisistä keksinnöistä, ei ammatillisista saavutuksista.”Kvanttisukupolvet, s. 32. Myös 1900-luvun alun Japanissa fysiikkaa opiskeltiin Tokion ja Kioton yliopistoissa, mutta Japani ei vielä tuolloin ollut fysiikan tutkimuksen kärkimaita. 1900-luvun alussa Saksan fyysikkoseura oli kansainvälisesti katsottuna fysiikan tutkimuksen huipulla ja siten suuri osa fysiikan tutkimuksesta julkaistiin saksaksi. Eurooppalaisen fysiikan tutkimuksen tuolloinen taso näkyy paitsi siinä, että vuonna 1900 maailman vajaasta 900:sta fyysikosta runsas 600 oli kotoisin Euroopasta,Kvanttisukupolvet, s. 31. myös muun muassa keskieurooppalaisille fyysikoille jaettujen Nobelin fysiikanpalkintojen suurena määränä vuosina 1901–1920. Nobel-palkinnon jakamiseen liittyy myös politiikkaa, mutta Euroopan johtoasema tuona ajanjaksona on silti ilmeinen.
200px|left|thumb|Tanskalainen Niels Bohr pakeni saksalaisten miehitystä Lontooseen toisen maailmansodan aikana ja osallistui myöhemmin Manhattan-projektiin Yhdysvalloissa.
Japanissa fysiikan tutkimus pääsi kunnolla käyntiin vasta 1930-luvulla. Tutkimuskeskus Rikeniin ensimmäisen syklotronin rakennuttanutta Yoshio Nishinaa pidetään Japanin modernin fysiikan tutkimuksen isänä, sillä hän pystyi ensimmäisenä rikkomaan perinteiset roolijaot ja kannusti vapaaseen ideoiden vaihtoon ja yhteistyöhön fysiikan perustutkimuksen edistämiseksi. Samaan aikaan natsien valtaannousun myötä Saksan johtoasema fysiikan tutkimuksen mahtimaana mureni ja Yhdysvallat nousi tutkimuksen kärkeen. Samalla fysiikan julkaisukieleksi vakiintui englanti. Yhdysvaltalaiset rekrytoivat lahjakkaita tutkijoita ulkomailta, mutta heillä oli paljon myös omaa osaamista. Lisäksi monet saksalaiset tai Saksan toisen maailmansodan aikana valloittamien maiden huippufyysikot pakenivat juuri Yhdysvaltoihin ja Yhdistyneeseen kuningaskuntaan. Näihin pakoon lähteneisiin lukeutuvat muiden muassa Albert Einstein, Niels Bohr ja Erwin Schrödinger. Noin puolet fysiikan Nobel-palkinnoista on 1920-luvulta lähtien mennyt yhdysvaltalaisille tutkijoille. Toisaalta nykyään suuri osa yhdysvaltalaisten yliopistojen tutkijoista ja opiskelijoista on alkujaan ulkomaalaisia.
2000-luvun taitteessa Eurooppa on nousemassa takaisin fysiikan tutkimuksen kärkeen, kun suuriin tutkimushankkeisiin on keskitetty runsaasti voimavaroja. Kokeellisen fysiikan tutkimuksen taso on hyvin riippuvainen siihen sijoitetusta rahamäärästä. Kokeellinen hiukkasfysiikan tutkimus ei esimerkiksi ole mahdollista ilman mittavia sijoituksia hiukkaskiihdyttimiin ja niiden vaatimaan alusrakenteeseen. 1970-luvulta lähtien on myös Aasian kokeellinen fysiikan tutkimus noussut maailmanlaajuiseen huomioon.
Tutkijat 200px|thumb|right|Fyysikko Antony Garrett Lisi.
Tutkimusryhmän rakenne Tutkimusryhmän perusrakenne on muuttunut historian saatossa. 1800-luvun Italiassa tyypillinen tutkimusryhmä fysiikan alalla koostui professorista, assistentista ja teknikosta. Osa tutkimuksesta tehtiin myös yläkouluissa, koska nuorille fyysikoille ei ollut tarjolla akateemista virkaa. Nykyään tutkimusryhmiä yliopistoissa johtaa yleensä professori tai professoreja, joiden ohjauksessa työskentelee vaihtelevissa määrin laitoksen opetushenkilökuntaa, tutkijatohtoreita, väitöstyöntekijöitä, ja maisterin tai diplomi-insinöörin tutkintoa opiskelevia tutkimusassistentteja sekä vierailevia tutkijoita. Kokeellisen fysiikan tutkimuksessa ryhmään voi myös kuulua insinöörejä tai teknikkoja.
Professorit ja tutkijatohtorit toimivat väitöstyöntekijöiden ja maisteriopiskelijoiden ohjaajina. Opiskelijat oppivat yleensä tutkimuksen perusperiaatteet tällaisessa tutkimusryhmässä ja he osallistuvat täysipainoisesti tutkimuksen tekemiseen. Tutkijan ura jatkuu väitöstyön jälkeen yleensä tutkijatohtorikaudella (), jonka aikana tuore tohtori työskentelee muutamia vuosia jossain toisessa instituutissa tai yliopistossa. Osa opiskeluista tai tutkijatohtorikaudesta saatetaan tehdä ulkomailla.
Tutkijoiden tapaamiset thumb|300px|right|Fyysikoiden Solvay-konferenssissa vuonna 1927 keskusteltiin kvanttimekaniikasta. Tutkijat tapaavat toisiaan konferensseissa, joissa he esittävät muille tuoreimmat tutkimustuloksensa ja luovat uusia yhteyksiä. Tutkimustulosten esittäminen konferensseissa ennen niiden julkaisemista on yksi tapa saada arvostelua ja palautetta muilta tutkijoilta. Tavoitteena on myös tehdä omaa tutkimusta tunnetuksi. Fyysikoiden työ on ollut pitkään kansainvälistä ja eri kansalaisuuksiin kuuluvien fyysikoiden yhteistyö oli hyvin yleistä jo 1800-luvulla. Mittavia konferensseja ei juuri pidetty ennen 1900-luvun alkua. Silloin järjestettiin ensimmäisen kerran Kansainvälinen fysiikan kongressi Pariisin maailmannäyttelyn yhteydessä ja vuonna 1911 aloitti perinteeksi muodostunut Solvay-konferenssi.Kvanttisukupolvet, s. 34.
Nykyään konferensseja on monenlaisia. Osa keskittyy vain tiettyyn aiheeseen tuoden yhteen saman alan osaajia koulutustaustasta riippumatta. Lisäksi monet fyysikkoseurat pitävät vuosittaisia fyysikoille suunnattuja tapaamisia heidän tutkimusaiheestaan riippumatta. Tällaisia yleisiä kokouksia järjestävät muun muassa yhdysvaltalainen American Physical Society (APS), saksalainen Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) ja myös Suomen fyysikkoseura. Fyysikkoseurojen kokousten osanottajamäärä riippuu paljon seuran koosta. Esimerkiksi maailman suurimman fyysikkoseuran, DPG:n, järjestämään Euroopan suurimpaan kevätkokoukseen odotetaan vuosittain noin 5 000 osanottajaa.
Tutkimuslaitokset