本條目列出一些重要但尚未解決的物理問題。其中包括理論性的，即現時理論未能夠給予觀測到的物理現象或實驗結果令人滿意的解釋；還有實驗性的，即能夠周密測試某先進理論或深入研究某物理現象的實驗，不過現時現地很難建造或完成。
純理論方面的問題,量子引力、物理宇宙學、廣義相對論,高能物理學/粒子物理學,核子物理學,其它,缺乏清楚科學解釋的經驗現象,物理宇宙學,高能物理學/粒子物理學,天文學、天文物理學,凝聚態物理學,近期已找到解答的問題,
純理論方面的問題
這裡列出的基礎理論問題或理論構想缺乏實驗證明。在這些問題之間，可能有強烈的相互關聯。例如，額外維度或超對稱可能有辦法解釋級列問題（hierarchy problem）。物理學者認為，完整無瑕的量子引力理論應該能夠解釋大多數列出的問題（除了穩定島問題以外）。
量子引力、物理宇宙學、廣義相對論
- 真空災變
- 大自然是否擁有多於四個時空維度。假若答案為“是”，則到底有多少時空維度？維度是不是宇宙的基本屬性，還是其它物理定律的合理結果？物理實驗能否觀測到更高維度的證據？
- 宇宙暴脹
- 宇宙暴脹理論是否正確？若為正確，這段時期所發生事件的細節為何？這造成暴脹的假定暴脹場（inflation field）到底為何？假若暴脹在過去某一時間曾經發生，有否有可能借著量子力學漲落的暴脹機制，繼續自我維持暴脹，因此在宇宙某超遠處，這暴脹仍舊正在進行中？
“泡沫宇宙”示意圖，宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常數，人類的“宇宙”不過是其中的一個“泡沫”而已
- 宇宙審查假說
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定域性原理（principle of locality）與非定域現象
定域性原理表明，物體只會被其緊鄰周遭環境事物影響。1935年，阿爾伯特·愛因斯坦等發表EPR弔詭，認為量子力學的基礎理論，因為違背了定域性原理，可能不完備。三十年之後，約翰·貝爾提出反駁，主張定域隱變數理論（local hidden variable theory）不能複製量子力學的所有預測。在量子力學裡，是否會出現非定域現象？假設非定域現象存在，這是否只局限于貝爾不等式被違背所顯露出的量子糾纏；信息、能量或物質能否能以非定域方式的傳播？在哪種狀況可以觀測到非定域現象？非定域現象的存在與否，對於時空的基本結構，有什麼含意？非定域現象與量子糾纏有什麼關聯？如何借著非定域現象來說明量子力學基礎性質的正確詮釋？
根據天文觀測和宇宙學理論，可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。宇宙最終是否走向熱寂、大崩墜、大撕裂、大反彈，還是按照多重宇宙論的論述，可能存在很多各種各樣的宇宙，新的宇宙可能正在誕生，同時老舊的宇宙可能正在湮滅，但整個平行宇宙永遠不會完全終結？
高能物理學/粒子物理學
- 級列問題（hierarchy problem）
絕對無法從磁棒製備出磁單極子。假設將磁棒一切為二，則不會發生一半是指北極，另一半是指南極的狀況，而會是切開的每一個部分都有其自己的指北極與指南極。
- 怎樣能夠將量子場論的三種不同的基本相互作用，即強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用，統一成為單獨一種相互作用？至今為止，一些常見的主流大統一模型為SO(10)模型、喬吉-格拉肖模型（Georgi–Glashow model）等等。由於這些模型預測的新粒子的質量為大統一尺度（GUT scale）數量級，大大地超過碰撞實驗的可能範圍，所以，物理學者無法做實驗直接觀測到這些新粒子。因此，物理學者必需使用間接方法，例如，質子衰變實驗、基本粒子電偶極矩實驗、中微子屬性實驗、磁單極子偵測實驗等等。注意到質子為質量最輕的重子，質子是否為絕對的穩定？倘若不是，質子的半衰期為何？日本的超級神岡偵測器並沒有確切地偵測到任何質子衰變事件。從實驗得到的數據，質子的壽命被設定為超過10年。
- 時空超對稱是否實現於大自然？假若是，超對稱破壞（supersymmetry breaking）的機制為何？超對稱是否能夠穩定電弱尺度，避免大幅度量子修正？最輕的超對稱粒子是否為暗物質的組成成分之一？
- 第四代夸克與輕子
- 在宇宙中，為什麼偵測實驗結果顯示，物質比反物質多很多？大爆炸應該製造出同樣數量的粒子與反粒子，而粒子會和反粒子湮滅產生光子。因此宇宙應該充滿了光子，而不會有很多物質存在。但是，宇宙現在的狀況並不是這樣。在大爆炸發生之後，一定有某些物理定律不平等地作用於物質與反物質。請問這些物理定律為何？在最初宇宙是否有某些作用力存在，但是後來隨著宇宙演化，這些作用力已消失無蹤？
核子物理學
理論穩定島的三維描繪圖。
- 核子天文物理學（nuclear astrophysics）
其它
- 量子混沌（quantum chaos）
- 量子力學的對應極限
- 物理信息（physical information）
- 除了黑洞或波函式坍縮以外，還有哪些物理現象，不可挽回地湮滅了關於其先前所處狀態的信息？
- 又稱為“終極理論”，萬有理論試圖解釋與聯結所有已知的物理現象，並且預測在原則上可行的任何實驗的結果。但是，構築這理論所遇到最困難的問題是，怎樣將廣義相對論與量子力學統一為單一理論？
- 基礎物理常數（fundamental physical constant）
- 能夠解釋所有基礎物理常數的理論為何？基礎物理常數是否會隨著時間的演進而改變？
- 於2000年，克雷數學研究所發表七大千禧年大獎難題，其中一道題目為楊-米爾斯存在性與質量間隙。這是理論物理中規範場論的一道基礎問題。楊-米爾斯理論是一種規範場論。獲勝者必須嚴格證明楊－米爾斯場論存在（即需符合構造性量子場論（constructive quantum field theory）的標準），亦要證明質量間隙（mass gap），即此理論所預測質量最輕的粒子，其質量為正值。
缺乏清楚科學解釋的經驗現象
物理宇宙學
- 宇宙的存在
- 為什麼在可觀測宇宙中，重子的數量比反重子多很多？
- 宇宙學常數問題
今期與早期的宇宙質能分布餅圖
- 暗能量是一種充溢於整個空間的能量的假定形式。暗能量傾向於增加宇宙膨脹速度。最近完成的關於超過20萬座星系的調查，似乎確定了暗能量的存在。但是，物理學者仍舊無法精確地描述與解釋暗能量的物理性質。暗能量主要有兩種模型：宇宙學常數模型與第五元素模型。每一種模型都有其強點與弱點，尚未有任何實驗結果令人信服地顯示哪一種模型為正確模型，也可能都不夠正確。
暗能量密度、物質密度與宇宙標度因子的對數-對數關係線圖，兩條關係線恰好相交於現在。
- 宇宙巧合問題（cosmic coincidence problem）
- 為什麼恰巧就在這時候，宇宙的暗能量密度與物質密度幾乎等值？這問題稱為“宇宙巧合問題”。
- 如右圖所示，物質密度與宇宙標度因子的三次方成反比：
- ，
而暗能量密度與宇宙標度因子的關係式為
- ;
其中，是依暗能量的本質而定的常數，必需小於3。
假設暗能量是宇宙學常數或真空零點能，則，暗能量密度為常數，那么，這種萬年不遇的巧合實在令人費解。難道暗能量密度是某種標量場，或許暗能量與物質會發生某種耦合，從而造成暗能量密度與物質密度幾乎等值？
熵 (時間箭頭)
宇宙視界問題（universe horizon problem）
宇宙微波背景輻射的各向異性的黃道定向
微波天空在距離一百三十億光年以外的某些大型特徵，似乎跟太陽系的運動與定向有所關聯。這是否為系統誤差、觀測結果被定域效應污染，還是哥白尼原則未經解釋的破壞？
宇宙的形狀
宇宙共動空間（comoving space）的3-流形，又稱為“宇宙的形狀”，是什麼樣子？現時，天文學者仍舊不清楚宇宙的曲率與拓撲，天文學者只知道，以可觀測尺度衡量，曲率接近於零。宇宙暴脹假設建議，宇宙的形狀可能無法測量，但是，於2003年，尚皮耶·盧敏內（Jean-Pierre Luminet）等與其他研究團隊建議，宇宙的形狀可能為龐加萊同調球面（homology sphere）。經過威爾金森微波各向異性探測器三年觀測得到的數據確認了這模型的一些預測，但是，這模型的正確性尚未得到廣泛支持。
高能物理學/粒子物理學
在希格斯機制里，希格斯場的猜想形狀好似一頂墨西哥帽。
- 電弱對稱破缺（electroweak symmetry breaking）
- 究竟是什麼機制賦予中微子質量？任何粒子，假若其反粒子就是自己，則稱此粒子為馬約拉那粒子。中微子是否為馬約拉那粒子？如果中微子滿足馬約拉納方程，我們便有機會觀察到不放出中微子的雙重β衰變（double beta decay）。有沒有可能會是因為中微子的特殊屬性，從而使得中微子無法與一個正常粒子發生碰撞而互相湮滅？目前有許多實驗試圖去驗證中微子是否為馬約拉納粒子。
- 中微子超光速異常（OPERA neutrino anomaly）
- 乳膠追蹤中微子震盪計畫（the Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus，OPERA）是一個檢驗中微子振盪現象的實驗。於2011年9月，歐洲核子研究組織（CERN）與OPERA共同宣布，從它們合作測量到的中微子飛行時間數據，它們發現μ中微子以超光速運動。請問這是做錯實驗獲得的結果，還是狹義相對論的確切瑕疵？2012年2月22日，科學新聞網頁雜誌Science Insider報告，從全球定位系統接收器到電腦之間的光纖纜線，由於與電腦的積體電路卡連線不良，造成了60納秒延遲。將連線維修後，這問題不再發生。這實驗失誤似乎可以解釋中微子的超光速異常。但是，仍舊必需做實驗拿到更多數據來檢驗這假說。
- 質子自旋危機（proton spin crisis）
- 質子尺寸之謎（proton size puzzle）
- 質子真實的電荷半徑為何？
- 在涉及到描述原子核的能量尺度範圍，量子色動力學的方程無法解析，雖然格點量子色動力學（lattice QCD）貌似可以給出在這極限的解答。那么， 量子色動力學怎樣描述核子與核子內部組構的物理現象呢？
- 強CP問題與軸子
- 假想的粒子
- 超對稱理論與其它廣為人知的理論預測了很多假想粒子，其中，哪些假想粒子真正存在於大自然？
天文學、天文物理學
- 吸積盤噴流（accretion disc jet）
- 準周期性震盪（quasi-periodic oscillation）
- 日冕加熱問題（coronal heating problem）
- 為什麼太陽的日冕（大氣層）溫度（1至3百萬K）超高於表面溫度（6000K）？對於這問題，過去幾十年，物理學者提出了很多理論，但只有兩個理論可能最為正確：波動加熱理論（wave heating theory）與磁重聯理論（magnetic reconnection theory）。磁重聯理論的缺陷是，為什麼觀測到的磁重聯效應比較理論預測快過很多數量級？美國宇航局的太陽偵測加級器任務（solar probe plus mission）預定於2015年啟航，準備勘測太陽的日冕加熱狀況。
天文觀測到的瀰漫星際帶線譜的相對強度。
- 瀰漫星際帶（Diffuse interstellar band）
- 是什麼物質造成了在天文線譜里觀測到的多條星際吸收線？請問這些物質是否為分子物質？假若是分子物質，到底是哪些分子物質，它們是怎樣形成的？
- 伽馬射線爆發
- 從遙遠的星系突然發生的超大能量爆炸，其所伴隨的快閃伽馬射線，稱為“伽馬射線爆發”，是宇宙最明亮的電磁事件，通常持續時間在0.01-1000秒。物理學者不清楚為什麼會發生這種短時段、高強度的猝爆？於2008年，美國宇航局發射了費米伽馬射線空間望遠鏡，該衛星搭載的伽馬射線爆發監視系統（Gamma-ray Burst Monitor, GBM）可用來研究伽馬射線爆發。
- 質量-速度色散關係（M-σ relation）
- ；
其中，是常數，大約為。
質量-速度色散關係可以用來精確地計算超重黑洞的質量。但是，物理學者不清楚促成這關係的物理原因為何？
觀測異常：
