在量子力學中，所有物質粒子之間的力或相互作用都認為是由自旋為整數0、1或2的粒子承擔。物質粒子——譬如電子或誇克——發出攜帶力的粒子，由於發射粒子所引起的反彈，改變了物質粒子的速度。攜帶力的粒子又和另一物質粒子碰撞從而被吸收。這碰撞改變了第二個粒子的速度，正如同兩個物質粒子之間存在過一個力。
攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它的一個重要的性質。這表明它們能被交換的數目不受限製，這樣就可以產生根強的力。然而，如果攜帶力的粒子具有很大的質量，則在大距離上產生和交換它們就會很困難。這樣，它們所攜帶的力隻能是短程的。
另一方麵，如果攜帶力的粒子質量為零，力就是長程的了。在物質粒子之間交換的攜帶力的粒子稱為虛粒子，因為它們不像“實”粒子那樣可以用粒子探測器檢測到。但我們知道它們的存在，因為它們具有可測量的效應，即它們引起了物質粒子之間的力，並且自旋為0、1或2的粒子在某些情況下作為實粒子而存在，這時它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現出為經典物理學家所說的波動形式，例如光波和引力波；當物質粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時，它們有時就可以被發射出來。
（例如，兩個電子之間的電排斥力是由於交換虛光子所致，這些虛光子永遠不可能被檢測出來；但是如果一個電子穿過另一個電子，則可以放出實光子，它以光波的形式為我們所探測到。）攜帶力的粒子按照其攜帶力的強度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強調指出，將力劃分成四種是種人為的方法；它僅僅是為了便於建立部分理論，而並不別具深意。大部分物理學家希望最終找到一個統一理論，該理論將四種力解釋為一個單獨的力的不同方麵。確實，許多人認為這是當代物理學的首要目標。最近，將四種力中的三種統一起來已經有了成功的端倪——我將在這章描述這些內容。而關於統一餘下的另一種力即引力的問題將留到以後再討論。
第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致於若不是它具有兩個特別的性質，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會作用到非常大的距離去，並且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，所有的粒子之間的非常弱的引力能迭加起來而產生相當大的力量。另外三種力或者由於是短程的，或者時而吸引時而排斥，所以它們傾向於互相抵消。以量子力學的方法來研究引力場，人們把兩個物質粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子所攜帶。它自身沒有質量，所以所攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結為構成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實產生了可測量的效應——它們使地球繞著太陽公轉！實引力構成了經典物理學家稱之為引力波的東西，它是如此之弱——並且要探測到它是如此之困難，以致於還從來未被觀測到過。
另一種力是電磁力。它作用於帶電荷的粒子（例如電子和誇克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強得多：兩個電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億（在1後麵有42個0）倍。然而，共有兩種電荷——正電荷和負電荷。
同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。由於單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負電的電子和帶正電的核中的質子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉，正如同引力使得地球繞著太陽旋轉一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由於稱作光子的無質量的自旋為1的粒子的交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。
但是，電子從一個允許軌道改變到另一個離核更近的允許軌道時，以發射出實光子的形式釋放能量——如果其波長剛好，則為肉眼可以觀察到的可見光，或可用諸如照相底版的光子探測器來觀察。同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動到較遠的軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。
第三種力稱為弱核力。它製約著放射性現象，並隻作用於自旋為1／2的物質粒子，而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國學院的阿伯達斯?薩拉姆和哈佛的史蒂芬?溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統一理論後，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學界所引起的震動，可與100年前馬克斯韋統一了電學和磁學並駕齊驅。溫伯格——薩拉姆理論認為，除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們叫W＋（W正）、W－（W負）和Z0（Z零），每一個具有大約100吉電子伏的質量（1吉電子伏為10億電子伏）。上述理論展現了稱作自發對稱破缺的性質。它表明在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上隻是同一類型粒子的不同狀態。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個效應和輪賭盤上的輪**的行為相類似。在高能量下（當這輪子轉得很快時），這球的行為基本上隻有一個方式——即不斷地滾動著；但是當輪子慢下來時，球的能量就減少了，最終球就陷到輪子上的37個槽中的一個裏麵去。換言之，在低能下球可以存在於37個不同的狀態。
如果由於某種原因，我們隻能在低能下觀察球，我們就會認為存在37種不同類型的球！
在溫伯格——薩拉姆理論中，當能量遠遠超過100吉電子伏時，這三種新粒子和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下能量要比這低，粒子之間的對稱就被破壞了。W＋、W－和Z0得到了大的質量，使之攜帶的力變成非常短程。薩拉姆和溫伯格提出此理論時，很少人相信他們，因為還無法將粒子加速到足以達到產生實的W＋、W－和Z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此後的十幾年裏，在低能量下這個理論的其他預言和實驗符合得這樣好，以至於他們和也在哈佛的謝爾登?格拉肖一起被授予1979年的物理諾貝爾獎。格拉肖提出過一個類似的統一電磁和弱作用的理論。由於1983年在CERN（歐洲核子研究中心）發現了具有被正確預言的質量和其他性質的光子的三個帶質量的伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難堪。領導幾百名物理學家作出此發現的卡拉?魯比亞和發展了被使用的反物質儲藏係統的cERN工程師西蒙?範德?米爾分享了1984年的諾貝爾獎。（除非你已經是巔峰人物，當今要在實驗物理學上留下痕跡極其困難！）第四種力是強作用力。它將質子和中子中的誇克束縛在一起，並將原子中的質子和中子束縛在一起。一般認為，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強作用力。它隻能與自身以及與誇克相互作用。強核力具有一種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。反之，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聯結在一起（紅＋綠＋藍＝白）。
這樣的三胞胎構成了質子或中子。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）。這樣的結合構成稱為介子的粒子。介子是不穩定的，因為誇克和反誇克會互相湮滅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。相反地，人們所能得到的膠子的團，其迭加起來的顏色必須是白的。這樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。
色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的誇克或膠子，這事實使得將誇克和膠子當作粒子的整個見解看起來有點玄學的味道。然而，強核力還有一個叫做漸近自由的性質，它使得誇克和膠子成為定義得很好的概念。在正常能量下，強核力確實很強，它將誇克很緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，在高能下強作用力變得弱得多，誇克和膠子的行為就像自由粒子那樣。圖5.2是張一個高能質子和一個反質子碰撞的照片。