自然界的四种力
在相对论和量子力学等新理论的武装下，以及在依靠实验技术进步获得的新发现的推动下，本世纪的物理学家试图将自然科学的范围扩展到自然界的方方面面。所有现象都可归于自然界四种力的作用。这四种基本的作用力使得组成所有物质的基本粒子相互作用。我已经介绍过其中的两种，电磁力和引力。另外两种是关于原子核组成成分之间的相互作用，弱核力和强核力。四种力的强度不同（引力最弱，强核力最强），且参与相互作用的基本粒子也不同。
电磁力将电子束缚在围绕原子核的轨道上，也是将所有我们所熟悉的任何物质结合起来的力。然而，在20世纪早期人们认识到，为了将麦克斯韦理论具体地应用到原子，需要引入量子物理和相对论的思想。里查德·费曼（Richard Feynman）等人基于狄拉克工作基础上的努力使电磁力的完全量子理论得以发展起来，该理论称为量子电动力学（简称QED）。在这个理论中，光子形式的电磁辐射负责在电荷不同的粒子间传递电磁作用力。
在深入探讨作用力之前，有必要提及和这些力相关的基本粒子的性质。被称作费米子的粒子规定了物质的基本的属性。和它们相区别的是力的载体－玻色子（如光子），玻色子和费米子具有不同的自旋。费米子分为两类，轻子和夸克，而每类又分成三代，每代包含两个粒子。因此总共有六个轻子（三对），六个夸克（三对）。每对轻子中的一个带电（如电子），而另一个不带电，叫做中微子。电子是稳定的，而另外两个带电的轻子（μ和τ）衰变非常快，非常难检测到。
夸克都是带电的，且三类都是成对的。第一对包括上夸克和下夸克；第二对是奇夸克和魅夸克；第三对是底夸克和顶夸克。但是没有发现自由夸克。它们总是被“禁闭”在称为强子的复合粒子中。强子包括重子，由三个夸克组成，最常见的强子是质子和中子。还有许多其他的强子态，但大多数不稳定。它们可能产生于加速器实验（或在大爆炸中），但无法在衰变前长久保持稳定。按我们当前的理解，似乎是在时间开始的一百万分之一秒内，夸克具有足够能量使其获得自由。在此时间内，熟悉的重子粒子溶解在夸克“汤”中。
每个费米子都有一个镜像叫做反粒子。电子的反粒子是正电子；也有反夸克和反中微子。
QED理论叙述了带电费米子之间的电磁相互作用。下一个要讨论的是弱核力，它是造成某些放射性物质衰变的力。所有费米子，包括中微子都参与弱相互作用。中微子不带电，不受电磁作用。如同电磁作用由光子传递，粒子间的弱作用力由非光子的其他粒子传递，这些大质量粒子叫做W和Z玻色子。因为这些粒子具有质量（与光子不同），所以弱核力作用范围小，且它的效应限制在原子核这样小的尺度上。W和Z粒子扮演了与光子在QED中相同的角色：它们和光子都属已知的规范玻色子。
通过强相互作用将强子中的夸克结合在一起的理论叫做量子色动力学（或QCD），其理论基础与QED相似。在QCD中，有另外一套规范玻色子传递作用力。它们被称作胶子，共有8种胶子。另外QCD还有一个属性，称作“颜色”，它扮演了QED中的电荷的角色。
