Dall’inizio del XX secolo, i fisici hanno riconosciuto quattro forze fondamentali, o interazioni, che comprendono tutti i fenomeni conosciuti in natura. Tre su quattro sono stati caratterizzati in modo rigoroso e matematico dal Modello Standard, formulato nei primi anni ’20. Le quattro forze sono la forza nucleare forte (nota anche come forza del colore), la forza nucleare debole (media il decadimento beta), la forza elettromagnetica e la gravità.
A energie molto elevate, la forza nucleare debole e la forza elettromagnetica si uniscono (iniziano a comportarsi in modo intercambiabile), mentre a forze ancora più elevate, si ritiene che la forza forte si unisca all’elettrodebole e, infine, la forza elettrodebole forte si unisca alla gravità. Si ritiene che tutti e quattro siano stati uniti un istante dopo il Big Bang, nelle prime fasi della formazione dell’universo.
La forza nucleare forte tiene insieme protoni e neutroni nel nucleo atomico. Più specificamente, è mediato dallo scambio di gluoni tra quark che compongono protoni e neutroni. È 100 volte più forte della forza elettromagnetica. Quando i nuclei vengono frantumati nelle reazioni nucleari, viene rilasciata energia da questa forza. Descritto dalla teoria della fisica chiamata cromodinamica quantistica, perde tutta la sua forza a distanze molto più ampie del nucleo atomico.
La forza elettromagnetica è quella con cui le persone hanno più familiarità, ed è responsabile di tutte le reazioni chimiche e delle proprietà fisiche più riconoscibili, come la luce. È mediato da fotoni, che costituiscono tutte le radiazioni elettromagnetiche, dai raggi cosmici alla luce visibile alle onde radio a frequenza estremamente bassa. Sia il calore che la luce sono costituiti da fotoni.
Le interazioni delle forze elettromagnetiche sono determinate dalla carica elettrica. La ragione per cui le persone non cadono attraverso una sedia mentre sono sedute su di essa è che la carica negativa dei gusci di elettroni atomici che compongono il corpo viene respinta dalla carica negativa dei gusci di elettroni che compongono la sedia. Le onde fotoniche diminuiscono di intensità in base al quadrato della distanza della loro sorgente.
La forza nucleare debole è responsabile di una gamma relativamente piccola di interazioni fondamentali. Media il decadimento beta, che è ciò che accade quando un neutrone si scompone in un protone e un elettrone o positrone. Mediato dai bosoni W e Z, è circa cento miliardi di volte più debole di quello elettromagnetico. Funziona solo su brevi distanze.
La gravità è la più debole di tutte le forze, ma la più pervasiva nell’universo perché è generata da tutti i corpi con massa. La gravità è 1036 volte più debole della forza elettromagnetica, il che rende difficile l’analisi matematica. Le particelle ritenute mediatrici della gravità, i gravitoni, non sono ancora state rilevate. La gravità è anche distinta dalle altre forze in quanto non è stata ancora integrata con le altre in modo matematico rigoroso. I fisici hanno cercato una teoria per unificare la gravità con le altre forze per quasi un secolo, senza fortuna finora.