统一理论(Grand 声作流小代Unification Theory，缩写GUT)是关于强相互作用和电弱相互作用统一的理论，希望能借由单个理论来解释强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用导致的物理现象。现有的研究成果和观来自测发现，可以360百科在理论上阐释强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用的统一，但仍然无法将引力纳入该系统中。
尽管如此，钱德拉·塞卡的开创性工作以及霍金等科学家的深入研究表明，坍缩的大质量恒星内部密度增加并变成宇宙黑洞后，星体对外部物体的引力增大。科学家们还发现，宇宙黑洞能够吞况毫延们油战击噬一切物体。而且，当恒星坍缩、星体内部粒子之间的强作用力和弱作用力都失效后，引力便会变得无限大。这让人感到迷惑，同时也引发我们对于宏观宇宙尺度上的作用力和微观微粒子尺度上的作用力是否同源的思考。科学家们由此提出了有关大一统的猜测:(1)能量赋获汉配话围配急站脸予物体内在的和外在的运动能力，每一粒子都是一个或大或小的能量包，即使现在的科技认知基础上看来是微质量的轻子或者无质量的光子;(2)四种基本力是同源的，况属我社四种基本力不过降随矿不石是物质所具有的能量的不同的表达真周功方式;而引力只是其他三种基本力的余力。
济进诗球真准生空爱因斯坦在创建相对论时就意识到，自然科学中"统一"的来自概念或许是一个最基本的法则。 1923年的诺贝尔得奖感言中说:"我欲探索一个统整理论的理智思维，是无法满足于存在有两个本质彼此完360百科全独立的领域之假设。"20世纪20年代，当爱因斯坦开始着手研究统一场论时，电磁作用力和重力是仅知的自然作用力，剂铁眼失治送长电子和质子也是大家仅知的亚原子粒子。开代开始致力于寻求一种能将引力场与电磁场，将相对论与量子论统一起来的统一场理论。
爱因斯坦和其他几个雨烈助科学家与物理界研究量子的大方向背道而驰，着手研究统一的问题。1916年，外尔(Hermann Weyl)基于黎曼(Riemann)几何的推广，亚提出一个统合方案。受到外尔研究成果的激发，卡鲁札(Theodor Kaluza)宜短认为，扩大时空至五维，即可在四维中得到爱因斯坦方程式，再加上和麦克火后斯韦的电磁方程式相等的一组方程式。第五维紧致并卷成很小，以致探测不到。克莱因(Oskar K新很绝lein)后来将此想法精致化。爱因斯坦喜欢五维的方法。1919年，他写信给卡鲁札:"经由五维圆柱世界来达成整合的想法从未出现在我脑海中…乍一看，我非常喜欢你的想法。"卡鲁札于1921年发表了他的论文，而爱因斯坦也于192儿品防意亚扩有留2年，以相类似的方法，和格鲁默(JacobGrommer)发表了他第一篇有关统一场论的亮东利怎怀误外载置材论文。爱因斯坦还曾试用另一方法，他借着推广度规张量充半夜相阿高触级沉，但仍保留四维几何，以扩大广义相对论，而得以涵盖电磁方程式。
爱因斯坦在他生命最后的30年持续不懈地研究这两个基本的方法，然而两个方法都没产生他所企望的完整统一理论。他一个个地研究，但很快就放弃了。爱因斯坦于1938吗食报直复年的信中这样写着:"我大部分理智思辩的结晶都早早就埋葬在失望的墓园里。"然而，爱因斯坦无法找到统一理论的一个原因，说杆肥夜越数鱼编布次可能是因为他拒绝了量子力学，导致他忽视了物理学的新进展，而与其他的物理学家保持了距离。爱因斯坦知道他的情况，所以1954年他说:"我一婷粉对天效定很像一只鸵鸟，头永远埋在相对论的沙堆中，不愿面对邪恶的量子。"但他越研究统一论，就远离了物理发展的主流。不仅如此，爱因斯坦越来越专注于数学形式，不再跟随他年轻时良指引他做出伟大发现的物理直觉。有许多人说爱因斯坦的失败，是因为他超越了他的时代--完成统一理论所需的知识和工具。
20世纪三十年代人们己查黄穿武燃毫经发现,宇宙中不只有电磁和引力相互作用,在微观世界中还存在强相互作用和弱相互作用,这就给统一场论的工作提出了新的课题和要求,自然界中已发现的这四种基本相互作用在强度上相差很大,如把强相互作用定为。.2,那么电磁相互作用大约是10。弱相互作用是10，而引干千力相互作用强度最小，仅为10.并且这四种相互作用的性质也很不相同,引力和电磁力都与距离平方成反比,是所谓的长程力;而强作用和弱作用则属于短程力,只有在极近距离(亚核区域)内才起作用.四十拿年代末五十年代初,人们对电磁相互作用的研究已达到了相当深入的程度,建立了完整的量子电动力学室指云明理论(简称QED).QED和实验结果完全一致,说明了这一理论的正确性.并且人们还认识到QED是一种规范理论,所谓规范理论就是指理论在某种规范变换下具有不变性。电磁相互作用理论是在U(l)群变换下具有不变性的规范理论.通常规范理论中必须存在规范场(或者规范粒子),规范粒子的作用就是传递相互作用.电磁相互作用中的规范粒子是光子,它传递带电粒子之间的电磁作用.
1954年,杨振宁和米尔斯提出了著名的SU(N)群的规范理论,为三种相互作用(除引力作用之外)规范理论的建立打开了大门.在仔细研究了弱作用并与电磁作用相比较之后,196r年、1967年和2965年格拉肖(S·L·Glashow)、温伯格(S·Weinberg)和萨拉姆(A·Salam)分别提出了将弱作用和电磁作用统一起来的规范理论.该理论将这两种相互作用统一在一起考虑,整个理论是SU(2)xU(1)群的规范理论.弱电统,一理论有两个重要预言.一个预言是存在弱中性流,1973年欧洲核子研究中心(CERN)证实了这个预言.其二是预言了除光子外还存在三种传递相互作用的规范粒子,即z'和w斗、W一粒子,它们的质量大约是8。一100Gew(质子的质量大约为IGev).1983年在CERN果然发现了这三种粒子(中间玻色子),而且测出它们的质量和预言的结果很接近。Weinberg、Salam和elashw由于弱电统一理论的贡献而获得了1979年诺贝尔物理学奖.。
1973年，美国科学家帕提(Jogesh Pati，1937- )(右图)和萨拉姆提出了统一描述夸克和轻子的帕提-萨拉姆模型，预言了质子的衰变。
1974年，美国科学家乔治(Howard Georgi，1947- )和格拉肖提出了把强、弱、电三种相互作用统一在一起的SU(5)大统一理论。该理论认为:质子是不稳定的，估算出的质子寿命约为1028-2.5×1031年。大统一理论还作出预言:它可以自动得出电荷量子化，即所有电荷应是e/3的整数倍的结论 。大一统理论与标准模型不同，它预测质子衰变的存在。科学家们推测，一旦证实质子真的会衰变，大约1035年以后，宇宙将成为稀薄的电子正电子等离子体。
美国物理学家谢尔登·格拉肖及哈沃德·乔吉于1974年提出历史上的首个大统一理论。他们发现了把标准模型中所有的规范作用力统一到SU(5)群的方法，并且能够在合理的假设下定量给出耦合常数跑动的一般模式。这个理论同时还预言了质子的衰变，认为质子的寿命大约为10^30年，而超级神冈探测器得到的质子寿命的下限为10^31~10^32年，所以这个理论已经被排除了。
但是一些理论家修改了这个模型，使得质子的寿命更长。它是后来的大统一工作的基础。
测定质子的寿命成为大统一理论能否成立的关键。由于质子寿命很长，估计为1031年左右，即一年期间在1031个质子中才会有一个质子蜕变。为了消除宇宙射线的干扰，整个实验要在地底深处进行。1983年前后，美国、印度、日本等国的科学家做了一些探测质子衰变的实验。
美国IBM公司的一个协作组在俄亥俄(Ohio)州克里弗兰市以东600多米的一个盐矿中进行实验。探测装置的中部是17×18×23立方米的纯水，矩形体的六面布置了2048只光电倍增管，每只直径为12.5厘米，想以此来探测正电子和两个高能光子通过纯水时产生的契仑柯夫辐射。经过204天的连续观察未测到一个质子衰变事例。据此推算，质子的寿命一定大于1.7×1032年，从而否定了SU(5)大统一理论。
一个由印度和日本科学家组成的实验小组，在地下3000米的柯拉金矿的废矿井中进行的实验却传出佳音。两年内共发现6个质衰变的事例，其中3个认为是比较可靠的。据此推算，质子的平均寿命约为7×1030年，与大统一理论相符。但这一实验结果比较粗糙，没有得到公认。质子是否衰变尚在探索之中 。
1999年，日本超级神冈的实验并未能深测到质子衰变，还有一些实验也对大统一理论做出了不利的结论。这至少说明大统一理论要走相当长的路才能成为一个有效的理论。
为了克服大统一模型的缺点，科学家们对于是否存在着更大的对称性更加关注。1973年时有人提出来一个巧妙的数学结构，称为超对称(super-symmetry)理论(右图)。
按照这一理论，费米子和玻色子都填入同一线性表示中，通过规范作用可以互相转化。为了达到这一目的，理论不得不在已知的微观粒子基础上引入大量配偶粒子。超对称理论形式十分美妙，可惜这些配偶粒子至今都没有找到。
为了把引力也统一进来，把引力作用也理解为一种规范作用，1976年有人提出新的对称概念，称为超引力(super-gravity)理论，它与超对称并不一样，可是有密切关系。
1984年又有人提出了超弦(super-string)理论(右图)。
超弦理论认为微观粒子不是一个点，而是一条弦，并在弦的基础上形成一套量子化方法，但由于数学上的困难，一些基本参数暂时还算不出来。弦理论预言宇宙除了三维空间外，还存在着额外维空间。
20世纪90年代，有人在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜(M)理论。膜理论认为人们直接观测所及的好似无边的宇宙是十维时空中的一个四维超曲面，就象薄薄的一层膜。膜理论使一些原本难以计算的东西可以用弦论工具来做严格的计算了。
大统一理论还有许多问题有待于探索和研究。虽然大统一理论还未获得成功，但是寻找四种相互作用统一的研究工作不会中断，科学家们仍在努力之中。
在现代物理学中，能量概念比质量概念更具有核心地位。这表现在许多方面。真正守恒的是能量而非质量。出现在各类基本方程，如统计力学的波尔兹曼方程，量子力学的薛定谔方程和关于引力的爱因斯坦方程等方程中也是能量。
因此，爱因斯坦方程提出了一项挑战。如果能够用能量来解释质量，这将有助于改进科学家们对于世界的描述，这样，构建世界所需要的构件可能变得更少。 借助于爱因斯坦定律，我们可以更好地解决或者回答牛顿所未曾解决的问题:什么是质量的起源?引力与其他基本力之间到底有什么关联?
问题1:如果E=mc2，那么，质量正比于能量。因此如果能量守恒，是不是意味着质量也守恒?然而，爱因斯坦的方程只能运用到静止的孤立的物体上。一般来说，两个物体相互作用时，能量和质量不成正比。E=mc2根本不适用。
问题2:用无质量的构件搭建起来的物体如何感知引力?牛顿定律说物体受到的引力与质量成正比，但事实上，通常被认为是零质量的光子却会受到引力的作用而发生弯曲。这是1919年中为验证在爱因斯坦广义相对论所提出的假设进行的一次科学实观测所证实了的。那么这是否意味着光子质量非零，还是牛顿引力定律缺少普适性?
光的问题是一个值得重视的首要性问题。光是"所有事物"中最重要的元素，它截然不同于原子。人们本能地认为光是与物质完全不同的另一类东西，是非物质的甚至是精神层面的。光也的确表现出完全不同于可触摸物质的特性。光是物质的另一种形式。光是由粒子--光子--组成的。光子在真空中运动速度很大，但是在超导状态下，光运行的速度很慢，大体跟目前世界跑得最快的奥运会短跑冠军的速度相近，而且，光子在这种状态下也具有了质量。另外，光子在纯净水中的传播速度也大概只有在真空中速度的75%左右，在玻璃体中则传播速度更慢，如果，光子是无质量的粒子，这又是为什么?为什么与同样微小的粒子中微子有那么大的差异?
其次，值得提及的是原子不是故事的结束，它们是由更基本的构件组成的。因为所有的物质都能发光，所以我们可以假设所有的物质都是由原子和光子组成的。原子是由原子核和电子组成的。原子核很小，其大小大约为原子的10万分之一，但它却包含所有的正电荷和构成了几乎所有的质量。原子因为原子核和电子之间的电性吸引而保持稳定。最后，原子核又由质子和中子组成。原子核却由另一种力来维持，这种力要比电性力强大很多，但作用的距离却很短，科学家们把质子内部的这种作用力叫做强相互作用。
1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子。在查德威克的发现之后，理解原子核的道路似乎变得通畅了。人们认为原子核的构件已被发现，它们就是质子和中子。这是两种重量近似的粒子，而且有着类似的强相互作用。质子和中子的最明显差别就是质子带正电荷，而中子呈电中性。此外，孤立的中子不稳定，大约会在15分钟的寿命期限内衰变成一个质子(加一个正电荷和一个中微子)。将质子和中子简单相加，你就可以得到不同电荷数和质量的模型原子核，它与已知原子核基本相符。
我们在化学的经验表明，对所有这些复杂性给予解释是可能的。也许质子、中子和其它强子不是基本粒子。它们也许是由性质更为简单的更为基本的对象构成。
事实上，如果我们针对原子和分子水平上做在质子和中子水平上做的散射实验，来研究原子和分子在近距离碰撞下会发生什么，我们会得到同样复杂的结果:重新分布的分子和碎裂而成的类新型分子(或处于激发态的原子、离子或自由基)，换句话说，得到的各种化学反应。服从简单的力定律的只是基本的电子与原子核，而由多个电子和原子核组成的原子和分子则不。而且在亚原子粒子情形下，质量也不守恒。如果你将质子轰击得足够致密，你就会发现得到的是更多的质子，有时还会伴有其它强子。一个典型的情形是，让两个高能质子相互碰撞，得到却是3个质子，一个反中子和若干个介子。这些粒子的总质量会大于反应前两个质子的质量之和。
光没有质量。光不用推动就可以产生巨大的速度从光源传递到接受器。光很容易就可以产生(发射)或湮没(被吸收)。光也不具备引力那样的拉力。但光有能量，能轻而易举地被转化并储藏起来，例如植物的叶绿素在光合作用下，可以把空气中的二氧化碳和植物根系吸收的水分、矿物质转换成多糖、氨基酸或纤维素的化学键里。在元素周期表我们找不到光的位置，而这个周期表里分布都是构成物质的各种构件。
近代科学诞生前的几百年以及诞生后的两个半世纪里，实在分为物质和光似乎是不言自明的。物质有质量且守恒，光没有质量。如果有质量物质和无质量的光始终彼此隔绝，那么物理世界就始终无法实现统一的描述。
在20世纪的前半叶，相对论和量子物理学的出现摧毁了经典物理学的基础。现存的物质和光的理论几同废墟。这一创新性的破坏过程，使得物理学家有可能在20世纪的下半叶建造起一个新的更深刻的物质-光理论，它将彻底破除自古以来对两者分离的认识。新的理论认为，世界是建立在充满以太的多层级空间基础上的。这里借用的"以太"虽然是十七世纪的哲学家笛卡尔的概念，在十九世纪时麦克斯韦则称之为"场"，而在1970年代中，维尔切克则将其称之为"网格"。新的世界模型尽管看起来有点稀奇古怪，但却非常成功而且精确。
不久以前，人们曾经认为普通物质的基本构件就是质子和中子。之后，科学家们又发现，普通物质的基本构件--质子和中子--内有些小东西。这些小东西叫做夸克和胶子。
但是，如果夸克和胶子只是物质内部永无止境的复杂结构的又一层级，那么它们的名字只不过提供一种让人们炫耀的非流行语词。然而夸克和胶子并不"只是又一层级"。在胶子本身被发现之前，人们已经发现了描述胶子的方程。1954年杨振宁和罗伯特·米尔斯发现作为电动力学的麦克斯韦方程组自然数学推广的一类方程组，表明麦克斯韦方程组的自然数学推广方程组支持所有已知荷的对称性，而在杨-米尔斯方程组基础上由大卫·格罗斯和弗兰克·维尔切克于1973年推导出了适用于现实世界中强相互作用胶子方程的过程中使用了三种"荷"。出现在强相互作用理论中的这三种荷通常称为色荷，或简称为荷。
在20世纪60年代初，实验者发现了几十种强子，它们的质量、寿命和固有的自旋均不相同。其中，希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。物理学家希格斯提出了希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。2012年7月2日，美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布，该实验室最新数据接近证明被称为"上帝粒子"的希格斯玻色子的存在。2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻稿表示，先前探测到的新粒子是希格斯玻色子。
在粒子物理学里，标准模型是一种被广泛接受的框架，可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。由于基本粒子和基本力形成了物理世界，所以，除了引力以外，标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象。最初，标准模型所倚赖的规范场论禁止基本粒子拥有质量，这很明显地显示出初始模型不够完全。后来，物理学者研究出一种机制，能够利用对称性破缺来赋予基本粒子质量，同时又不会抵触到规范场论。这机制被称为希格斯机制。在所有解释质量起源的机制之中，希格斯机制是最简单、最被认可的一种。物理学者已完成了很多实验，并确实侦测到这机制引发的许多种效应，但是他们不确切了解这机制到底是怎么一回事。
标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作用和弱相互作用的统一描述，但是在能量低于一定条件后，电磁相互作用和弱相互作用将呈现为不同的相互作用，这被称为电弱相互作用的对称性自发破缺。希格斯粒子就是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。
根据标准模型理论，宇宙空间中的各处，无论是真空中还是空气中，甚至是物质的内部，都充满了希格斯粒子(希格斯场)。希格斯粒子被认为是生成基本粒子的"质量"之源。虽然质量总是与"重量"联系在一起，但严格说起来是不一样的。质量应该是反映"改变加速度的难易程度"的物理量。
为什么有些基本粒子具有质量，而有些基本粒子的质量为零?物理学界仍在不停的探索中。而更加令物理学家们棘手的是，即使标准模型理论解决了除引力外的另外三种基本力的统一问题，但引力如何与其他三种达到大一统的局面，仍然缺少一些重要的中间环节。另外，如果爱因斯坦提出的能量与质量交换方程是普适而有效的，那么，质量是否源于能量的凝聚呢?
我们知道，原子中的电子可以有不同的轨道形状，其自旋可有不同取向，因此原子可有许多不同能态。对这些可能的态的研究是原子光谱研究的重要内容。我们常用原子光谱来揭示各种不同的态是由什么决定的，来设计激光器以及许多其它事情。由于原子光谱本身的重要性以及它与夸克模型有千丝万缕的联系，因此我们得首先花点时间来说说光谱。
像火焰或者恒星大气这样的热气体中就包含处于不同态的原子。即使是原子核相同、电子数相同的原子，其电子仍然可有不同轨道或不同自旋取向。这些态有不同的能量。高能态可衰变到底能态并发光。由于能量总体上是守恒的，因此发出的光子的能量可通过其颜色来获知，这个能量反映了初态和终态之间的能量差。每一种原子发出的光都有一套特征颜色分布。氢原子发出的光是一组颜色条纹，氦原子发射的光泽是完全不同的另一组颜色条纹，等等。物理学家和化学家将这种颜色分布成为原子频谱。原子的频谱起着标识该原子特征的作用，可以用来识别原子。当你让光线通过棱镜从而使不同的颜色分开时，得到的谱就相当于一套条码。
原子光谱在构建原子内部结构模型方面曾经给予我们很多具体的指向。以此为基础，我们再回到夸克模型上来。同样的设想经过改造后再亚原子层面上依然有效。在原子层面上，电子两个态之间的能量差相对较小，这个能量差从原子总质量来看显得微不足道。夸克模型的核心思想是，夸克"原子"即强子的不同态之间的能差非常之大，它们对确定强子质量起着重要作用。根据爱因斯坦能量质量交换公式推导出的m=E/c2，我们可以将不同质量的强子理解为不同轨道模式--即不同量子态--的夸克系统具有不同的能量。简言之，原子光谱是供看的，强子谱则是供称量的。利用这一原理，盖尔曼和茨威格证明了，人们可以将观测到的许多不同的强子解释为几个基本夸克"夸克"的不同态。
然而，难以置信的是，尽管科学家们都非常渴望找到单一的夸克粒子，结果却屡屡失败。迄今为止，人们没有观测到任何粒子具有单一夸克的特性。如同发明永动机的失败一样，寻找单个夸克的失败已经升格为一条原理:夸克禁闭原理。
当物理学家试图用夸克来充实介子和重子的内部结构模型，以便可以说明它们的质量时，更大的困难出现了。即使是在最成功的模型里，情况似乎总是，当夸克(或反夸克)彼此靠近时，它们几乎从不注意到对方的存在。夸克之间的相互作用力是如此微弱，人们很难将它与无法发现独立夸克的事实调和起来。如果夸克彼此接近时不在乎对方的存在，那它们彼此远离后为什么不可以单独存在呢?
这里可能出现了一种以前从未有过的随距离增大而增大的基本力。最初的夸克模型没有给出描述夸克之间力的精确方程。在一方面，夸克模型颇有些类似于前牛顿的太阳系模型，或者前薛定谔/前玻尔原子模型。许多物理学家，包括盖尔曼本人，认为夸克只是一个可以成为自然界数学描述里的有用的工具，而不是真正意义上的实在的元素。
我们知道，质子内部的物质运动极快。在斯坦福直线加速器中心，科学家实际上是采用电子来轰击质子，然后观测两者碰撞后出射电子的行为。出射电子的能量和动量比碰撞前要少。由于能量和动量整体上是守恒的，因此电子失去的能量可能是被虚光子带走，并转交给质子。这往往导致质子经复杂过程而被打破，由此导致了一种新的实验方法，只追踪电子，即只关注能量和动量流。
量子理论允许我们调和关于质子是什么的两个看似矛盾的概念。一方面，质子内部是动态的，里面的事情在不断变化、运动着。另一方面，所有质子随时随地都表现出完全相同的行为，也就是说，每一个质子均给出相同概率。如果质子在不同的时间里表现不一，所有的质子怎么可能表现完全相同的行为?一个简单而直观的解释是，虽然每一个体概率在演化，但整体概率分布却保持不变。这就像一条平缓但在流动的大河，即使每一个滴水都在向前流淌，但整个河流看上去却并无变化。
在微观尺度上大量的粒子都很难被捕捉到。科学家们把它们叫做粒子和反粒子(或者把反粒子叫做虚粒子)。这些虚粒子出现和消失都很快，但也跑不了多远。科学家们只能在极短时超高分辨率的抓拍中和它们偶遇。在任何通常意义下人们都无法见到它们，除非我们能提供所需的能量和动量来促使它们产生。但即便如此，我们看到的也不是原来未受干扰的虚粒子--即自发产生和消失的那种粒子。
现代生物医学告诉我们，只有借助于更复杂的生物体(宿主)，病毒才可以存活。虚粒子则远为脆弱，因为它们需要外部帮助才能存在。尽管如此，它们却在量子力学方程体现出来，而且根据这些方程，虚粒子会影响到我们看得见的粒子的行为。
虚粒子总是成群地处于高速运动的状态中。物理学家将其称之为虚空空间中的实体成为一种动态介质。由于虚粒子的行为，正电荷会被部分屏蔽。也就是说，正电荷周围往往因为异性相吸引而裹着一层补偿性的负电荷。从远处看，我们感觉不到正电荷的全部静电力，因为有部分被周围的负电荷抵消了。换句话说，你越是接近电荷有效电荷就会越多;你越是远离电荷，它就显得越小。
在夸克模型里我们正好得出相反的行为。假定夸克模型里的夸克在相互靠近时相互作用很弱，但如果它们的有效电荷在邻近区域达到最大值时，我们得到的只是相反的结果。这时它们彼此间的距离越小，相互作用就会越强烈;相距越远，其电荷被屏蔽得越明显，因而相互作用也就越弱。
量子电动力学起源于1927年保罗·狄拉克将量子理论应用于电磁场量子化的研究工作。他将电荷和电磁场的相互作用处理为引起能级跃迁的微扰，能级跃迁造成了发射光子数量的变化，但总体上系统满足能量和动量守恒。狄拉克成功地从第一性原理导出了爱因斯坦系数的形式，并证明了光子的玻色-爱因斯坦统计是电磁场量子化的自然结果。人们发现，能够精确描述这类过程是量子电动力学最重要的应用之一。另一方面，狄拉克所发展的相对论量子力学是量子电动力学的前奏，狄拉克方程作为狭义相对论框架下量子力学的基本方程，所描述的电子等费米子的旋量场的正则量子化是由匈牙利-美国物理学家尤金·维格纳和约尔当完成的。狄拉克方程所预言的粒子的产生和湮灭过程能用正则量子化的语言重新加以描述。
静态夸克模型建立之后，在重子质量谱和重子磁矩方面取得了巨大成功。但是，某些由一种夸克组成的粒子的存在，与物理学的基本假设广义泡利原理矛盾。为解决这个问题，物理学家引入了颜色自由度，并且颜色最少有3种。这个时候颜色还只是引入的某种量子数，并没有被认为是动力学自由度。
经历了十年左右的各种实验，都没有在静态夸克模型中发现分数电荷的自旋1/2的夸克存在，物理学家被迫接受了夸克是禁闭在强子内部的现实。然而，美国的斯坦福直线加速器中心SLAC在七十年代初进行了一系列的轻强子深度非弹性散射实验，发现强子的结构函数具有比约肯无标度性(Bjorken Scaling)。为解释这个令人惊奇的结果，费曼由此提出了部分子模型，假设强子是由一簇自由的没有相互作用的部分子组成的，就可以自然的解释比约肯无标度性(Bjorken Scaling)。更细致的研究确认了部分子的自旋为1/2，并且具有分数电荷。
部分子模型和静态夸克模型都取得了巨大成功，但是两个模型对强子结构的描述有严重的冲突，具体来讲就是夸克禁闭与部分子无相互作用之间的冲突。这个问题的真正解决要等到渐近自由的发现。格娄斯，维尔切克和休·波利策的计算表明，非阿贝尔规范场论中夸克相互作用强度随能标的增加而减弱，部分子模型的成功正预示着存在SU(N)的规范相互作用，N自然的就解释为原先夸克模型中引入的新自由度--颜色。
色荷概念的引入和部分子的应用实在量子电动力学基础的物理学的突破进展。物理学家们将这种新的理论称之为量子色动力学。两者之间虽然有诸多相似之处，但还是有如一些重要的区别:首先是胶子对色荷的响应--由量子色动力学耦合常数衡量--要远远强于光子对电荷的响应。其次是胶子可以一种色荷变换成另一种色荷。量子电动力学和量子色动力学的第三个重要的区别来自于上述第二个区别的结果。由于胶子对色荷的存在和运动做出响应，而且胶子携带不平衡的色荷，因此胶子可以直接对另一个胶子做出响应。这与光子的情形正好相反。
相比之下，光子是电中性的。它们相互之间完全不存在激烈的相互作用。因此这些差异使得量子色动力学的计算结果要比得到量子电动力学的计算结果更为困难。而且，由于存在导致色流动的各种可能性以及更多种类的节点，在做这类计算时，科学家们又引入渐近自由概念。通过引入渐近自由，像喷注的能量和动量的整体流动，都可以通过计算得到确定。
关于世界是由什么构成的哲学和科学思考一直都在变化。许多枝节性问题仍然保留在今天最好的世界模型和一些大的谜团里。显然要下结论还为时尚早。
就自然哲学而言，我们从量子色动力学和渐近自由中得到的最重要的认识是，在我们认为是虚空空间的地方实际上充满了活跃的媒介，其活动铸就了这个世界。虽然早在大约2000年前成书的大乘佛教的典籍《金刚经》就曾指出"色即是空，空即是色"，而今现代物理学的其它发展强化并充实了这种认识。以后，当我们探索当前知识的前沿时，我们将看到"虚空"空间概念是怎样一种丰富的动力学媒介，它推动着我们不断思考如何去实现力的统一。
其实，关于空间虚无性的争论可以追溯到现代科学的前史，至少可以追溯到古希腊时期。亚里士多德曾经这样写道:"自然界厌恶真空"，而他的对手原子论者们则认为，用古罗马诗人卢克莱修的话来说，就是"整个自然，作为自足的实在，都是由两件东西组成的:物体和虚空，它们赖以建立，并在其中运动。"
这种思辨性争论在现代科学的黎明--17世纪的科学革命--得到回响。笛卡尔提出，对自然世界进行科学描述的基础应建立在他所谓的基本性质之上:广延和运动。物质除了这两点再没有其他属性。他的一个重要结论是:某一物质对另一物质的影响唯有通过接触才能发生。因此为了描述诸如行星的运动，笛卡尔不得不引入无形空间的概念--其中充满了不可见物质。他设想空间是一种复杂的充满漩涡的海洋，行星就在其中冲浪。
牛顿用他精确制定的、成功的行星运动数学方程，用他的万有引力定律，揭示了所有这些潜在的复杂性。但是牛顿的万有引力定律并不适应于笛卡尔的框架。前者假设物体间的相互作用可以通过一定距离来进行，不必一定要通过接触。例如，根据牛顿定律，太阳即使不跟地球接触，也可以对地球施加引力作用。尽管他的方程为说明行星运动提供了一个详细解释，但牛顿本人对这种超距作用并不满意。牛顿在1693年2月25日写给本特利的信中这样说道:"一个物体可以不借助任何其他东西穿越虚空距离而作用于另一个物体，物体通过虚空进行彼此间作用和力的传递，这对我来说是很荒谬的。我相信，任何有足够哲学思维能力的人都不会沉溺于此。"
牛顿的方程发表过后大约一个半世纪的时间里，数学家们几乎不曾对此提出过任何质疑，但詹姆斯·克拉克·麦克斯韦却发现这样导出的方程不协调。1861年，麦克斯韦发现，他可以通过在方程中引入额外的项来消除这种不一致性，换言之，就是假定还存在着一种新的物理效应。而迈克尔·法拉第此前早就发现，当磁场随时间变化时，它们产生电场。麦克斯韦为了解决方程的自洽性，不得不假设存在相反的效应:变化的磁场产生电场。有了这一添加物，场的概念得到了更多的认可和验证:变化的电场产生变化的磁场，后者反过来再产生变化的电场，如此便形成了每一种自我更新的循环。
麦克斯韦发现，他的新方程组，即现在广为人知的麦克斯韦方程组，具有纯场解决方案，即场以光速在空间运动。这一综合的顶峰便是他得出的结论:这些电场和磁场里自我更新的扰动就是光--一个有待经受时间考验的结论。对麦克斯韦来说，这些充满所有空间并可以自己维持生活的场正是上帝荣耀的一个明确标志:
"广宽的行星际和星际区域将不再被视为宇宙中无用的场合，人们不再认为造物主还没在他的王国里找到合适的、具有多重象征的东西来填补其中。我们将发现，这些场所已经充满了这种神奇的介质。它们是如此丰盈，人类没有任何力量可以将其从哪怕是最小的空间上移去，或在其无穷的连续体上留下哪怕最轻微的缺损。"
爱因斯坦对以太的认识是复杂而且多变。在1905年发表的《论动体的电动力学》中这样写道:"引入'光以太'将被证明是多余的，因为按照所要发展的见解，即不需要引入一个具有特殊性质的'绝对静止空间'，也不需要给发生电磁过程的真空中的每一点规定一个速度矢量。"
爱因斯坦的这一强有力的宣示曾经让很多物理学家困惑不已。在1905年时，物理学界面临的问题不是没有相对性理论，而是有两个相互矛盾的相对性理论。一方面是力学的相对性理论服从牛顿方程。另一方面是电磁的相对性理论，服从麦克斯韦方程组。进一步的研究发现，需要调整的不是新生的电磁理论，而是古老的牛顿力学理论。在狭义相对论里，麦克斯韦场方程无需修改;相反，它们提供了狭义相对论的基础。事实上，狭义相对论的思想几乎要求充满空间的场，也正是在这个意义上解释了它们为什么存在的理由。
早在1899年，德国人普朗克提出了第一个最终发展成为量子力学的第一个概念。普朗克提出，原子可以与电磁场交换能量，也就是说，可以发射和吸收电磁辐射，譬如光，但只能以离散的单位量的形式，或者说以量子的形式进行。但普朗克的概念爱因斯坦不甚满意，他假设，不仅原子发射和吸收光(和一般的电磁辐射)是以离散单位进行的，而且光本身就是以离散的能量单位出现的，并且带着离散单位动量传播。有了这些扩张，爱因斯坦能够解释更多的事实，并预言了新的现象--其中就包括他于1921年获得诺贝尔物理学奖的主要工作即有关光电效应的预言。但爱因斯坦明白:普朗克概念与现行物理定律不相符，但有效。现行的这些物理定律一定有错!
如果光以能量和动量包的形式传播，那么，光本身以及这些包看成是电磁粒子就自然而然了。场的概念可能更方便，但爱因斯坦从来不是一个贪图方便而将其当成原理的物理学家。对他而言，空间充满实体的概念，就像是以无限大的速度经过某物却看到它与静止时看到的一样。
到1920年代，爱因斯坦的广义相对论问世后，他的态度发生了变化。事实上，广义相对论更多的是一个基于以太的引力场论。尽管如此，爱因斯坦从未放弃对消除电磁以太的努力。爱因斯坦本人在1920年5月5日在荷兰莱顿大学的演讲中这样说道:
"如果我们从以太假说的观点来考虑引力场和电磁场，我们就会发现两者之间有一个明显的不同。可以说没有一种空间，也没有任何空间部分是没有引力势的;因为这些引力势规定了空间的度规性质，而没有这些度规性质则是根本无法想象的。引力场的存在于空间的存在是直接相关的。但另一方面，在一部分空间内不存在电磁场则是完全可以想象的。"
历史地看，狭义相对论肇始于电和磁的研究，导致了麦克斯韦的场论，但它又超越了电磁理论。它的本质是对称性假设:当你在具有恒定相对速度的两个参照系考察同一物体时，物理学定律应具有同样的形式。这一假设是一个普适性陈述，超越了其电磁根源:狭义相对论的坐标变换对称性适用于所有的物理学定律。狭义相对论的一个主要的结果是存在有限的速度:光速，即零质量粒子在真空中的传播速度。一个粒子对另一个粒子的影响不能传播得比光速更快。
但是牛顿的万有引力定律--遥远物体受到的引力与其当前距离的平方成反比就不服从这一法则，所以它与狭义相对论不相容。事实上，"当前"这个概念本身就是个问题。对于静止观察者同时发生的事件对以恒定速度移动的观察者来说将不会同时发生。爱因斯坦本人认为，推翻"当前"这个一般性概念，迄今为止仍然是达到狭义相对论认识论的最为困难的一步。但是如果场服从简单的方程组，那么在存在有限速度的前提下，这种从粒子描述到场的描述的转换就会变得富有成效，这样我们可以从场的现在的值计算出来它们的未来值而不必考虑其过去的值。麦克斯韦电磁理论、广义相对论和量子色动力学都具有这种属性。在广义相对论里，爱因斯坦用弯曲时空的概念来构建他的引力理论。
现在我们回到标准模型:W和Z玻色子，根据定义它们的方程组，它们本应该像光子和色胶子一样都是无质量的粒子。但物理学家们却设法让W和Z玻色子获得质量。而且他们也知道，在自然界里，还有原子红奇特的物理状态也可以使无质量的受力粒子获得质量。使受力粒子变重的模型是超导电性。在超导体内，光子变得沉重。
我们知道，光子在电场和磁场中推动扰动。在超导体内，电子对电场和磁场反应强烈。电子恢复平衡的能力非常强大，它们能对场的运动施加一种迟滞作用。因此在超导体内，光子不是像通常那样按光速运动，而是要缓慢得多。就好像它们获得了某种惯性。当你研究方程时，你会发现，超导体内慢下来的光子所服从的运动方程与非零质量粒子的运动方程是一样的。
质量一向被认为是物质的一种确定的属性，质言之，质量是一种使物质可称其为物质的特性。爱因斯坦认为宇宙应有一个无论是在时间上还是在空间上都不变的密度。但是，引力是一种普遍的吸引力，物体都不愿意分开。引力总是试图把物体合在一起。爱因斯坦提出的E=mc2可以看作是他对牛顿万有引力定律的修正。但是，如果将这一公式转换成m=E/c2，这一方程的内在含义变成了质量等于所具有的能量与常速光速的平方之比。这一反推的公式，显然缺少自洽性。
量子色动力学是一种非常强大的理论。通过将无质量或几乎无质量的对象诸如夸克、胶子的计算能够给出它们的质量，然而，这也当然不是任何意义上的质量，只是我们的质量，即组成我们自身的质子和中子的质量。也就是说，量子色动力学方程组可以从无质量的输入得到质量的输出。那，这是为什么?
首先是夸克的色荷产生一种网格扰动--具体地说，是胶子场扰动--这种扰动随距离加大而增长。就像一个奇异的风暴云团，它从最初的中心的一缕云烟发展成为一种不祥的雷暴云团。扰动场意味着将其推向高能态。如果你持续扰动无限容量的场，所需的能量将会变成无限大。
其次是可以通过让一个带相反色荷的反夸克去接近夸克来迅速遏制。然后，这两个扰动源相互抵消并恢复平静。如果反夸克不偏不倚地正好位于夸克的正上方，那么这种抵消是彻底的。这将会是胶子场的扰动最小化:即"无"。但是彻底抵消还需要付出代价:它源自夸克和反夸克的量子力学性质。
根据海森伯的不确定性原理，要获得准确的粒子位置信息，就必须让粒子具有很宽的动量范围，特别是要有粒子的大动量。但大的动量意味着大的能量。所以，更准确地说，要使粒子局域化，就必须更多能量。
再次是我们应该回到爱因斯坦的质量与能量关系方程中来考察。由于有两种方向相反的互相竞争的作用，要消除夸克对场的扰动，同时尽量减少能量，并使反夸克局域化，所以就必须赋予反夸克相应的活动余地。这样双方在彼此抵消后的总质量不能为零，即m=E/c的平方。这样我们从无质量的输入得到质量的输出。这同时也是质量的起源量子力学解释。
如果我们将爱因斯坦的方程m=E/c2与普朗克-爱因斯坦-薛定谔方程结合起来，将量子力学态的能量E与其余波函数振荡频率v联系起来，可以得到E=hv。这里h是普朗克常数，是普朗克在导向量子论的革命性假说中引入的。这个假说是，原子只能以能量包E=hv的形式发出或吸收频率为v的光。爱因斯坦则提出了光子假说:频率为v的光总是构成E=hv的能量包。最后，薛定谔将它确立为他的波函数基本方程--薛定谔方程--的基础。我们也由此得到一个现代意义上的、普适的解释:能量为E的任何态的波函数都是以v=E/h在振动，此时若将爱因斯坦方程与薛定谔方程结合，则v=mc2/h。
牛顿曾经在《原理》的总释这章中对于引力做过经典的陈述:"我还没能从现象中发现引力之所以具有这些属性的原因，而且我不杜撰假说;因为，凡不是从现象中导出的任何说法都可以称为假说。而假说，无论形而上的还是物理学的，无论是具有神秘性质的还是机械性质的，在实验哲学上都没有位置。"这里意味着牛顿极力避免将他的万有引力理论置于没有观察基础的思辨性推测之上。
当牛顿将开普勒的行星运动三定律编码到他的万有引力定律之后，对潮汐、岁差和行星的其他各种倾斜和摆动的解释变得迎刃而解。但在1846年，科学家对天王星的实际观测位置与牛顿理论预期轨道位置之间的细微不符变得更外显眼，于尔班·勒维耶发现，他可以假设存在一个新的行星来解释这些不一致性。观察者将望远镜对准了他所建议的方向，海王星于是被发现了!
由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素--氦元素，接着，氦原子也参与聚变，改变结构，生成锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定，参与聚变时不释放能量，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。说它"黑"，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，就再不能逃出。跟白矮星和中子星一样，黑洞可能也是由质量大于太阳质量好几倍以上的恒星演化而来的。
当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢)，由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径)，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出--"黑洞"就诞生了。
1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸--任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们称为黑洞的物体。
根据黑洞理论的推定，所有的物质都无法逃逸黑洞中的巨大引力。与别的天体相比，黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它，科学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空。根据广义相对论，时空会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短光程传播，但相对而言它已弯曲。在经过大密度的天体时，时空会弯曲，光也就偏离了原来的方向。在地球上，由于引力场作用很小，时空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周围，时空的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。
目前最完善的是标准模型，包含了强核力、弱核力，电磁力。但在标准模型中，仍然无法使物体间的引力也被包含进来。那是因为没有将空间四维度纳入，现今将天体物理的陨石体探索，就发现和完善来自了'标准模型'，四力合一的'强核力，弱核力，电磁力，重力引力'存倒在(天然的标准模型)。
科学界已经认定，万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力这四种360百科基本力都是基本力。它们都是通过在粒子之间交换的一种"传播子"实现的交互作用的。带电粒子之间电磁相互作用的传播子是质量为零、自旋为1的光子。原来有学者认为，核子之间的强相互作用(核力)是靠π介子传递的，但由于核子和π生晶影介子都是由夸克组成的，所以归根结底它们是夸克之间的相互作用。传递夸克之间地希右差强相互作用的传播航具记丰农保子称为"胶子"。胶子带"色荷"，分成八种不同的胶子。不过胶子和光子一样，握厂群衡什圆切都是自旋为1的玻色子。弱相互作用的传播子是"中间玻色子"，它的自旋也为1职坐打多，有三种带电情况:把带有正负单位电荷的中间玻色子记为W+，W-，把不带电的中间玻色子记为Z0。有学者认为，万有引力则是由引力子来传递的。引力子的质量为零，传递的速度为光速。
之属兵带般 万有引力是任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力，是自然界中最普遍的力，16项否实远践特了激侵输主87年由牛顿发现。牛顿发现，物体间引力的大小与各个物体的质量成正比例，而与其距离的平方成反比。在粒子物理学中把引力、强力、弱力、电磁力合称四种基本的相互作用。引力是其中作用强益假毫海换甲织笔好究般度最弱的一种，两个质子间的引力只有它们间的电磁力的1/10^35 。事实上，引力显得如此之微弱，一直让理论物理学界感到困号占毛析和惑。
电磁相互作用是自然界的四种基本相互作用之一，简称电磁作用。即带电粒子与电磁场的相互作用，以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用。电磁力随距离增加而作用力减小的规律与万有引力相似:护直世找当距离增大到原来的2倍时写升搞派协施民波汽析，它们减小到原来述卫鲁的1/4。在强度上它次于强相互作用而居于四种相互作用的第二位。
电磁相互作用和引力相互作用是长程力获室田晶支精见国日风，它们可以在宏观尺度中起作用而表现为宏观现象。宏观的电浓规井火握语民视率磁相互作用理论总结在麦克斯韦方程组中，早在19世纪已方节略测你殖为人们所掌握。微观的电磁作用理论是量子电动力学，它是麦克斯韦理论与量子力学原理班磁晚宽茶让检随备危员的结合。在量子电动力学中企都复推号吸，电磁场是量子化的光子场。光子的质量为零，自旋为1，能量为hv，其中v是频率。带电粒子可以发射和吸收光子，它们之间的电磁作用通过光子场传递。正反带电粒子对可以湮没而转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。
强相互作用是作用于强子之间的力，是目前所知的四种基本作用力中最强、也是作用距离第二短的(大约在 10^(-15)~10^(-10) m 范围内)物体间的相互作用力。它起着使质子与中子结合成原子核的作用。核子间的强相互作用抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定。
物理学家认为，强相互作用的产生与夸克、胶子有关。强子之间的相互作用实际上是夸克团体与夸克团体之间的相互作用，而夸克团体之间的相互作用乃是夸克与夸克之间相互作用力的剩余。当夸克们结合成为强子时，其结构已经较为严密完整。如果强子之间发生了强烈撞击，那么各强子原来的结构则会遭到破坏，因此，各强子中的大小夸克则自然会重新产生相互的作用而结合在一块;这就是强相互作用的现象。
1967年初，美国斯坦福大学电子直线加速器建成，随着能量增大，实现了高能电子的"深度非弹性散射"，出现了新现象。实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。这一发现令科学家们大吃一惊。1969年，美国科学家费曼提出了部分子模型，他认为强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中，可以近似作为相互独立的粒子。
部分子模型和夸克模型是从不同的角度、用不同的方法，得出了同样的结论。部分子模型和夸克模型结合起来描述:强子是夸克通过色相互作用结合成的复合粒子，强子内的部分子可以由三类粒子组成:一类称为价夸克，它们的数目和味是确定的，并随不同强子而不同，价夸克决定强子的性质;第二类称为海夸克，它们的数目和味是不确定的，但其总和的味性质和真空相同;第三类称为胶子，它们的数目不定，其味性质和真空相同，起传递色相互作用的作用。
质子内部除了uud 三个夸克外，在极高能量的电子打入后又被激发出了无数的正反夸克对，所以可以看到无数"自由运动"的点电荷。这样，在低能态下看到的质子和在高能态下看到的质子就统一起来了。正反夸克对的"自由运动"意味着强作用力在能量升高时"变弱"。
1973年，美国科学家格罗斯、波利茨、威尔茨克通过一个完善的数学模型说明:夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象被称为"渐近自由"。反之，夸克之间距离越大，强作用力就越强。"渐近自由"的发现导致了全新的理论--量子色动力学(QCD)的诞生。
量子色动力学解释了胶子(gluon)的存在，认为带色的夸克通过交换胶子而结合，即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反奈克之间通过胶子而结合在一起。凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子，从而实现强相互作用。吸收和放出胶子可使夸克改变颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。但是科学家们在实验中一直没有发现自由夸克和胶子的存在。一种猜测是带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的"牢笼"里面，这种现象称为"色禁闭"。"色禁闭"的解释已有各种理论证据，但仍然属于研究的前沿问题。
弱相互作用(weak interaction)自然界的四种基本相互作用之一，简称弱作用。弱相互作用是基本粒子之间一种特殊作用，它和强相互作用，电磁作用和引力作用并成为四种基本相互作用力。由于弱相互作用比强相互作用和电磁作用的强度都弱，故有此名，其作用范围比强相互作用还要小。
最早观察到原子核的β衰变是弱相互作用引起的一种现象。科学家们发现，凡是涉及中微子的反应都是弱相互作用过程。后来又观察到介子、重子和轻子通过弱作用的衰变和中微子散射等弱作用过程。弱作用力程在四种作用中是最短的，在低能过程中可以近似地看作是参与弱作用过程的粒子在同一点的作用。分析实验的经过发现，费米子在一点的弱作用(称为费米作用)，是两个费密子弱作用流的耦合。弱相互作用的特点是对称性低。在弱相互作用中，空间反射、电荷共轭和时间反演的对称性都被破坏;同位旋、奇异数、粲数、底数等在强作用下守恒的量子数都不守恒。但是破坏时间反演的弱作用比不破坏时间反演的弱作用弱得多。
通过实验和理论的长期研究，人们已经基本了解低能有效费米作用中弱作用流的具体形式，总结建立了普适费米型弱相互作用理论。但是费米作用的场论是不可重正化的，无法计算微扰论的高阶效应。另一方面人们注意到弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同，却又有相似之处。弱作用流与电流一样是守恒的，它们之间还有以对称性相联系的关系。因此，60年代末科学家提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论。这种理论描述轻子和组成强子的夸克以及一些称为希格斯粒子的自旋为零的粒子与统一的电-弱规范场的相互作用。这是一种规范的对称性自发破缺理论。理论中有一个规范粒子无质量，它是传递电磁作用的光子，其余的规范粒子得到质量，它们是传递弱作用的粒子，称为中间玻色子。这种理论把似乎没有关系的自然界的两种基本相互作用联系起来，而且可重正化的。标准的电弱统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致。理论中预言的中间玻色子也已于1983年发现。因此电弱统一规范理论正确地描述了弱相互作用。
根据近一个世纪的科学探索与观测，理论物理学家们由此得出了一些关于力的统一的几种假说，如标准模型说，网格说，超弦说，等等。而且，标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。这一模型能够计算12种已知的粒子(夸克和轻子)，这些粒子彼此间以强力、弱力、电磁力或引力作用于对方。在作用于其他粒子时，它们会互相交换规范玻色子(分别为胶子、光子、W 及Z 玻色子)。然而，在所有这些假说中，物理学家所关注而且所疑惑的中心问题是，如果微观世界上可以得到强相互作用和弱相互作用可以统一可以得到物理学和数学上的解答，那么，为何宏观尺度上的引力要与其它三种力的统一却无法得到物理学和数学的解答?
科学家提出这样一种假说，可以用来解释四种基本力的缘，以最终实现爱因斯坦一辈子都想实现、但却始终未能实现的大一统的理想图景。
1928年，一位名叫萨拉玛尼安·钱德拉塞卡印度研究生乘船来到英国剑桥，师从英国天文学家阿瑟·爱丁顿爵士学习天文学。在研究中，钱德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用要小。钱德拉塞卡通过计算得出:一个大约为太阳质量一倍半的冷却了的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力，这一质量被称之为钱德拉极限。
这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的"白矮星"。白矮星是由它内部物质电子之间的不相容原理所致的排斥力所支持的。而如果一颗恒星质量达到钱德拉塞卡极限，其恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理所致的排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径大约只有10英里左右，密度则达到每立方英寸几亿吨。
钱德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会快得多，这样能量被带走的速率就高得多，所以不用太长的时间就会达到不变的状态。随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到站在坍缩中的恒星表面的人，其头上和脚上的引力之差会变得如此大，以至于再将其撕裂。
我们知道，在恒星坍缩成黑洞后，粒子之间的作用力包括强相互作用、弱相互作用及电磁作用都不再有效。而原本微弱到几乎可以忽略不计的引力，此时却变得非常巨大。一切物体都会被黑洞的巨大的引力所拉近吞噬，甚至连光线都无法逃逸。
值得研究的是:为什么在坍缩的恒星内部及其附近，使原子核和电子结合为原子的电性力、使质子和中子结合构成原子核的弱相互作用力、使夸克组合成质子的强相互作用都不再有效?
钱德拉·塞卡的开创性工作以及霍金的深入研究表明，坍缩的恒星内部密度增加变成宇宙黑洞后，星体对外部物体的引力增大。虽然我们尚不清楚被黑洞吞噬的光，是否在这种情形下已经具有了质量，但宇宙黑洞能够吞噬一切物体的特性，却让科学家感到迷惑:是不是宇宙万物统一于能量?由此，科学家提出了有关大一统的一种猜测:即，能量赋予物体内在的和外在的运动能力，四种基本力是同源的，引力只是物体表现出来的其所蕴含的其他三种基本力的余力。
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