متسلحين بنظريتي النسبية وميكانيكا الكم الجديدتين، ومدفوعين في بعض الحالات بالاكتشافات الجديدة التي ولدت من رحم إنجازات التكنولوجيا التجريبية، سعى الفيزيائيون في هذا القرن إلى بسط نطاق العلم لوصف كل أوجه العالم الطبيعي. وكل الظواهر الخاضعة لهذا المبحث من الممكن عَزْوُها إلى أفعال قوى الطبيعة الأربع. وهذه التفاعلات الجوهرية الأربعة هي السبل التي بواسطتها تتفاعل الجسيمات العديدة الأولية – التي تتكون منها المادة بكل صورها – بعضها مع بعض. ناقشت بالفعل قوتين من هذه القوى الأربع، وأعني بهذا المغناطيسية والجاذبية. أما القوتان الأخريان فتختصان بالتفاعلات الواقعة بين مكونات نوى الذرات وهما القوة النووية الضعيفة والقوة النووية القوية. تتفاوت القوى الأربع في القوة (الجاذبية أضعفها، والقوى النووية القوية أقواها) وتتباين أيضًا من حيث أنواع الجسيمات الأساسية التي تشارك في التفاعلات التي تهيمن عليها.

تُبقي القوة الكهرومغناطيسية على الإلكترونات في مداراتها حول نواة الذرة؛ ومن ثم فهي المسؤولة عن تماسك كل أشكال المادة المألوفة لدينا. لكن أُدرك في وقت مبكر من القرن العشرين أنه من أجل تطبيق نظرية ماكسويل تفصيلًا على الذرات، لا مناص من الاستعانة بأفكار من فيزياء الجسيمات ومن النسبية. وتعيَّن الانتظار حتى أعمال ريتشارد فاينمان وآخرين، المبنية على عمل ديراك؛ حتى يتم تطوير النظرية الكمية الكاملة للقوة الكهرومغناطيسية، المسماة «الكهروديناميكا الكمية». ووفق هذه النظرية، يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي على صورة فوتونات هو المسؤول عن حمل التفاعل الكهرومغناطيسي بين الجسيمات ذات الشحنات المختلفة.

قبل المضي أكثر من هذا في مناقشة التفاعلات من الملائم الحديث عن بعض خصائص الجسيمات الأساسية التي تعمل هذه القوى بينها. أول هذه الجسيمات هي المجموعة المسماة «الفرميونات»، وهذه تختلف عن حاملات القوى، أو «البوزونات» (كالفوتونات)، بفعل لفها المغزلي وتنقسم الفرميونات إلى فئتين؛ اللبتونات والكواركات وكل فئة من هاتين الفئتين تنقسم بدورها إلى ثلاثة أجيال، وكل جيل يحتوي على جسيمين اثنين. ومن ثم يكون لدينا إجمالاً ستة فرميونات (مُرتَّبة في ثلاثة أزواج). أحد فردي كل زوج من الفرميونات يكون مشحونًا (الإلكترون على سبيل المثال)، بينما الأخر يكون عديم الشحنة، ويطلق عليه اسم «نيوترينو». ورغم أن الإلكترون مستقر، فإن اللبتونين الآخرين المشحونين (ويسميان «الميوون» و«التاوون») يتحللان بسرعة كبيرة، ومن ثم يكون رصدهما أكثر صعوبة بكثير.

الكواركات كلها مشحونة وعائلاتها الثلاثة مُرتَّبة في أزواج هي الأخرى. أُولى العائلات تحتوي على الكواركات «العلوية» والكواركات «السفلية»، والثانية من الكواركات «الغريبة» والكواركات «الساحرة»، والثالثة من الكواركات «القاعية» والكواركات «القمية». والكواركات تكون على الدوام حبيسة داخل جسيمات مركبة تسمى «الهادرونات». وهذه الجسيمات تتضمن «الباريونات»، وهي تجميعات من ثلاثة كواركات، أشهر الأمثلة عليها البروتونات والنيوترونات. هناك حالات أخرى عديدة للهادرونات، لكن أغلبها غير مستقر بدرجة شديدة. ومن الممكن أن تُنتج الهادرونات داخل تجارب المعجلات أو في الانفجار العظيم لكنها لا تستمر في البقاء لفترة طويلة قبل أن تتحلل. ووفق فهمنا الحالي يبدو أنه في غضون جزء على المليون من الثانية من بداية الزمن باتت الكواركات تملك الطاقة الكافية كي تحرر نفسها. أما فيما قبل ذلك فتتحلل الجسيمات الهادرونية إلى «حساء» من الكواركات.

كل جسيم من الفرميونات له نظير معاكس يسمى الجسيم المضاد والجسيم المضاد للإلكترون هو البوزيترون، وهناك أيضًا الكواركات المضادة والنيوترينوات المضادة. تصف نظرية الكهروديناميكا الكمية التفاعلات بين الفرميونات المشحونة. كانت ثاني قوة يُلقى عليها الضوء هي القوة النووية الضعيفة، المسؤولة عن تحلل مواد إشعاعية معينة. يتضمن التفاعل الضعيف كل أنواع الفرميونات، بما فيها النيوترينوات التي تعجز عن أن تستشعر تفاعل الكهروديناميكا الكمية بسبب كونها عديمة الشحنة. وكما في حالة الكهرومغناطيسية، تُنقل القوى الضعيفة بين الجسيمات بواسطة جسيمات أخرى، لكنها في هذه الحالة ليست الفوتونات، وإنما جسيمات ضخمة تسمى البوزونات W والبوزونات Z.

شكل 3: الوحدات البنائية للمادة. يتكون النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات من عدد صغير نسبيا من الجسيمات الأساسية. هناك الكواركات المرتبة في ثلاثة أجيال يحتوي كل جيل منها على كواركين، وتتكون الجسيمات النووية الثقيلة من هذه الكواركات. اللبتونات مرتبة على نحو مشابه الكواركات واللبتونات تكوِّن معًا الفرميونات، وتُنقل القوى بينها بواسطة بوزونات إلى اليمين) تسمى الفوتونات والجلوونات والبوزونات W وZ الضعيفة.

ويُعدُّ تمتع هذه الجسيمات بكتلة (على العكس من الفوتون) هو السبب وراء أن للقوة الضعيفة مثل هذا النطاق القصير، وأن تأثيراتها محصورة داخل النطاقات الضئيلة لنواة الذرة. وخلافًا لذلك تلعب الجسيمات W وZ في هذا السياق نفس الدور الذي تلعبه الفوتونات في الكهروديناميكا الكمية؛ فهذه البوزونات والفوتونات أمثلة على ما يعرف باسم «البوزونات العيارية».

تسمى النظرية المعنية بالتفاعلات القوية، تلك التفاعلات المسؤولة عن تماسك الكواركات داخل الهادرونات، باسم «الديناميكا اللونية الكمية»، مبنية على أسس وهي مشابهة للكهروديناميكا الكمية. في الديناميكا اللونية الكمية توجد مجموعة أخرى من البوزونات العيارية تختص بتوصيل القوى، وهذه البوزونات تسمى «الجلوونات» وثمة ثمانية أنواع منها. أضاف الى هذا، للديناميكية اللونية الكمية خاصية تسمى اللون، وهي تلعب دورا مشابها للدور الذي تلعبه الشحنة الكهربية في الكهروديناميكا الكمية.