Depuis le début du 20e siècle, les physiciens ont reconnu quatre forces fondamentales, ou interactions, qui englobent tous les phénomènes connus dans la nature. Trois sur quatre ont été caractérisés rigoureusement et mathématiquement par le modèle standard, formulé au début des années 1970. Les quatre forces sont la force nucléaire forte (également connue sous le nom de force de couleur), la force nucléaire faible (médie la désintégration bêta), la force électromagnétique et la gravité.
À très hautes énergies, la force nucléaire faible et la force électromagnétique s’unissent (commencent à se comporter de manière interchangeable), tandis qu’à des forces encore plus élevées, on pense que la force forte s’unit à l’électrofaible, et enfin, la force électrofaible forte s’unit à la gravité. On pense que tous les quatre ont été unis un instant après le Big Bang, dans les premiers stades de la formation de l’univers.
La force nucléaire forte maintient ensemble les protons et les neutrons dans le noyau atomique. Plus précisément, elle est médiée par l’échange de gluons entre les quarks constituant les protons et les neutrons. Elle est 100 fois plus forte que la force électromagnétique. Lorsque les noyaux sont brisés dans des réactions nucléaires, l’énergie de cette force est libérée. Décrit par la théorie de la physique appelée chromodynamique quantique, il perd toute sa force à des distances bien plus larges que le noyau atomique.
La force électromagnétique est celle avec laquelle les gens sont le plus familiers, et elle est responsable de toutes les réactions chimiques et des propriétés physiques les plus reconnaissables, telles que la lumière. Il est médié par les photons, qui constituent tous les rayonnements électromagnétiques, des rayons cosmiques à la lumière visible en passant par les ondes radio à très basse fréquence. La chaleur et la lumière sont toutes deux constituées de photons.
Les interactions des forces électromagnétiques sont déterminées par la charge électrique. La raison pour laquelle les gens ne tombent pas à travers une chaise en s’asseyant dessus est que la charge négative des coquilles d’électrons atomiques qui composent le corps est repoussée par la charge négative des coquilles d’électrons qui composent la chaise. Les ondes photoniques diminuent en force selon le carré de la distance de leur source.
La force nucléaire faible est responsable d’une gamme relativement restreinte d’interactions fondamentales. Il médie la désintégration bêta, ce qui se produit lorsqu’un neutron se décompose en un proton et un électron ou un positon. Médiatisé par les bosons W et Z, il est environ cent milliards de fois plus faible que l’électromagnétique. Il ne fonctionne que sur de courtes distances.
La gravité est la plus faible de toutes les forces, mais la plus omniprésente dans l’univers car elle est générée par tous les corps ayant une masse. La gravité est 1036 fois plus faible que la force électromagnétique, ce qui la rend difficile à analyser mathématiquement. Les particules censées médier la gravité – les gravitons – n’ont pas encore été détectées. La gravité se distingue également des autres forces en ce qu’elle n’a pas encore été intégrée aux autres d’une manière mathématique rigoureuse. Les physiciens recherchent une théorie pour unifier la gravité avec les autres forces depuis près d’un siècle, sans succès jusqu’à présent.