而目前宇宙中所有的已知的粒子其實都可以被分成兩組：自旋為1/2的粒子，其組成了宇宙當中的物質；自旋為0、1和2的粒子，就像我們將要看到的一樣，物質粒子之間的力就是由它們產生的。物質粒子服從泡利不相容這一原理。那是由奧地利的物理學家沃爾夫岡·泡利於1925年所發現的，而泡利也因這一原理獲得了1945年的諾貝爾獎。泡利是一位原型理論物理學家，曾今有人還這樣說：泡利的存在會使和其在同一城市中的所有實驗都出現錯誤。泡利不相容原理說的是，兩個相像的粒子是不能夠存在於相同的態中的，即在不確定性原理給出的限製下，這兩個粒子不能夠同時具有相同的位置和速度。不相容原理是十分關鍵的，這是因為這一原理很好地說明了為什麼組成物質的粒子在那些自旋為0、1和2的粒子所產生的力的作用下卻不會坍縮成密度十分巨大的狀態的原因：假如物質粒子幾乎都處在相同的位置，那麼它們就必須有著不同的速度，而這相反地意味著它們不會在很長時間內都存在於相同的位置。假如世界是在沒有不相容原理的情形下誕生的，那麼誇克就不會形成分離的輪廓分明的質子和中子，再進一步講，質子和中子也不可能和電子形成分離的輪廓分明的原子，這些全部都會坍縮形成從整體上大致均勻的稠密的“湯”。
一直到了1928年，由保羅·狄拉克提出了一個理論之後，我們才對電子和其他自旋為1/2的粒子有了一些對的了解，而狄拉克又在後來被選為劍橋的盧卡斯數學教授。狄拉克的這一理論是第一種能夠同時和量子力學、狹義相對論相一致的理論，其在數學上解釋了為什麼電子會具有1/2的自旋，也就是為什麼我們把它轉了一整圈之後還不能使它顯得一樣，要轉兩圈才能。狄拉克的理論還預言了電子一定會存在著配偶——反電子或正電子。而在1932年的時候，正電子被發現，證實了狄拉克的理論，他也因此獲得了1933年的諾貝爾獎。而現在，我們都知道了，所有的粒子其實都是會有能夠和其相湮滅的反粒子的（對於那些攜帶著力的粒子，其反粒子就是自己本身）。當然，也許也會存在純粹的由反粒子所構成的整個反世界和反人。可是，如果當你能夠遇到反自身的話，那麼請注意，一定不要和他握手！不然的話，你們都會在一次巨大的閃光當中消失的。而至於為什麼我們身邊的粒子會比反粒子多得多的這個問題是個十分重要的問題，在本章的後麵，我們將會回到這個問題上來。
在量子力學中，存在於全部物質粒子之間的力或者物質粒子的相互作用都被認為是由那些自旋為整數的粒子攜帶著的，而這些攜帶著力的粒子，我們按照它的強度和與它相互作用的粒子將其分成了4個種類。一定要強調指出的是，這個行為完完全全是人為的，這隻是為了我們能夠更方便地建立部分理論，並不是還具有什麼深層次的含義。絕大部分的物理學家們其實都希望我們能夠在最後找到一個統一的理論，這一理論能把4種力解釋成為一個單獨的力裏麵不同的4個方麵。當然，有很多人都認為這將是當代物理學的最主要的目標。而在現在，我們已經有了成功的跡象：把這4種力其中的3種統一起來——在這一章中將會描述這些內容。而對於這統一所剩下的那種力——引力的問題，我們會將其留到以後進行討論。
4種力中的第一種力就是引力，而引力是萬有的，即每一個粒子都會因其質量或者是能量從而感受到引力。引力比起那3種力要弱小得多，甚至於若不是引力還具有兩個非常特別的性質：能作用到大距離去、總是吸引的，我們也許根本就不可能注意到它。這兩個性質就說明了，在兩個巨大的物體裏麵，雖然單獨粒子之間隻有很弱小的引力，可是這些引力卻能夠相互疊加起來，從而產生一股巨大的力量。而其他的3種力要不就是短程的，要不就是一會兒吸引，一會兒排斥，因此它們更傾向於互相抵消。
第二種力就是電磁力。電磁力作用於那些帶電荷的粒子（例如電子和誇克）之間，並不會和那些不帶電荷的粒子（例如引力子）發生相互的作用。電磁力比起引力來說則要強得多：兩個電子之間產生的電磁力會比其之間的引力大約大100億億億億億（在1後麵跟42個0）倍。可是世界上存在著兩種不同的電荷——正電荷和負電荷。相同的電荷之間產生的電磁力是互相排斥的，而不同的電荷之間所產生的電磁力則是互相吸引的。而一個巨大的物體，就像地球或太陽，它們之中包含了幾乎相等的正電荷和負電荷。於是，因為單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全部被相互地抵消掉了，所以兩個物體之間剩下的電磁力是非常小的。不過電磁力在原子和分子這樣的小尺度下是起主要作用的，就是由在帶負電的電子和帶正電的核中的質子二者之間所產生的電磁力才使得電子能夠圍繞著原子核進行公轉，這就好像引力驅使著地球圍繞著太陽公轉一樣。我們把電磁吸力描繪成是因為交換了大量的光子而引起的。
而第三種力就是弱核力。弱核力負責的是放射性現象，其隻對那些自旋為1/2的物質粒子產生作用，而對於那些例如光子、引力子等自旋為整數的粒子則起不到任何作用。1967年，倫敦帝國學院的阿伯達斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格兩人提出了弱作用和電磁作用的統一理論，此後，弱作用才能夠被我們很好地理解。他們的這一舉動在物理學界引發的震驚，是可以和麥克斯韋統一電學和磁學相提並論的。薩拉姆和溫伯格提出，在光子之外還有其他的3個自旋為1的被統稱作重矢量玻色子的粒子，這些粒子攜帶著弱力。這3個粒子分別被稱作為W＋（W正）、W－（W負）和Z0（Z零），其每一個都擁有著大約100吉電子伏的質量（1吉電子伏為10億電子伏）。溫伯格和薩拉姆的理論體現了被稱作對稱自發破缺的性質。而這就表示，在低能量下，那些看起來完全不同的粒子實際上都隻是同一種粒子處於不同的狀態罷了。而這些粒子在高能量下都具有相類似的行為。這個效應就和輪賭盤上的輪賭球有點兒類似：在高能量下（當這個輪子轉得很快時），這個球的行為幾乎隻有一個方式——就是不停地在滾動。可是一旦輪子變慢下來，那麼球的能量就會減小，而其最後就陷到輪子上存在的37個槽中的一個裏麵去。也就是說，在低能量下，球是存在著37種不同的狀態的，而假如由於某種原因，我們隻能在低能下觀察球的話，那麼我們就會誤以為是存在37種不同類型的球。
雖然在溫伯格·薩拉姆理論當中，能量一旦遠遠地超過了100吉電子伏，那麼這3種新粒子就會有和光子相似的方式行為，可是在大部分的情況下，粒子的能量都要比這一數值低，於是存在於粒子之間的對稱就被破壞掉了，而W＋、W－和Z0就會得到大的質量，從而使其所攜帶的力作用的距離變得非常短。在薩拉姆和溫伯格兩人提出這個理論的時候，當時很少有人相信他們的結論，因為在那個時候，加速器還並沒有能夠產生將粒子加速到產生實的W＋、W－和Z0粒子所需的100吉電子伏的能量，可是在這之後的十幾年裏，這個理論在較低能量下的別的預言卻和我們實驗的結果相當符合，因此阿伯達斯·薩拉姆、史蒂芬·溫伯格就和謝爾登·格拉肖一起分享了1979年的諾貝爾物理學獎。格拉肖曾提出過一個相似的統一電磁和弱作用的理論。因為1983年在2ERN（歐洲核子研究中心）發現了擁有著被正確地預言了的質量與其他性質的光子的3個有質量的伴侶，於是諾貝爾獎的委員會就成功地避免了犯錯的難堪，而帶領著幾百名物理學家發現這一事物的卡羅·魯比亞和開發了被使用的反物質儲藏係統的CERN工程師西蒙·範德·米爾也一起分享了1984年的諾貝爾獎。
第四種力是強核力。它將質子和中子中的誇克束縛在一起，並將原子核中的質子和中子束縛在一起。人們相信，被稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強作用力，它隻能與自身以及誇克相互作用。強核力具有一種被稱為禁閉的古怪性質，它總是把粒子束縛成不帶顏色的結合體。由於誇克有顏色（紅、綠或藍），人們不能得到單獨的誇克自身。相反，一個紅誇克必須用一串膠子和一個綠誇克以及一個藍誇克連接在一起（紅+綠+藍=白）。這樣的三胞胎構成了一個質子或中子。其他的可能性是由一個誇克和一個反誇克組成的對（紅+反紅，或綠+反綠，或藍+反藍=白）。這樣的結合體構成了被稱為介子的粒子。介子是不穩定的，因為誇克和反誇克會相互湮滅，進而產生電子和其他粒子。類似地，由於膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子自身。相反，人們所能得到的膠子的團，其疊加起來的顏色必須是白的，這樣的團形成了被稱為膠球的不穩定粒子。
統一電磁力和弱核力的成功，使人們多次試圖將這兩種力和強核力合並在所謂的大統一理論（或GUT）之中。這個名字相當誇張，但得到的理論並不那麼輝煌，也沒能將全部力都統一進去，因為它並不包含引力。它們也不是真正完整的理論，因為它們包含了許多不能從這個理論中預言而必須人為選擇的適合實驗的參數。盡管如此，它們仍可能是朝著完備的統一理論推進的一步。GUT的基本思想是這樣：正如前麵提到的，在高能量下，強核力變弱了，而不是漸近自由的電磁力和弱力在高能量下變強了。在某個非常高的叫做大統一能量的能量下，這3種力都具有同樣的強度，並因此可看成一個單獨的力的不同方麵。在這個能量下，GUT還預言了自旋為1/2的不同物質粒子（如誇克和電子）也會從根本上都變得一樣，這樣就導致了另一種統一。
我們對於大統一能量的數值還知道得不太清楚，可能至少有1000萬億吉電子伏特。而目前粒子加速器隻能使大致能量為100吉電子伏的粒子相碰撞，而計劃製造的機器的能量可升到幾千吉電子伏。要製造足以將粒子加速到大統一能量的機器——其體積必須和太陽係一樣大，這在現代經濟環境下不太可能做到。因此，不可能在實驗室裏直接檢驗大統一理論。然而，如同在弱電統一理論中那樣，我們可以檢驗它在低能量下的推論。
盡管觀測質子的自發衰變非常困難，但很可能正由於這相反的過程，即質子，或更簡單地說，誇克的產生導致了我們的存在，它們是從宇宙開初的可以想象的最自然的方式——誇克並不比反誇克更多的狀態下產生的。地球上的物質主要是由質子和中子，進而由誇克構成。除了少數由物理學家在大型粒子加速器中產生的以外，不存在由反誇克構成的反質子和反中子。我們從宇宙線中得到的證據表明，我們星係中的所有物質也是這樣，除了少數當粒子和反粒子對進行高能碰撞時產生的以外，沒有發現反質子和反中子。如果在我們星係中有很大區域的反物質，則可以預料，在正反物質的邊界會觀測到大量的輻射。許多粒子在那裏和它們的反粒子相互碰撞、相互湮滅並釋放出高能輻射。
1956年，人們都相信，物理定律分別服從3個叫做C、P和T的對稱。C（電荷）對稱的意義是：定律對於粒子和反粒子是相同的；P（宇宙）對稱的意義是：定律對於任何情景和它的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）是相同的；T（時間）對稱的意義是：如果你顛倒所有粒子和反粒子的運動方向，係統應回到早先的那樣，換言之，定律對於前進或後退的時間方向是一樣的。
有一個數學定理說，任何服從量子力學和相對論的理論必須服從CPT聯合對稱。換言之，如果同時用反粒子來置換粒子，取鏡像還有時間反演，則宇宙的行為必須是一樣的。但是，克羅寧和費茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，並且采用鏡像，但不反演時間方向，則宇宙的行為不相同，所以，如果人們不反演時間方向，物理學定律必須改變——它們不服從T對稱。
在早期，宇宙肯定是不服從T對稱的，隨著時間前進，宇宙膨脹；如果它往後倒退，則宇宙收縮。而且，由於存在著不服從T對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對於將電子變成反誇克，這些力將更多的反電子變成誇克。然後，隨著宇宙膨脹並冷卻下來，反誇克就和誇克湮滅，但由於已有的誇克比反誇克多，少量過剩的誇克就留下來。正是它們構成了我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自身。這樣，我們自身的存在可認為是對大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以致我們不能知道在湮滅之後餘下的誇克數目，甚至不知餘下的是誇克還是反誇克。（然而，如果是反誇克多餘留下，我們可以簡單地把反誇克稱為誇克，誇克稱為反誇克。）
大統一理論不包括引力。在我們處理基本粒子或原子問題時關係不大，因為引力是如此弱，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的事實，表明它的所有效應是疊加的。所以，對於足夠大量的物質粒子，引力會比其他所有的力都更重要，這就是為什麼正是引力決定了宇宙的演化的緣故。甚至對於恒星大小的物體，引力的吸引會超過所有其他的力，並使恒星坍縮。黑洞就是由這種恒星的坍縮和圍繞它們的強大的引力場產生的。正是黑洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第一個暗示——亦即尚未成功的量子引力論形態的一瞥。
物理學的統一
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正如前文所解釋的，一蹴而就地建立一個包括宇宙中萬物的完備統一理論是非常困難的。取而代之，我們在尋求描述有限範圍事件的部分理論上取得了進步，這時我們忽略了其他效應，或者將它們用一定的數字來近似表示（例如，化學允許我們計算原子間的相互作用時，可以不管原子核內部的結構）。然而，人們希望最終找到一個完備的、協調的，將所有這些部分理論當做它的近似的統一理論。在這個理論中不需要為某些任意數選值去符合事實。尋找這樣的一個理論被稱為“物理學的統一”。愛因斯坦用他晚年的大部分時間尋求這個統一理論，但是沒有成功。因為盡管已有了引力和電磁力的部分理論，但關於核力還知道得非常少，所以時機還沒成熟。並且，盡管他本人對量子力學的發展起過重要的作用，但他拒絕相信它的真實性。但是，不確定性原理似乎還是我們生活於其中的宇宙的一個基本特征。因此，一個成功的統一理論必須將這個原理結合進去。