第一类有序结构可以在玻尔兹曼有序原理的基础上得到解释，即从热力学第二定律和关于最可几构型的统计选择原理来解释。对第二类有序结构的解释，必须把非平衡热力学、非平衡统计物理学和动力学结合起来，引起新的观点和方法，才能在科学思想上产生突破。
耗散结构是许多系统共同存在的普遍现象，并有实验证明其存在性。如贝纳德流·B-Z反应等都出现了自组织现象。
15.尚待检验的电弱统一理论
19世纪中叶，麦克斯韦的电磁理论统一了电的作用和磁的作用，这是历史上第一个将几种相互作用统一起来的理论。20世纪初，爱因斯坦破除牛顿引力论中的超距作用观念，把场的观点引进引力理论，创立了广义相对论，随后不久便出现了以统一引力场和电磁场为目标的统一场论的研究热潮。可是，此举未获成功，只有爱因斯坦坚持研究直到逝世。到20世纪50年代末，统一场论研究又走向高潮。
1954年杨振宁和R.L.密耳斯把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念，推广到不可对易的定域对称群，揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质，从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径。随后，实验上还弄清了弱相互作用是普适的V-A型相互作用，和电磁作用有许多共同特点，促使人们认真考虑它们的统一问题，电弱统一理论取得很大成功。
现在的电弱统一理论是一种自发破缺的规范理论，弱相互作用和电磁作用都是由规范原理要求的规范场来传递的，很自然地解释了二者的共性，即普适性和矢量性。与弱相互作用相联系的规范对称性是自发破缺的，通过黑格斯机制使传递弱相互作用的中间玻色子获得了很重的质量，这便解释了弱相互作用同电磁相互作用的差异。选取不同的规范群和破缺方案，把夸克和轻子填入规范群的不同表示，可以得到不同的电弱统一模型。由于S.L.格拉肖、S.温伯格和A.萨拉姆对电弱统一理论作出了重大贡献，从而获得1979年度诺贝尔物理学奖。1983年，中间玻色子w+和zo相继发现，这是对电弱统一理论的重要支持。不过黑格斯粒子和黑格斯机制，都尚待实验进一步检验。
16.假定的超弦理论
在物理学研究中，统一场论的研究与微观粒子更深层次结构的研究已经结合起来，1981年英国物理学家M.B.格林和美国物理学家J.H.许瓦兹提出了超弦理论。
这是在玻色弦和费密弦理论基础上提出的一种同时具有十维时空超对称性和二维弦空间超对称性的弦理论，其目的是要统一描述强、弱、电磁和引力这四种基本相互作用。超弦理论假定有一种更深层次的微观粒子，它是某种“弦”。但这种弦不是定义在普遍的物理空间的时间中，而是定义在另一种二维内部“时空”中，即“弦空间”中。从普通物理空间看，微观粒子是一个点，没有结构，但从二维弦空间看，微观粒子不再是一个点，而是一根弦。只有当弦的张力趋向无穷大，弦才收缩成一个点，这时即便从弦空间看，微观粒子也是一个点，从而过渡到通常的点粒子理论。由于边界条件不同，“弦”在弦空间的振动模式也不相同。原则上每种弦的振动都有无穷多种模式，在量子化后，一定模式的振动对应一定质量、自旋的微观粒子。如引力子、规范玻色子、夸克和轻子等，都是弦在弦空间中振动的不同模式。
从几何拓扑上看，弦可以分为两类：一类叫开弦，它像一条线段，有两个端点；另一类叫闭弦，像个圆圈，没有端点。超弦理论中的“弦”，从概念上说与上面谈的弦十分相似，也分为开弦和闭弦两种。闭弦可描写引力相互作用；开弦可以描写规范场传递的相互作用，包括强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。目前，已提出三种类型的超弦理论，还有待理论上的深入研究和实验上的验证，但它作为有可能把四种基本相互作用统一起来的探索，成为20世纪80年代粒子物理学理论最活跃的研究方向。
17.有趣的结晶态与非晶态
结晶态的固体也称晶体。在外观上，晶体具有规则的几何形状。在整个晶体内，其构成粒子周期性地重复排列着，这种排列称为晶格或空间点阵。晶体是长程有序的、具有规则多面体形状的单个晶体叫单晶，其形状由其化学成分决定。
单晶的典型性质是其各向异性，即固体的物理性质与晶格的方向有关。由若干不同取向的小单晶组成的晶体叫多晶，包含大量不同取向的晶粒的多晶体的物理性质表现为各向同性。金属和合金一般都是多晶体。晶体除具有规则的特征外形，还具有一定的熔点，能够沿某些特定的方位加以解理，许多物理性质具有各向异性的特点。如有些有机化合物在低温下显示出分子规则排列的特点。在高于室温时成为一般的各向同性的液体。但在室温上下，晶态和液态之问存在一个中间态，此时的有机化合物具有一定的流动性，并且表现出通常晶态物质所表现出来的许多光学性能。这种有机化合物称为液晶，广泛应用于仪表的数字显示等方面。
与结晶态相对应的非晶态又称无定形态。是指物质的微观结构处于一种混乱的无规则状态。非晶态物质中原子都做无规则排列，相对于晶体而言是一种没有晶体结构的固态物质。非晶态固体具有两个主要特征：其一是结构上长程无序而短程有序，因为在凝聚态物质中，原子的相对位置不可能是任意的，只能按其结合力的特定方式形成一种短程有序的状态。其二是相对于同组分的晶态物质来说，非晶态固体处于较高的能量状态，存在于某种准平衡状态之中。由于非晶态只具有短程有序，而无长程有序，非晶态物质常在能带内引入被束缚在各个原子核周围的电子局域态能级。处于局域态的电子不能在整个晶体内运动，只能通过隧道效应由一个局域态跃迁到另一个局域态。这种局域态电子的存在使非晶态物质的许多物理性质与晶体不同。
18.颜色眩目的液晶
液晶是“液态晶体”之意。有人称它为固液气三态之外物质存在的第四种状态，介于固态和液态之间。典型的液晶分子一般具有棒状或盘状的空间结构，结构上的特点使其一方面具有液体的流动性，另一方面又具有晶体的一些物理性质。液晶奇异的特性，使它在20世纪得到了迅猛发展，成为当今研究的热点问题之一。
按液晶形成的物理条件，液晶可分为溶致液晶和热致液晶两大类，溶致液晶大量存在于生物体内，在生命活动中起着重要的作用。
“它（液晶）反射出孔雀翎般眩目的颜色”，液晶的发现者之一这样描述着。
最早被发现的胆甾相液晶因为具有螺旋结构，对于光线具有选择反射特性，而这种选择反射特性对于温度较为敏感，在不同温度时反射光的颜色会有所不同。将这种液晶涂于物体的表面，就能直观地反映其表面温度的变化。
液晶既具有液体的流动性，又具有晶体的光学各向异性。液晶分子的排列状态对加在其上的电场和磁场较为敏感。将液晶注入两块透明的导电玻璃之间，并使其中的液晶分子按适当的方式排列，人们就制成了液晶显示器。在两块导电玻璃上加电压后，液晶分子的排列状态就会改变，从而导致通过它的光的状态发生变化而实现显示。为了实现良好的显示，液晶显示器一般还有一些附件如偏振片、背光源和彩色膜等。
液晶显示体积小、重量轻、低功耗和低驱动电压使其易于与大规模集成电路匹配。在目前，液晶显示器在诸如笔记本电脑等应用中的地位仍是不可替代的。
新的液晶材料和液晶器件仍在不断涌现，目前一般的液晶显示器早已超过56英寸，各项性能都可以和cRT相比，在塑料基底上制造的液晶显示器甚至还可以让你将它卷起来。毫无疑问，低功耗的轻便显示器与高度集成的电子和通信技术的完美结合，必将深刻地改变我们2l世纪的生活。
19.来自天外的宇宙线
宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流，包括带电、不带电的粒子及各种射线。宇宙线是20世纪20年代发现的。最初发现的宇宙线只是带电粒子，其中有电子即射线、质子等。后来又发现x一射线和许多其他粒子，如各种介子、中微子等。
宇宙线是天体的活动形成的，如超新星的大爆炸脉冲星、某些核电星系核、类星体等。宇宙线的能量很高，但辐射强度低，非常有利于科学研究，是粒子物理和天文学家们竞相研究的对象。
20世纪80年代，对构成物质的基本粒子的研究与天文宇宙学联系起来。一方面，人们利用宇宙线探测的粒子证据来证实或排除某些新粒子存在的可能性。
事实上，20世纪初新发现的许多基本粒子都是首先在宇宙线的研究中发现的：另一方面，通过宇宙线中某些粒子的研究了解宇宙变化的信息。宇宙线中的中微子穿透能力强，与外界的作用小，它带来了产生宇宙线的天体的变化信息。研究中微子的变化可以了解太阳及其他恒星辐射的内部信息，由此形成了中微子天文学。通过粒子物理和宇宙学的共同研究，增进了人们对整个宇宙及基本粒子的了解，同时也有望得到有关宇宙形成的历史。
到达地球的宇宙线受地球环境条件作用而变化。在海平面，典型的宇宙线粒子数为5×109爪／平方米年，其中主要是斗子。高能粒子与大气中的粒子作用而变化，引起核反应，宇宙线的变化也带来了地球环境变化的信息。例如，宇宙线中的x射线大，部分被大气臭氧层吸收，而不能到达地球地面。近年来由于冰箱空调等氟利昂制冷剂的大量使用，破坏了臭氧层，在南极上空形成了较大的臭氧空洞，使达到地球表面的x射线大大增加，严重影响了人类和动植物的生活以至生存。
宇宙线的研究在我国很早就开始了。1954年，中科院近代物理研究所在云南落雪山建造了我国第一个高山宇宙线实验室。到1957年，收集到了700多种奇异粒子，其中从铝核和铅核的衰变事例中，说明了诺贝尔奖获得者、美籍华人李政道和杨振宁提出的“宇称不守恒”的存在。
20.谜团重重的光电效应
1887年，赫兹在实验时发现了麦克斯韦预测的无线电波，证实了光的电磁理论，但他的另一项发现，之后被证实与麦克斯韦理论相互矛盾。赫兹发现在他的无线发射与接收仪器模型中，第一组火花间隙所释放出的光，会加强第二组火花间隙产生的火花。而事实上，当他直接将灯照射在第二组空隙时，所产生的火花更是强烈。光似乎对流经第二组空隙的电流有影响。
对于上述赫兹的发现，由英国物理学家约翰·汤姆生及德国物理学家菲利浦·雷纳德的实验知道了真相，原因是“光会使金属表面的电子释放出来。”在赫兹实验中除了无线电波所产生的光外，被光照射后的第二组金属线圈产生了电子，这种电子加强了感应火花的强度。这个因为光引起电子释放的过程，即被称之为“光电效应”。
根据麦克斯韦的光波动理论，可预测到的是：“若照射到金属表面的光强度增高，则金属表面释出的电子的速度会增快；光强度不变，只改变光频率，则释出电子的能量不变。”为了证实这个预测，菲利浦·雷纳德着手探讨，在光电效应中，改变光的强度和频率，对释放出的电子究竟会造成什么影响。
结果令他很惊讶，他的发现竞和麦克斯韦光波理论的推测背道而驰，他发现增强光的强度并不影响所释放的电子的能量，但会使释出电子的数目增加；若改变光频率，则会影响释出电子的能量，频率降低时，所释出的电子数目相同，但其能量则降低了。
这个奇特的现象显然与长久以来广为接受的观念相互冲突，既然光是连续波，为什么菲利浦·雷纳德的实验结果无法符合麦克斯韦的光波动理论？这个矛盾过了好多年都无人能破解，直到两位理论物理学家马克斯·薄朗克及阿尔伯特·爱因斯坦，才为这谜题找出了答案，对光电效应作了解释，也促使物理学进入了另一个新纪元。
21.形形色色的电磁波
电磁波是电磁场的一种运动状态，这种运动以有限速度（即光速）在空问中行进。由于在交变场中电场和磁场互相依赖并同时存在，所以电磁波又常称为电波。科学实验证明，无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、叮射线等都是电磁波，只是它们的频率（或波长）不同，具有不同的物理特性。
就相对频宽来说，可见光是一个很窄的频段，微波和x射线都比可见光的相对频带宽。在电磁波谱中，波长最长的是无线电波。按波长不同，无线电波又分为长波、短波、超短波或微波等。长波主要用于远洋长距离通讯；中波多用于航海和航空定向以及无线电广播；短波多用于无线电广播、电报通讯；超短波、微波多用于电视、雷达、无线电导航等。红外线、可见光和紫外线这三部分合称光辐射，在所有的电磁波中只有可见光人眼可以看到，其波长约在0.76微米到0.40微米之间，仅占电磁波中很小的一部分。波长最短的电磁波是1射线。不同频率的电磁波有共同之处，它们像水波、声波一样都遵守有关振动和波动的规律性；不同之处是，它们与物质相互作用所表现的情况不一样，x射线、1射线具有很强的贯穿和电离能力，而无线电波则容易被反射或吸收。正因为如此，我们在技术上可以利用不同频率电磁波与物质相互作用的特性来达到不同的应用目的。