فیزیک ذرات

زمانی در دوران بعد از شکوفایی صنعتی و علمی بعد از رنسانس، به صورتی واکنشی و انفعالی سعی شد مباحث دینی و الهیات کاملاً از مباحث علمی و فنی جدا نگاه داشته شود (در حالی‌که هم در سنت مسیحیت و هم قبل‌تر از آن در سنت اسلام به عنوان سرمنشأ بیداری علمی اروپا، افتراقی بین آن‌ها نبود و بسیاری از دانشمندان در هر دو مکتب از حوزه‌های دینی به پا خاستند). چنین سعی‌ای محدود به جدا نگاه داشتن مسائل مذهبی از مباحث علمی نماند و حتی مباحث فلسفی را نیز دربر گرفت، یعنی سعی شد به اصطلاح دامن مثبت‌گرایی و آزمایش‌گرایی علم جدید به مباحث انتزاعی فلسفی آلوده نگردد. اما با پیش‌رفت‌های شگرفی که در مباحث مختلف علمی به‌ویژه در نجوم و فیزیک به‌دست آمد انسان به مرزهای انتهایی آزمایش و تجربه رسید، یعنی تا آن‌جا در کیهان و وجود و شاخه‌های مختلف کوچک و بزرگ آن‌ها در دوسوی بی‌نهایت بزرگ و بی‌نهایت کوچک و بی‌نهایت پر و بی‌نهایت خالی و بی‌نهایت سریع و بی‌نهایت کند و امثالهم پیش‌رفت که به دیوارهای محدودیت‌های توانایی‌های تجربی و آزمایشی خود برخورد کرد و در چنین وضعیتی یا باید واقعیت محدودیت زندان‌گونه‌ی خود را می‌پذیرفت و به انتظار می‌نشست که پیش‌رفت‌های علمی و فن‌آورانه‌ی بیش‌تر در آینده‌های نزدیک و دور به تدریج این دیوارهای محدودیت را دورتر ببرند یا این که از ذهن و اندیشه‌ی خلاق خود در پیش‌گویی آن‌چه ورای دیوارها و در دورترها قرار دارند استفاده می‌کرد. به نظر می‌رسد انسان عجول‌تر و ناشکیباتر از آن بود که راه دوم را برنگزیند. این‌جا بود که برخلاف سنت علمی بعد از رنسانس مجدداً دست به دامان فلسفه شد و بسیاری از این‌گونه پیش‌گویی‌های ورای محدودیت‌های خود را بالاجبار در قالب‌هایی که بسیار برای فلاسفه آشناست انجام داد.

بسیاری از مباحث کیهان‌شناسی در نجوم معاصر بیش‌تر حالتی فلسفی دارند. همین‌طور است بسیاری از مباحث فیزیکی مربوط به بی‌نهایت ریزها یا بی‌نهایت سریع‌ها (مباحثی که از فیزیک نسبیتی و کوانتمی منتج می‌شوند). یکی از مهم‌ترین این‌گونه مباحث در فیزیک به ماده و انرژی و خلآ مربوط می‌شود. این که واقعاً ماده چیست سؤالی است که هزاران سال است ذهن دانشمندان و فلاسفه را به خود مشغول داشته است. و مسئله‌ی تجدید حیات فلسفه در علم در این مورد وقتی مشهود می‌شود که در جلسه‌ی سخنرانی فیزیکدانی برجسته حاضر شوید و بدون آن‌که هیچ کدام از حضار تعجب کنند از او بشنوید که می‌گوید ماده تکاثفی از هیچ است (که البته منظور او تکاثفی از انرژی است که ماده محسوب نمی‌شود)؛ مطلبی که تا پیش از این صددرصد فلسفی تلقی می‌شد و انتظار بیان آن از دهان یک دانشمند تجربی نمی‌رفت. همین‌طور است وقتی او به خلأ مطلق یعنی آن‌چه هیچ مطلق محسوب می‌شد چیزی یا انرژی‌ای را نسبت می‌دهد (بدان حد که درحقیقت همان است که با ترمز کردن ذرات به آن‌ها جرم می‌بخشد)، یا برای دمای صفر مطلق وجود انرژی‌ای را در نظر می‌گیرد.
عجالتاً بیایید ببینیم واقعاً در مورد این سؤال اساسی که ماده چیست امروز چه می‌توانیم بگوییم. تمام آن‌چه در اطراف خود نظاره‌گر آن هستید، از نوشته‌ای که در حال مطالعه‌ی آن هستید تا درختان و آسمان و ستارگان سوسوزن و بدن شما و لباس و خانه‌اتان و اتوموبیلی که بر آن سوار می‌شوید همه در این حقیقت که از تنوع محدودی اتم‌های معین تشکیل شده‌اند مشترکتند. درواقع این خاصیت مشترک هرچیزی است که مادی محسوب می‌شود. اما اتم‌ها آن‌چنان که امروز می‌دانیم، یا لااقل فکر می‌کنیم که می‌دانیم، به نوبه‌ی خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند که آن‌ها را می‌توان نقطه اشتراک مواد یا خشت‌های اولیه و بنیادی کیهان دانست، و این در حالی است که قبلاً اتم‌ها خود خشت‌های اولیه‌ی غیرقابل تقسیم ماده تصور می‌شدند. به ‌هر رو، آن‌چنان که اکنون می‌دانیم این خشت‌های بنیادین ماده و کیهان که اتم‌ها از آن‌ها تشکیل شده‌اند عبارتند از کوارک‌ها و لپتون‌ها. کوارک‌ها از اجزای تشکیل دهنده‌ی ذرات هستند که دو تا از آن‌ها به نام پروتون و نوترون که هسته‌ی اتم‌ها از آن‌ها ساخته شده است برای ما آشناست. الکترون نیز آشناترین لپتون محسوب می‌شود. در فهرست اجزای تشکیل دهنده‌ی ماده شش نوع کوارک و شش نوع لپتون به عنوان دوازده خشت بنیادین ماده ثبت شده‌اند. البته لازم به توضیح است که در آزمایشگاه تاکنون هیچ کوارک یا لپتونی مشاهده نشده است هرچند تلاش‌های بسیاری برای تأیید آزمایشگاهی وجود این ذرات بنیادین صورت می‌گیرد. البته بیان این که جهان ماده تنها از این دوازده ذره‌ی بنیادی (شش کوارک و شش لپتون) تشکیل شده است (به ویژه این‌که در فلسفه‌ی الهی عدد دوازده عددی مقدس محسوب می‌شود) کاری ساده است اما باید توجه داشته باشیم این استنتاج به‌ظاهر سرراست، نتیجه‌ی بیش از یک قرن پرورش انتزاعی‌ترین و شگفت انگیزترین و پرهیجان‌ترین اندیشه‌های فیزیک‌دانان و دانشمندان با تکیه بر انبوهی از نتایج به دست آمده‌ی علمی و آزمایشگاهی بوده است. درک قوانین حاکم بر برهم‌کنش‌های میان این ذرات امری راحت نیست و مستلزم احاطه‌ی نسیتاً گسترده‌ای بر ظرایف موجود در اندیشه‌های فوق‌الذکر است، ظرایفی که با اتکا بر نتایج تجربی به دست آمده از آزمایش‌های بسیار پیش‌رفته (مثلاً توسط شتاب‌دهنده‌های ذرات) روز به روز نیز بر آن‌ها افزوده می‌شود. در این وادی، هر غیرفیزیکدانی با علامت سؤال‌های بسیاری مواجه می‌شود که مانع از شرکت یافتن او در بازی‌ای است که بین این ذرات و فیزیک‌دان‌ها در جریان است. معماهای این بازی کم نیستند، معماهایی مثل ای که چرا کوارک سنگین‌تر از الکترون است یا فلان کوارک از دیگری سبک‌تر است، یا این که کلاً اصلاً چه چیزی به این ذرات بنیادین جرم و هویت می‌دهد. درواقع این معماها برای متخصصین هم هنوز معما هستند. راهی که برای حل این معماها باید پیموده شود طولانی است اما از شگفتی‌ها مملو است، شگفتی‌هایی که کشف هر کدام شاخه‌ی جدیدی از علم را فعال می‌کند.

شاید بتوان گفت نخستین کوشش منطقی برای پاسخ به این پرسش که ماده از چه به‌وجود آمده است را فلاسفه‌ی یونان قدیم، در بیش از دوهزار و پانصد سال قبل، به‌عمل آوردند. فیلسوف روشن‌فکری در این دوران به نام دموکریتوس با لحنی قاطعانه بیان می‌داشت که چیزی جز اتم و خلأ وجود ندارد. منظور او این بود که آن چیزی که وجود دارد ماده است و عدم وجود ماده را خلأ می‌نامید، و به علاوه می‌گفت ماده از ذرات بنیادین اولیه‌ای به نام اتم تشکیل شده است. اتم واژه‌ای بود به معنای چیزی که قابل درک نیست. و این شهود و روشن‌بینی او را می‌رساند که از راه استقراء معتقد به ذرات کشف نشده‌ی نهایی و بریده‌نشدنی شده بود که وقتی ماده را تا جایی که امکان دارد خرد و ریزریز می‌کنیم نهایتاً به آنها می‌رسیم. حکم قاطعی که او می‌داد تنها بر اندیشه و استدلال (فلسفی) متکی بود. او قوانینی که باعث گرد هم آمدن این ذرات برای تشکیل اجسام بزرگ‌تر می‌شود را نمی‌شناخت و از این لحاظ خیلی از زمان خود جلوتر می‌اندیشید به ویژه وقتی که درنظر گیریم که اندیشه‌های او در این زمینه توسط اندیشه‌های بسیط و ساده‌ی فلسفیِ پیوسته دانستن ماده که توسط فبلسوفان بزرگ‌تری چون سقراط و افلاطون و ارسطو تبلیغ می‌شد مردود شناخته می‌شد. نظریه‌ی اتمی ماده به ویژه تحت تأثیر اقبال عامی که از مکاتب تشکیل شده توسط فیلسوفان اخیر‌الذکر در طول تاریخ به عمل آمد دیگر به‌طور جدی پی‌گیری نشد تا اوایل قرن نوزدهم میلادی که جان دالتُن مفهوم اتم را منتهی به شیوه‌ی روزآمد مجدداً مطرح ساخت. این دانشمند انگلیسی نظریه‌ای را پرداخت که بر مبنای آن به هر عنصر ساده‌ای مثل آهن، اکسیژن، هیدروژن، طلا، کربن، سرب، و ... اتمی نسبت داده می‌شود که از نظر وزنی با اتم‌های عناصر دیگر متفاوت است. جمع شدگی این اتم‌های مختلف است که مواد مرکب و کلیه‌ی اجسام مادی دنیای ما را می‌سازد. اندیشه‌ی اتمیستی او رواج گرفت و دانشمندان سعی نمودند سنگ‌بناهای ماده را تشخیص داده و بر مبنای خواصشان آن‌ها را طبقه‌بندی نمایند. نخستین طبقه‌بندی علمی اتم‌ها یا عناصر در سال 1869 میلادی توسط دانشمند روسی دمیتری ایوانویچ مندلیُف صورت پذیرفت. طبقه‌بندی او از چنان نظم و دقتی برخوردار بود که حتی خواص تعدادی از عناصر که جایشان در این جدول خالی بود و هنوز کشف نشده بودند توسط او پیش‌گویی شد، عناصری که بعد مطابق با پیش‌گویی کشف و در جدول جایابی شدند. جدول تناوبی عناصر که امروز در اختیار داریم تکامل یافته‌ی همان جدول مندلیف است. خانه‌های این جدول را امروزه در حدود یک‌صد و هجده عنصر پر می‌کنند که از بین آن‌ها تنها نود و دو تا را می‌شناسیم که در طبیعت وجود دارند و بقیه، مثل پلوتونیم، تحت شرایط آزمایشگاهی به‌وجود می‌آیند، شرایطی که معمولاً درگیر خواص پرتوزایی و واپاشی عنصر است و مثلاً باعث شده است پلوتونیمِ پرتوزا با نیمه عمر بسیار طولانی به صورت یکی از خطرناک‌ترین سم‌های تمدن جدید درآید. در جدول مندلیف، عناصر صرفاً بر اساس وزن اتمی خود طبقه‌بندی شده بودند. لازم بود برای تکامل ایده‌ی طبقه‌بندی عناصر، هسته‌ی اتم و این‌که این هسته از چه اجزای بنیادی تشکیل شده است کشف می‌شد تا با اصلاح جدول مندلیف جدول کامل‌تر تناوبی فعلی که بر مبنای عدد اتمی عناصر تنظیم شده است به دست می‌آمد.
در حقیقت از خارق‌العاده‌ترین ویژگی‌های اتم کوچکی آن است. برآورد اندازه‌ی اتم از همان زمان دالتن توسط روش‌های غیر مستقیم مقدور گشت. برای دریافت حسی از کوچکی اتم کافی است درنظر بگیریم که شعاع کوچک‌ترین اتم که هیدروژن است برابر است با یک و هشت دهم ضرب در ده به توان منفی ده متر، یعنی اگر 18000000000 تا اتم هیدروژن در یک راستا در کنار هم قرار گیرند تنها یک متر طول را اشغال می‌کنند. وزن اتم هیدروژن نیز یک و شصت و هفت صدم ضرب در ده به توان منفی بیست و هفت کیلوگرم است، یعنی وزن 1670000000000000000000000000 اتم هیدروژن روی هم رفته تنها برابر یک کیلو گرم است. به احتمال زیاد همین کوچکی اتم‌ها بوده که باعث عدم کشف آن‌ها تا همین دو قرن قبل بوده است. در ابتدا تصور می‌شد اتم قابل خرد شدن به اجزای ریزتر نیست و از همین رو ذره‌ی بنیادی ماده تلقی می‌شد اما در اواخر قرن نوزدهم میلادی یکی از اجزای ترکیبی اتم به نام الکترون کشف شد و اتم صفت غیرقابل تجزیه را از دست داد. می‌توان گفت با کشف الکترون دوران فیزیک ذره‌ای نیز آغاز شد. هدف این فیزیک پژوهش روی ذرات زیر اتمی است، یعنی ذراتی که اتم از آن‌ها تشکیل شده است. این دوران دچار اختلاط‌هایی با فیزیک هسته‌ای و فیزیک ذرات بنیادی شد. می‌توان دوره‌های تطور نسبتاً متمایزی را در تاریخ فیزیک ذره‌ای تشخیص داد که به گرایش‌های نظریه‌پردازی و آزمایش و عمل‌گرایی در این حوزه مربوط می‌شود. آن‌چه مسلم است این‌که عملاً این دوران با کشف الکترون توسط جان تامسن انگلیسی آغاز شد. البته بهتر است بیان کنیم او آن‌چه را قبلاً می‌شناختند به عنوان الکترون شناسایی کرد. درواقع پیش از او بر مبنای آزمایش‌های رایج متعددی وجود پرتوهای کاتدی ثابت و آشکار شده بود. ژان پرن فرانسوی قبل از او نشان داده بود که این پرتوها متشکل از ذراتی دارای بار الکتریکی هستند. اما این تامسن بود که آزمایش‌های مشهور شده‌ای را ترتیب داد و طی آن‌ها برای نخستین بار میزان بار الکتریکی و جرم این ذره‌ها، که همان الکترون‌ها بودند، را اندازه‌گیری نمود. او این روش را چند سال بعد برای اندازه‌گیری بار الکتریکی و جرم پروتون به‌کار برد. با این اندازه‌گیری‌ها اندک اندک شگفتی‌های بیشتر دنیای زیر اتمی آشکار می‌شد. بعد از شگفتی مربوط به بسیار ریز بودن ابعاد اتم اکنون اندازه‌گیری‌های تامسن نشان می‌داد که در حالی که بار الکتریکی مثبت پروتون و بار الکتریکی منفی الکترون از لحاظ بزرگی هم‌اندازه است جرم پروتون تقریباً دو هزار بار بیش‌تر از جرم الکترون است. به راستی چرا چنین اختلاف فاحشی در جرم دو ذره با بزرگی بار یک‌سان وجود دارد. این سؤال نیز به معماهای قبلی اضافه شد. آن‌ها چگونه و بر اساس چه معماری درونی‌ای در ابتدا گرد هم آمده و اتم‌های ماده را تشکیل داده‌اند؟ این‌ها سؤالاتی بود که خود در پاسخ به معماها و سؤالات قبلی به وجود آمده بودند و کوشش برای پاسخ به آن‌ها منجر به اکتشافات بیش‌تر و نیز طرح سؤالات و معماهای جدیدتری شد.

برای این که به رموز این معماری پی ببریم باید قادر می‌بودیم به وسیله‌ای به کاوش در درون اتم بپردازیم. برای این کار به وسیله‌ی مناسبی نیاز بود. چنین وسیله‌ای برای کاوش درون اتم را ارنست راترفود در دانشگاه منچستر بریتانیا اختراع کرد. برای این کار او از پرتوزایی مواد رادیو اکتیویته که چند سال قبل از آن در پاریس توسط هانری بکرل، و ماری و پیِر کوری کشف شده بود استفاده کرد. در توضیح روش او باید مقدمتاً بگوییم که با استفاده از تجزیه‌ی پرتوهای گسیل شده از مواد رادیو اکتیویته در میادین مختلف الکتریکی و مغناطیسی معلوم شده بود که جسم پرتوزا دارای چند نوع مختلف گسیل است که عبارتند از گسیل آلفا، گسیل بتا، و گسیل گاما. این جسم تحت این گسیل‌ها به تدریج فرو می‌پاشد یا به عبارتی تغییر ماهیت می‌دهد. گسیل آلفا درواقع عبارت است از فورانی از اتم‌های یونیده‌ی هلیوم؛ گسیل بتا عبارت است از فورانی از الکترون‌ها؛ و گسیل گاما تابشی الکترومغناطیسی با طول موجی بسیار کوتاه است. طرح راترفورد این بود که از گسیل آلفا که درواقع پرتابه‌هایی از یون‌های دارای بار الکتریک مثبت از هلیم است برای شلیک به اتم‌ها استفاده کند. لذا او برگ نازکی از طلا را به عنوان هدف اختیار کرد و از گسیل آلفای ناشی از فروپاشی رادیم به عنوان پرتابه استفاده کرد. این آزمایش که توسط شاگردان راترفورد محقق شد نشان داد که بیش‌تر پرتابه‌ها تنها با انحراف ناچیزی از برگه‌ی طلا عبور می‌کنند، گویی که در سر راه خود عملاً به مانعی بر نخورده‌اند. اما در مقابل تنها درصد کوچکی از پرتوها ناگهان دچار انحراف شدیدی که نشان دهنده‌ی برخورد شاخ به شاخ آن‌ها با مانعی در برگه‌ی طلا بود بازتاب می‌شوند، گویا آن‌ها از روی یک مانع فیکس شده و سخت و درعین حال کوچک کمانه کرده یاشند. با این آزمایش مهم، وجود هسته‌ای فوق‌العاده ریز در درون اتم کشف شد؛ چنین هسته‌ای باید یک‌صد هزار بار کوچک‌تر از خود اتم باشد و به علاوه لازم بود تقریباً تمام جرم اتم نیز توسط این هسته حمل شود. با تحلیل نتایج این آزمایش راترفورد مدلی سیاره‌ای را برای درون اتم پیشنهاد کرد که در آن الکترون‌ها در فواصل بالنسبه بسیار بزرگی در اطراف این هسته‌ی بسیار کوچک و بالنسبه بسیار سنگین بر روی مدارهایی می‌چرخیدند. مدل او شبیه مدل منظومه‌ی شمسی بود که در آن به جای نیروی گرانش نیروی ناشی از جاذبه‌ی بارهای الکتریکی مثبت و منفی ضامن بقای حرکت مداری منظومه‌ای بود. اما مدل سیاره‌ای راترفورد دارای نقص بزرگی بود و آن این‌که اصول مکانیک کلاسیک ایجاب می‌نمود که با از دست دادن تدریجی انرژی (به صورت گسیل تابش) به تدریج پس از مدتی سیاره‌ها به درون هسته فروریزش نمایند در حالی‌که فرض بر بقای این منظومه و بقای اتم به این شکل بود.

به هر حال کشف هسته‌ی اتم توسط راترفورد پیش‌رفت بزرگی در جهان علم تلقی می‌شد و به آن وسیله راه به درون اتم برای کشف ساختمان واقعی آن باز گشوده شد هر چند حدس اولیه‌ی خود راترفورد در زمینه‌ی ساختار درونی اتم چندان دقیق نبود. کشف هسته‌ی اتم توسط راترفورد بیش‌تر به کشف پروتون که با بار مثبت خود باعث کمانه کردن یون‌های هلیم در آزمایش راترفورد می‌شد تعبیر می‌شود. با کشف الکترون و پروتون و تعیین بار و جرم آن توسط آزمایش‌هایی که به آن‌ها اشاره شد مشکل وزن اتمی عناصر مختلف که در هماهنگی با تعداد پروتون‌های هسته نبود پیش آمد و معلوم شد ذره‌ی بی‌بار دیگری تقریباً هم‌وزن با پروتون در هسته وجود دارد که تعداد آن در عناصر مختلف فرق می‌کند و حتی در گروه‌ها یا ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر نیز دارای تعدد مختلفی است. این ذره به علت بی‌بار بودن نوترون نامیده شد. کشف آزمایشی این ذره و نیز ذره‌ی بی‌بار دیگری به نام نوترینو که تقریباً هم‌وزن الکترون است و وجود آن نیز به طرق دیگری پیش‌گویی شده بود به علت بی‌بار بودنشان و درنتیجه عدم عکس‌العملشان به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی خیلی دیرتر از کشف آزمایشی ذرات باردار الکترون و پروتون صورت گرفت. وجود نوترون را از طریقی دشوار جیمز چادویک، که او هم از شاگردان راترفورد بود، در سال 1932 میلادی نشان داد. وجود نوترینو نیز به گونه‌ای تجربی و آزمایشگاهی در سال 1956 میلادی توسط پژوهش‌گران آمریکایی، کلاید کوون و فردریک ریتز، نشان داده شد هرچند بیش از بیست سال قبل از آن ولفگانگ پاولی و انریکو فرمی وجود ذره‌ای (که همان نوترینوست) را برای حفظ تعادل تراز انرژی واکنش‌های که منشأ پرتوزایی هسته از نوع بتا هستند لازم می‌دانستند. به این ترتیب تا آن زمان فیزیکدانان موفق به شناسایی چهار جزء ابتدایی تشکیل دهنده‌ی ماده شده بودند که عبارت بودند پروتون، نوترون، الکترون و نوترینو. اتم ناشکستنی در آن موقع به این چهار جزء اساسی شکسته شده بود. این اجزاء، نسبتاً ساده و سرراست به نظر می‌رسیدند.
بحثی که در مورد کنجکاوی دانشمندان برای پی بردن به ماهیت ماده گفته شد کمابیش در مورد نیروها هم وجود داشت و دانشمندان همواره سعی داشته‌اند نیروهای بنیادی طبیعت را شناسایی کنند. تا پایان قرن نوزدهم میلادی تنها دو نوع برهم‌کنش یا نیروی بنیادی فیزیکی در طبیعت توسط فیزیکدانان شناسایی شده بود که عبارت بودند از نیروی گرانش و نیروی الکترومغناطیسی. گرانش نیرویی است جاذبه‌ای که بین هر دو جرمی وجود دارد و قوانین حاکم بر آن را نیوتون کشف نمود. این نیرو ضامن حرکت ستارگان و سیارگان و اجرام سماوی است و هندسه‌ی کیهان را ترسیم می‌کند. این نیرو هم‌چنین نگاه‌دارنده‌‌ی ما بر روی زمین است. بزرگی آن متناسب با هر کدام از دو جرمی است که در حال اعمال این نیرو بر هم‌دیگرند و با عکس مجذور فاصله‌ی بین آن‌ها نیز تناسب دارد. اما قواعد مربوط به نیروهای الکترومغناطیسی توسط ماکسول در قالب چهار قانونی که ارائه داد کشف شدند. این قوانین بر همه‌ی پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و الکتریکی-مغناطیسی حاکمند. نیروهای گرانش و الکترومغناطیس نیروهایی دوربرد محسوب می‌شوند. این به این معناست که محدودیتی در اعمال این نیروها با افزایش فاصله وجود ندارد و از همین رو با آن‌ها در مقیاس بزرگ مربوط به زندگی روزمره‌امان زیاد برخورد می‌کنیم. اما کشف هسته‌ی بسیار ریز اتم و پرتوزایی آن نهایتاً موجب شناسایی دو نیروی دیگر بنیادی شدند که از آن‌ها تحت عنوان برهم‌کنش قوی و برهم‌کنش ضعیف یاد می‌شود. این دو نیرو بسیار کوتاه برد هستند و تأثیر آن‌ها جز در جهان زیر اتمی مشهود نیست. در شناسایی این چهار نیروی بنیادی علاوه بر برد، شدت آن‌ها نیز از اهمیت برخوردار است. منظور از شدت، بزرگی نیرویی است که به ذرات صرف نظر از دوری آن‌ها از یک‌دیگر (یا با فرض برابر بودن فاصله‌ی بین ذرات دخیل در هر چها نوع نیرو) وارد می‌شود. روشن است که شدیدترین نیروی فیزیکی، اولویت و برگزینندگی بیش‌تری نیز دارد. برهم کنش قوی بر پروتون‌ها و نوترون‌ها که در درون هسته بسیار به یک‌دیگر نزدیکند مؤثر است. این نیرو از نوع جاذبه‌ای است و دارای قدرت یا شدت بسیار زیادی است. همین نیروست که التصاق یا چسبندگی اجزای هسته‌ی اتم را تضمین می‌کند و نهایتاً برد آن هم در محدوده‌ی هسته‌ی اتم است. اما برهم کنش یا نیروی الکترومغناطیسی بر روی ذرات باردار عمل می‌نماید. فرم عمل‌کرد آن بر روی پروتون‌های درون هسته شکل دافعه دارد و از همین رو سعی در ترکاندن یا واپاشاندن هسته را دارد که از این کار او برهم‌کنش قوی که در برد کوتاه بسیار قوی‌تر عمل می‌کند و همان طور که گفتیم شکل آن جاذبه‌ای است ممانعت به عمل می‌آورد. اما فرم عمل‌کرد نیروی الکترومغناطیس در مورد الکترون و پروتون که دارای بارهای الکتریکی مخالف هستند جاذبه‌ای است. قلمرو این نیروی جاذبه‌ی الکترومغناطیسی قلمرو اتم‌هاست نیروی سوم بنیادی عبارت است از برهم کنش ضعیف که در بین این سه نیروی بنیادیِ طبیعت عام‌تر از همه است. اما به این علت نمود چندانی ندارد که به علت این که در بین این نیروهای بنیادی دارای ضعیف‌ترین شدت نیز هست عموماً تظاهرات آن تحت الشعاع دو نیروی دیگر واقع می‌شود و چندان دیده نمی‌شود مگر در موقعیت‌هایی نادر مثل حالت پرتوزایی بتا. درواقع باید گفت یگانه عرصه‌ی فرمانروایی برهم‌کنش ضعیف عبارت است از عرصه‌ی جولان‌گاه نوترینوها که ذره‌هایی هستند که از جنبه‌ی الکتریکی خنثایند و حساسیتی نسبت به برهم‌کنش‌های قوی و برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی ندارند. اما به راستی مکانیسم عمل این سه نیرو چیست؟ آن‌ها چگونه کار می‌کنند؟ مدت‌ها این پرسش بی‌پاسخ مانده بود و هنوز نیز پاسخ قاطعی برای آن یافت نشده است. علت آن این است که قوانین فیزیک کلاسیک در درون اتم‌ها به اصطلاح کم می‌آورد و کارایی خود را از دست می‌دهد. گفتیم که معادلات ماکسول بر همه‌ی پدیده‌های الکترومغناطیسی حاکم هستند. اما همین معادلات به نظر می‌رسد در ابعاد زیر اتمی نافذ نیستند و قادر به توضیح حرکت الکترون‌ها در گرداگرد هسته نیستند. در توضیح این مسئله باید متذکر شویم که الکترون ذره‌ی است که دارای بار الکتریکی منفی است. بر طبق همین قوانین کلاسیک، هر ذره‌ی بارداری که تحت نیرویی که به آن وارد می‌شود متحمل شتاب می‌شود شروع به تابش امواج الکترومغناطیسی می‌کند و قسمتی از انرژی خود را بر روی این امواج سوار می‌کند و به اطراف، هر جا که این امواج می‌روند، گسیل می‌دارد. نتیجه‌ی بدیهی این امر کم شدن انرژی الکترون است. حال اگر این الکترون آن‌چنان که راترفورد در مدل سیاره‌ای خود فرض کرده بود در حال گردش به دور هسته‌ی اتم در مدار مشخص خود باشد با تابش انرژی الکترومغناطیسی باید به تدریج انرژی خود را از دست بدهد و نهایتا به هسته نزدیک و نزدیک‌تر شود و بر آن سقوط کند. در حالی که می‌دانیم این گونه نیست و آزمایش راترفورد مستلزم این است که همه‌ی الکترون‌ها در فاصله‌های نسبی زیادی از هسته استوار بر گرد هسته قرار دارند. به علاوه انرژی تشعشعی‌ای به بزرگی آن‌چه می‌تواند مربوط به افتادن الکترون‌ها بر روی هسته باشد مشاهده نشده است. پس اشکال کار کجا می‌تواند باشد؟ اشکال کار را در فرض مسئله که مدل کلاسیکی حرکت سیاره‌ای است باید جستجو کرد و در این که می‌خواهیم اعتبار قوانین کلاسیک مربوط به الکترومغناطیسم را به درون اتم نیز تسری دهیم. به عبارت دیگر درحقیقت پاسخ را باید در دگرگونی بنیادی لازمی جست که چارچوب ادراکی فیزیک‌دانان لازم بود برای استدلال و استقرار قوانین در دنیای زیراتمی، دچار آن شود. به این ترتیب این پاسخ اختراع زبان تازه‌ای را می‌طلبید که موافق و هم‌سنخ با رخ‌داد پدیده‌های فیزیکی در مقیاسی بسیار کوچک باشد. لازم بود که برای تشریح درون اتم و نیروهایی که در بین ذرات زیر اتمی عمل می‌کنند معنای برخی واژه‌ها تغییر می‌کرد. شهود و ذوق سلیم باید درگوشه‌ای گذاشته می‌شد و طرح‌هایی نو برای اندیشه ریخته می‌شد و در کلامی باید از فیزیک متداول کلاسیک می‌گذشتیم و وارد فیزیک کوانتومی می‌شدیم. این‌جا یکی از همان بزنگاه‌های برگشت به فکر فلسفی یا لااقل اذن دخول به فلسفه دادن است که در ابتدای مقاله به آن اشاره شد. می‌توان گفت که فیزیک کوانتومی خیلی آهسته و بی سروصدا و تا حدود زیادی ناخواسته وارد صحنه شد و کم‌کم تمام صحنه را اشغال کرد. ماجرا از آن‌جا شروع شد که درست در ابتدای قرن بیستم ماکس پلانک آلمانی که هم‌چون فیزیکدانان دیگر در اندیشه‌ی از بین بردن تضادهایی بود که در آن زمان در تعبیر تابش جسم سیاه وجود داشت دست به حقه‌ای ریاضی زد و در حیله‌ی خود به نحوی از حکم قضیه در اثبات آن استفاده کرد. او فرض کرد که پرتوهای الکترومغناطیسی‌ای که از طرف یک جسم داغ گسیل می‌شوند حالتی پیوسته ندارند بلکه انتشار آن‌ها به صورت ناپیوسته است. درواقع او فرض کرد که فرایند گسیل انرژی در پاکت‌های مجزا صورت می‌گیرد. با این فرض او توانست توجیهی برای وجود تضادهای فوق الذکر ارائه دهد. این پاکت‌های مجزا کوانتوم نام گرفت. به تدریج برخی از دیگر فیزیکدانان نیز به این‌گونه حلِ راحت مسائل علاقه‌مند شدند و صحنه از وجود آن‌ها شلوغ شد. آلبرت اینشتاین در سال 1905 میلادی نشان داد که این کوانتوم‌ها حقه و خیال و فرض نیستند و واقعاً وجود فیزیکی دارند. آن‌ها متناظر با آن چیزی هستند که امروز تحت عنوان فوتون یا دانه‌ی نور می‌شناسیم. فوتون‌ها ذره‌هایی هستند که هر کدام امواجی جای‌گزیده‌اند و حامل مقدار مشخصی انرژی هستند که میزان آن به طول موج پرتوی که فوتون به آن منتسب است بستگی دارد.

پس از آن‌که فیزیک کوانتومی توسط اینشتین نور را فتح کرد (و از این راه جایزه‌ی نوبل را برای اینشتین به ارمغان آورد)، نوبت به تسخیر اتم‌ها توسط فیزیک کوانتومی رسید. در این زمینه نیلز بور دانمارکی در سال 1913 میلادی پیش‌تاز بود. او بر آن شد که به نوبه‌ی خود انرژی الکترون‌هایی که گرد هسته‌ی اتم بر مدار خود در گردش بودند را کوانتومی کند. او در عین حال می‌خواست با این کار مشکل مدل اتمی سیاره‌ای راترفورد را نیز برطرف کند. کوانتومی کردن انرژی الکترون‌های گردنده به دور هسته به این معناست که این انرژی نمی‌تواند جز به اندازه‌ی برخی مقادیر گسسته‌ی معین باشد. به عبارت دیگر انرژی آن نمی‌تواند احتمالاً هر مقدار ممکنی از توزیع پیوسته‌ای از انرژی باشد. او به هر مدار الکترونی انرژی معینی را متناظر ساخت. الکترون با پرشی که جهش کوانتومی خوانده می‌شود از یک مدار به مداری دیگر یا از یک حالت انرژی به حالتی دیگر گذر می‌کند. اگر گذر الکترون از مدار انرژی بالاتر به مدار انرژی پایین‌تر باشد برای حفظ قانون بقای انرژی لازم می‌شود الکترون در این گذار فوتونی ساطع کند که دارای انرژی‌ای برابر با تفاوت انرژی منتسب به دو مدار است. این نیز ممکن است که الکترونی که در مداری با انرژی پایین قرار دارد فوتونی جذب کند که انرژیش دقیقاً برابر با تفاوت انرژی منتسب به یک مدار بالاتر با انرژی منتسب به این مدار باشد که در این صورت الکترون دچار جهشی کوانتومی برای گذار به آن مدار دارای انرژی بالاتر می‌شود. این فرایند عکس فرایند گسیل کوانتومی محسوب می‌شود. هر چه مداری از هسته دورتر باشد انرژی منتسب به آن بیش‌تر است که این مسئله در بسیاری از موارد در هماهنگی با فیزیک کلاسیک قدیم است. کم‌کم که صحنه از صحنه‌گردانان کوانتومیست پر می‌شد سخنان تازه‌تری نیز از آن‌ها شنیده می‌شد.
فیزیک کوانتومی تنها به مسئله‌ی مدارها یا ترازهای گسسته‌ی انرژی بسنده نکرد و مفاهیم دیگری را هم معرفی کرد که به نظر خیلی هضم آن‌ها مشکل می‌آمد. یکی از این مفاهیم مفهوم اسپین یا چرخ بود که به ذره نسبت داده می‌شد. البته هم‌چنان‌که از نام آن می‌توان فهمید این مفهومی است که از همان مفهوم عادی فیزیک کلاسیکی چرخش جسم به دور محوری مشخص به عاریت گرفته شده است اما چون قرار بود این مفهوم کوانتیزه شود یعنی به نحوی حالت پیوستگی متداول در آن به نفع حالت بسته بسته از آن گرفته شود از نظر مفهوم دچار تحولات اساسی شد به گونه‌ای که دیگر سنخیت چندانی با مفهوم کلاسیکی خود ندارد، هرچند قرار بر این بوده است که کلیه‌ی مفاهیم فیزیک کوانتومی و از جمله همین مفهوم چرخ یا اسپین در گذر به بزرگ مقیاس به فیزیک کلاسیک تحویل شوند. این چرخ یا اسپین در فیزیک کوانتومی خصیصه‌ای ذاتی برای ذره‌ها، هم‌چون خصیصه‌ی ذاتی جرم یا بار الکتریکی‌شان، محسوب می‌شود. اسپین کمیتی معین است و مقدارش بر حسب یکاهای پذیرفته شده نمی‌تواند غیر از اعداد صحیح صفر، یک، دو، سه، و .... یا ضرایب صحیح فردی از نیم، مثل یک دوم، سه دوم، پنج دوم، هفت دوم، و .... باشد. اسپین مربوط به الکترون عبارت است از یک دوم، و اسپین مربوط به هر کدام از پروتون و نوترون و نوترینو نیز یک دوم است، اما اسپین فوتون یک است. در فیزیک کوانتومی تفاوت شگفت انگیزی وجود دارد بین اسپین‌های یک دوم و به طور کلی‌تر اسپین نیم عدد صحیح با اسپین عدد صحیح. همه‌ی ذره‌های دارای اسپین نوع نخست (یعنی یک دوم یا ضرایب فرد یک دوم) به شدت جمع گریز و فردگرا هستند در حالی که ذرات دارای اسپین کامل جمع گرا هستند. این حالت در عبور به بزرگ مقیاس به همان حالت جاذبه و دافعه‌ی بین میدان‌های مغناطیسی به وجود آمده بر اثر گردش بار الکتریکی حول محوری مشخص تحویل می‌شود. ذرات دارای اسپین یک دوم (یا ضرایب فردی از آن) به خاطر فردگراییشان نمی‌پذیرند ذره‌ی دیگری درست باهمان مشخصات خودشان از نظر انرژی و جرم و بار و اسپین و غیره در همان لحظه در همان جایی که آن‌ها حضور دارند حضور داشته باشد، و درواقع می‌توان با تسامح این گونه گفت که به نوعی آن را دفع می‌کنند. بنابر این لازم می‌شود آرایش الکترون‌ها بر گرد هسته در مدارها یا ترازهایی از انرژی باشد که حالتی مجزا و مطبق دارند و مثلاً نود و دو الکترون اتم اورانیوم روی یک مدار گروه بندی نشده‌اند بلکه دارای مدارها یا ترازهای پیاپی هستند. اما از آن سو چون ذره‌های دارای اسپین صحیح دارای ویژگی نمایان جمع‌گرایی که به نوعی شبیه جاذبه است هستند گرایش دارند که همه در یک حالت مشخص با هم تشکیل گروه دهند. از همین روست که نور درواقع تجمع یا گله‌ای از فوتون‌ها محسوب می‌شود. رفتار ذرات دارای اسپین غیر صحیح عمدتاً توسط انریکو فرمی و پل دیراک بررسی و فورموله شد در حالی که روی رفتار ذرات دارای اسپین درست بوز و اینشتاین مطالعه کردند و با شرح و تفصیل آن را بیان نمودند. به همین دلیل به افتخار فرمی به ذره‌های دارای اسپین غیر صحیح فرمیون گفته می‌شود و به افتخار بوز به ذره‌های دارای اسپین درست بوزون گفته می‌شود.
شلوغی صحنه توسط کوانتومیست‌ها هم‌چنان ادامه داشت و سخنان تازه هم‌چنان از مدار آن‌ها ساطع می‌شد. شاید بتوان گفت بهت‌آورترین سخن آنان یا درواقع غیر عادی‌ترین چهره‌ی فیزیک کوانتومی بینش محتمل‌انگارانه یا درحقیقت ماهیت واقعی احتمالی مستتری بود که در این فیزیک به پدیده‌ها نسبت داده می‌شد. این جزو قدرت‌های فیزیک کلاسیک متداول محسوب می‌شد که در آن وقتی که همه‌ی شرط‌های اولیه‌ی یک پدیده و همه‌ی ویژگی‌های دستگاه مفروض محل وقوع آن پدیده در دست باشد می‌توان مسیر و کیفیت تحول آن پدیده را تعیین یا پیش‌گویی نمود. اما در فیزیک کوانتومی اصلاً این‌طور نیست و در آن نایقینی، ذاتیِ پدیده‌های واقع در مقیاس‌های بسیار کوچک است. در این فیزیک وقتی که پرتابه‌ای را به سوی هدفی شلیک می‌کنید نمی‌توانید پیش‌گویی کنید که چه روی خواهد داد، حتی اگر همه‌ی شرایط مسئله را بدانید. حداکثر کاری که می‌توانید انجام دهید به دست آوردن میزان احتمال روی‌دادهای ممکن مختلف، مثل روی‌داد برخورد به هدف یا انحراف از آن با زاویه‌ای خاص، است. ورنر هایزنبرگ این عدم قطعیت و نایقینی و تیرگی و ابهام کوانتومی را در سال 1927 میلادی در مجموعه‌ای از چهار نامعادله‌ی معروف خلاصه کرد. بنا بر استدلال او در این نابرابری‌ها، نمی‌توان به طور هم‌زمان انرژی و زمان مربوط به ذره را با دقت مطلوب اندازه‌گیری کرد، و همین طور نمی‌توانیم به طور هم‌زمان موضع و سرعت ذره را با دقتی که دوست داریم تعیین کنیم. به عنوان مثال اگر بخواهیم بفهمیم دقیقاً موضع یک ذره در فضا کجاست تیرگی و ابهام و عدم قطعیت برای تعیین هم‌زمان سرعت آن ذره با دقت مطلوب افزایش می‌یابد. و اگر بخواهیم سرعت آن را دقیقاً اندازه بگیریم ابهام ذاتی در تعیین جای ذره افزایش می‌یابد. گویا همواره تنها حد معینی از ضرب این دو پارامتر قابل حصول است. در مورد جفت انرژی و زمان نیز وضعیت مشابهی حکم‌فرماست. از همین رو در مورد هر پدیده باید حاصل ضرب این نایقینی‌ها به عنوان حد رسش درنظر گرفته شود. به بیان دیگر فیزیک کوانتومی ناتوانی بر اندازه‌گیری دقیق را نه به در دسترس نبودن وسایل و مهارت‌های دقیق اندازه‌گیری که به ذات پدیده‌ها و اشیاء منتسب می‌کند و می‌گوید شما اساساً نمی‌توانید دقیق‌تر از حد معینی که به ماهیت پدیده‌ی فیزیکی مربوط می‌شود اندازه‌گیری کنید و اگر بخواهید در پارامتری دقیق‌تر عمل کنید دقت خود در پارامتری دیگر را از دست می‌دهید. به بیان ساده اگر شما با خط‌کشتان آن‌قدر کوچک شوید که بتوانید به داخل اتم برای اندازه گیری ابعاد الکترون نفوذ کنید الکترون مشخصی برای این که خط کشتان را کنارش بگذارید نمی‌یابید. گویا عمل اندازه‌گیری روی تغییر در ماهیت یا موقعیت موضوع مؤثر است. با چنین اوضاع و احوالی چگونه می‌توان حرکت ذره را توصیف نمود، و چطور باید قوانین حاکم بر برهم‌کنش‌های بین ذرات را کشف کرد؟ در پاسخ به این پرسش فیزیکدانان ابزار جدیدی که این بار نه ابزاری خارجی که دارای سنخیتی نظری بود ابداع کردند تا هم‌چنان بر درستی وجود ذاتی عدم قطعیت پای بفشارند و در عین حال حساب ظرایف و جزئیات کوانتومی وقایع را داشته باشند. این وسیله تابع موج نام دارد و برای توصیف حالت ذره مورد استفاده و درواقع مورد محاسبه قرار می‌گیرد. این تابع نقش موجود ریاضی پیچیده‌ای را بازی می‌کند که به وسیله‌ی آن تنها می‌توانیم به محاسبه‌ی چگالی احتمال یا به بیان کم‌تر دقیق به محاسبه‌ی مثلاً چگالی حضور یا چگالی اندازه حرکت یا چگالی انرژی ذره بپردازیم.
به وضوح باید گفت تمام آن‌چه تاکنون از فیزیک کوانتومی بیان شد خلاف عقل سلیم به نظر می‌رسد اما فیزیکدانان با غور در فیزیک کوانتومی به آن خو می‌کنند. علت تن دادن فیزیک‌دانان به این وضعیت این است که آلترناتیو دیگری نداشتند. فیزیک کوانتومی توفیق شایان توجهی در توجیه و توصیف بسیاری از پدیده‌های طبیعی و فیزیکی که قبلاً برای آن‌ها توضیحی ارائه نشده بود داشت و همین باعث شد که به هیچ ایراد منطقی به این فیزیک تقریباً کوچک‌ترین توجهی نشان داده نشود. اما بوده‌اند و هستند فیزیک‌دانانی که تسلیم فیزیک کوانتومی نشده و نمی‌شوند. و جالب است بدانید که اینشتین با این که خود نقش به سزایی در پیش‌رفت فیزیک کوانتومی داشت هرگز دست از مخالفت با آن نکشید و جمله‌ی او که خدا تاس نمی‌اندازد در رابطه با مخالفتش با احتمال‌گرایی فیزیک کوانتومی معروف است. او ابهام کوانتومی را یک سراب می‌دانست که ظاهری فریبنده دارد و حاصل توصیفی نارسا از واقعیت فیزیکی است. در راه اثبات نظریاتش در این رابطه او آزمایش‌های فوق العاده ظریفی را طراحی نمود که نتیجه‌ی آن‌ها از نظر او اثبات می‌نمود که عدم قطعیت کوانتومی محدودیت غیر قابل رفعی نیست و می‌توان آن را دور زد. او البته خود این آزمایش‌ها را انجام نداد، بلکه سال‌ها پس از اینشتین این آزمایش‌ها به همت آلن آسپه و هم‌کارانش در دهه‌ی 1980 میلادی در مؤسسه‌ی نورشناسی اورسه صورت تحقق به خود گرفتند که نتیجه‌ی آن‌ها حاکی از اشتباه اینشتَین بود و حق به فیزیک کوانتومی داده شد. اما به هر حال کارها و نظریات اینشتین خود در بسط نظریه‌ی کوانتومی نقشی بی‌بدیل داشت، علاوه بر این که او مبدع نظریه‌ی مهم دیگری نیز بود که به زودی تداخل زیادی با فیزیک ذرات و فیزیک کوانتومی پیدا کرد. آن نظریه، نظریه‌ی نسبیت اوست. نسبیت علیرغم مخالفت‌هایی که با آن وجود داشته و دارد هم‌چنان در فیزیک پایدار مانده است. نظریه‌ی نسبیت درواقع اجتماعی از دو نظریه است که یکی در مورد قوانین حرکت است و دیگری در مورد گرانش و به همین خاطر گاهی این دو به طور جداگانه تحت عناوین نظریه‌ی خصوصی نسبیت و نظریه‌ی عمومی نسبیت دسته‌بندی می‌شوند. نظریه‌ی پایه‌ای نخست که در این جا مد نظر است بیان می‌دارد که فضا و زمان یا به عبارتی جای و گاه دو کمیت یا مفهوم مجزا نیستند و مثلاً حرکت در فضا می‌تواند روی زمان تأثیر داشته باشد و آن را اصلاح نموده یا تغییر دهد. اما چنین تغییر یا اصلاحی تنها برای سرعت‌های بسیار زیادی مقدور است که نزدیک به سرعت نورند که سرعتی حدی در نسبیت تلقی می‌شود. نظریه‌ی نسبیت اینشتین نیز علیرغم آن‌که در آن هم‌چون مورد مربوط به فیزیک کوانتومی مخالفت‌هایی با عقل سلیم به نظر می‌رسید به خاطر توفیق‌های فراوانی که در توضیح پدیده‌هایی که تا قبل از آن بدون توجیه مانده بودند داشت هم‌چنان از اقبال برخوردار ماند به ویژه آن‌که به نحو وسیعی با فیزیک کوانتومی تداخل و هم‌پوشانی پیدا نمود.

نظریه‌ی نسبیت اینشتین دارای پیامدهای متعددی بود که بدون شک مهم‌ترین و معروف‌ترینِ آن‌ها عبارت است از معادله‌ی هم‌ارزی جرم و انرژی که به نحوی شگفت و در عین حال زیبا از دل استنتاجات ریاضی این نظریه بیرون می‌آید. بنا بر این هم‌ارزی، امکان تبدیل ماده به انرژی و بالعکس وجود دارد که در هر حال اگر چنین تبدیلی صورت گیرد بزرگی تغییر یا تبدیل انرژی برابر است با حاصل ضرب بزرگی تغییر یا تبدیل ماده در مجذور سرعت نور. به این ترتیب اگر در واکنشی مقدار کمی ماده ناپدید شود مطمئناً به انرژی (جنبشی یا پتانسیل) موجود در آن واکنش تبدیل شده است که دارای بزرگی‌ای به اندازه‌ی مجذور سرعت نور برابرِ ماده‌ی ناپدید شده است. هم‌چنین بر عکس ممکن است واکنشی داشته باشیم که در آن مقداری انرژی ناپدید شده باشد که در این صورت به مجموع جرم‌های شرکت کننده در واکنش مقداری جرم اضافه شده است که بزرگی آن برابر است با انرژی ناپدید شده تقسیم بر مجذور سرعت نور. این معادله غالباً به صورت E=mc2 نوشته می‌شود که لازم است در آن توجه شود که منظور از E و m بزرگی تغییرات در انرژی و جرم دخیل در واکنشند نه بزرگی خود انرژی و جرم دخیل در واکنش. هم‌چنین این فرمول ایجاب نمی‌کند که الزاماً در هر واکنشی که در آن جرم و انرژی دخیل هستند حتماً تبدیلی هم صورت می‌گیرد بلکه صرفاً در صورت انجام تبدیل، مقدار معادل تبدیل یافته را برای حفظ قانون بقای جدیدِ جرم-انرژی به دست می‌دهد. این فرمول در فیزیک ذرات دارای دو پیامد مهم بود. پیامد نخست این بود که درک و استنباط تازه‌ای از مفهوم جرم را به همراه خود داشت. در فیزیک کلاسیک غیر نسبیتی جرم به نوعی هم‌چون مفهومی اولیه یا کمیتی تعریف نشده تلقی می‌شود و فیزیکدانان بسیاری در مورد ماهیت آن و نیز ماهیت نیرو و رابطه‌ی آن‌ها با یک‌دیگر اندیشیده و نظریه‌پردازی کرده‌اند. این در حالی است که این فرمول نسبیتی در دنیای ذراتِ فیزیک ذرات، هر ذره را تکاثفی از انرژی می‌داند (و این‌جا باز نقطه‌ی نفوذ دیگری می‌شود برای فلسفه). به عبارت دیگر می‌توان گفت در نسبیت تعریف جرم عبارت است از انرژی در حالِ سکون ذره (با این برداشت که بخشی از این انرژی می‌تواند متعاقباً به انرژی جنبشی ذره (یا درواقع بقیه‌ی انرژی متمرکز) تبدیل شود). پیامد مهم دوم هم‌ارزی نسبیتی ماده و انرژی در فیزیک ذرات عبارت است از این که در دنیای ذرات با این فرمول صورت‌های بسیار زیادی از ذرات قابل آفرینش هستند. به این ترتیب مثلاً ممکن است انرژی‌ای که از به هم خوردن دو ذره آزاد می‌شود صورتی مادی در قالب ذره‌ی متولد شده‌ای جدید پیدا کند. این که بتوان از خمیرمایه‌ی وجودی انرژی برای ساخت ذرات جدید استفاده کرد فرصت و نعمتی غیر منتظره برای فیزیک‌دانان بود. اما چنین تبدیلی چندان هم دل‌به خواه نیست و در آن باید تمام قوانین بقا رعایت شود از جمله میزان خالص بار نباید تغییر کند. به این ترتیب مثلاً امکان آفرینش تنها یک ذره‌ی باردار با تبدیل انرژی به ماده وجود ندارد زیرا لازم است که در هر واکنش مجموع بارهای الکتریکی ثابت باقی بماند. به این ترتیب تنها امکان آفرینش یک جفت ذره-پادذره در تبدیل انرژی در فیزیک ذرات وجود دارد. به این ترتیب است که نتیجه گرفته می‌شود در مقابل هر ذره‌ای پادذره‌ی مربوط به آن هم (البته نه لزوماً همراه با آن) وجود دارد. مثلاً پادذره‌ی الکترون عبارت است از پوزیترون، و پادذره‌ی پروتون عبارت است از پادپروتون. درواقع هر ذره و پادذره‌اش دقیقاً دارای جرم و اسپین یک‌سان هستند و تنها بارهای الکتریکی آن‌ها (در حالی که بزرگی آن‌ها یک‌سان است) مخالف یک‌دیگر است، و البته برخی از خواص درونی آن‌ها نیز متفاوت است. می‌توان به تعبیری بیان نمود که پادذره‌ها نسخه بدل‌هایی در حالت معکوس از ذرات هستند. آن‌ها را در زندگی روزمره‌ی عادی خود مشاهده نمی‌کنیم. در توضیح علت این موضوع باید یادآوری کنیم که وجود آن‌ها حاصل تبدیل انرژی به ماده در طی یک واکنش بوده است، و هنگامی که به این راحتی، تبدیل انرژی، آن‌ها را به وجود می‌آورد به همین راحتی هم در واکنش‌هایی عکس واکنش‌های به‌وجود آورنده نابود یا در واقع مجدداً تبدیل به انرژی می‌شوند. این گونه است که ذره با پادذره‌اش که بلافاصله مجاورش است برخورد یا واکنش می‌کند و هردو نابود می‌شوند یا درواقع انرژی مثلاً به صورت گسیل نور پس می‌دهند. البته در این جا بی‌مناسبت نیست که بیان کنیم که بین لحظه‌ی آفرینش ذره و پادذره و لحظه‌ی نابودی آن‌ها (که همان تبدیل کامل آن‌ها به انرژی است) این پادذره‌ها (همراه با آن ذره‌ها) قابل مشاهده هستند. در حقیقت در سال 1933 میلادی کارل اندرسن که در آن موقع عضو هیأت علمی مؤسسه‌ی تکنولوژی کالیفرنیا بود وجود پوزیترون را از همین راه کشف کرد. و در سال 1955 میلادی از همین راه وجود پادپرتون توسط امیلیو سگره، اوون چمبرلین، ت. ایپسیلانتیس، و ک. ویگانت از دانشگاه برکلی کالیفرنیا مورد تأیید قرار گرفت. از آن زمان به بعد آشکار سازی پادذره‌ها به امری متداول در آزمایش‌هایی که با شتاب دهنده‌های ذرات صورت می‌گیرد درآمده است.
هم‌چنان که مشاهده کردیم در ابتدا فیزیک کوانتومی و فیزیک نسبیتی هر کدام به طور جداگانه رشد کردند و هر کدام موارد قابل توجهی برای متحیر ساختن عقول ما داشته‌اند. توصیف ساختار اتم و رفتار نامتیقن ماده در ابعاد ریز بر عهده‌ی فیزیک کوانتومی و هم‌ارزی میان ماده و انرژی که در نتیجه‌ی آن ذره‌ها و پادذره‌ها ایجاد می‌شوند بر عهده‌ی فیزیک نسبیت است. اما هم‌چنان که بیان شد به زودی در مرحله‌ی بعدی این دو فیزیک به سختی در هم آمیختند و دوره‌ای بزرگ را در فیزیک ذرات آغازیدند. از دل این اختلاط، ذره‌های مجازی نوی پای به عرصه‌ی وجود نهادند که در قلب توصیف نظری فعلی نیروهای بنیادین جای دارند. می‌توان گفت که به راستی این ذره‌ها راهزن قوانین فیزیکی موجودند. اصلاً همان طور که بیان شد وجود آن‌ها ناقض هر کدام از اصول بقای ماده و انرژی به طور جداگانه است که از کهن‌ترین و از شهودی‌ترین اصل‌های فیزیک بوده‌اند. اکنون می‌توانیم بگوییم که در مرزهای جهان واقعی ایستاده‌ایم. طبیعت از این امکانی که فیزیک‌های کوانتومی و نسبیتی در اختیارش قرار داده‌اند استفاده می‌کند و به تبدیل افت‌های واقع شده در انرژی به ماده و آفرینش انواع ذرات می‌پردازد که البته دارای چنان عمر کوتاهی هستند که مشاهده‌ی آن‌ها امکان پذیر نیست و از همین روست که به ذره‌های مجازی معروف شده‌اند یا ذرات و پادذراتی به انرژی یا درواقع به خیزهایی در انرژی تبدیل می‌شوند. در این داستان می‌توانید الکترونی تنها را در خلأ تصور کنید که انرژی آن می‌تواند در بازه‌ی زمانی بسیار کوتاهی دچار افت و خیز شود و متناسب با مقدار افت و خیز، به آن امکان بخشد که یک یا چندین ذره‌ی مجازی گسیل نماید یا آن‌(ها) را جذب کند. تولید و نابودی ذرات فعالیتی دائمی و دینامیکی برای ذرات در ابعاد زیراتمی است. ممکن است این سؤال پیش آید که هر چند تصویر ایجاد شده از ذرات در حال خلق و نابودی زیبا و هیجان انگیز به نظر می‌رسد اما چه فایده و اهمیتی بر آن مترتب است هرگاه واکنش‌ها چنان سریع اتفاق افتند که نتوان آن‌ها را مشاهده نمود؟ اما باید گفت اهمیت بسیار زیادی در آ‌نها به صورت ارتباط نهفته است. در واقع در فیزیک کوانتومی در قالب تمام تیرگی‌ها و عدم یقین‌هایش بیان و استدلال می‌شود که ذرات حقیقی از همین راه، یعنی از طریق همین خلق افت و خیزی ذرات و پادذارات، است که با یک‌دیگر ارتباط برقرار می‌کنند و پیام‌هایی بین یک‌دیگر رد و بدل می‌کنند. البته این رد و بدل پیام هوشیارانه نیست بلکه منظور این است که ذرات مجازی با حمل انرژی، بار و اندازه حرکت از یک ذره به ذره‌ای دیگر تحولی را باعث می‌شوند که ما آن را به گونه‌ای مجازی رد و بدل پیام نام می‌نهیم. گویا ذرات حقیقی با پاس‌کاری ذرات مجازی یا موهومی بین خود با یک‌دیگر در ارتباط قرار می‌گیرند و مسیر آینده‌ی تحول آن‌ها معین می‌شود. برای انجام تبادل الکترومغاطیسی بین دو ذره، مثلاً بین دو الکترون، آن‌چه رد و بدل می‌شود فوتون است که به زودی علت آن را خواهیم دید. برهم‌کنش‌های دیگر که از نوع الکترومغناطیسی نیستند ذرات مجازی مخصوص به خود را به عنوان وسیله‌ی ارتباطی دارند که در مورد آن‌ها نیز به زودی توضیح داده خواهد شد. البته این‌ها ساز و کار دل بخواهی ندارد و آن‌چنان که فیزیک‌دانان استدلال می‌کنند هم‌چون تمام موارد دیگر در فیزیک نظری برای به حساب آوردن این ساز و کارِ برهم‌کنش ابزار مناسبی نیاز است که در این‌جا این ابزار میدان کونتومی نام دارد. میدان کوانتومی در حقیقت تعمیمی از مفهوم تابع موج است که قبلاً به آن اشاره شد. میدان کوانتومی هم‌چون تابع موج نشان دهنده‌ی چگالی حضور ذره در فضا و زمان است. به علاوه این میدان امکان گسیل یا جذب ذره‌های مجازی مثل فوتون را تضمین می‌نماید. توصیف ذرات از طریق مفهوم میدان کوانتومی دارای مزایای بسیاری است و از جمله به‌هم‌پیوستگی مستتر در میدان باعث می‌شود که همه چیز یا همه‌ی مفاهیم در آن موجود باشد، هم فیزیک کوانتومی، هم نیروهای بنیادی و هم دینامیک حاکم بر کلیه‌ی اجزای میدان. همه‌ی این‌ها به درد فراهم آمدن وسیله‌ای برای محاسبه‌ی احتمال وقوع پدیده‌های فیزیکی می‌خورد، پدیده‌هایی که واقعاً موجود و قابل مشاهده هستند. البته این گونه محاسبه‌های احتمال را نمی‌توان مستقیم و بی‌واسطه انجام داد (معادلات میدان‌های عجیب الخلقه‌ی کوانتومی مشکل‌تر از آن هستند که به راحتی و سرراستی حل شوند). برای انجام این محاسبه روش‌های حیله‌گرانه‌ای وجود دارد. در یکی از این روش‌ها محاسبه به مرحله‌هایی ساده و پیاپی تجزیه می‌شود. مثلاً در واکنش میان دو ذره‌ی باردار نخست به محاسبه‌ی احتمال مبادله‌ی تنها یک فوتون مجازی بین طرف‌های متخاصم واکنش پرداخته می‌شود. سپس در همه‌ی صورت‌بندی‌هایی که امکان داشته باشد حضور فوتون دومی را علاوه می‌کنند و به محاسبه‌ی احتمال می‌پردازند. سپس حضور فوتون سومی را در نظر می‌گیرند و محاسبه را انجام می‌دهند و به همین ترتیب کار را با اضافه کردن فوتون به صورت مرحله‌ای ادامه می‌دهند. هر چه فوتون‌های بیش‌تری اضافه شوند طبعاً نقش کمکی هر فوتون در حل مسأله‌ی احتمالاتی ضعیف‌تر می‌شود. این وضعیت در صورت ازدیاد تعداد فوتون‌ها آن‌گونه خواهد شد که با رشد خیلی محدودی در رشد فوتون‌ها، ناشی از افت و خیز تبدیل ماده-انرژی، احتمال مجموع پدیده‌ها را می‌توان با دقتی عالی حساب کرد و آن را با نتیجه‌ی آزمایشی مقایسه کرد.

پیش‌گامی این گونه محاسبات از آنِ پل دیراک در دهه‌ی 1920 است. در حدود بیست سال پس از این تاریخ در دهه‌ی 1940 این گونه محاسبات توسط ریچارد فاینمن و جولیئن اشوینگر و سین ایتیرو توموناگا به نحو مطلوبی به سامان رسید. بر کل قوانین حاکم بر این گونه محاسبات نام اکترودینامیک کوانتومی گذاشته شد. این معادلات در واقع هم‌ارز کوانتومی معادلات ماکسول در توصیف پدیده‌های الکترومغناطیسی است و درواقع پویایی آن‌ها در کاربردهای زیر اتمی را ممکن می‌سازد. این الکترودینامیک کوانتومی و نتایج حاصله از آن تاکنون هم‌نوایی کاملی با نتایج آزمایشی از خود نشان داده است. این که خلق این معادلات ممکن گشته است نشان دهنده‌ی رخنه‌ی عظیم دیگری است که در روند تکامل فیزیک کوانتومی از ابتدا در این فیزیک حادث گردید. این رخنه را هم‌چنین می‌توان هم‌چون پنجره‌ای جدید به روی دنیای اجزای ابتدایی ترکیب کننده‌ی ماده درنظر گرفت. با شروع از سال‌های دهه‌ی 1950 میلادی با استفاده از ماشین‌های شتاب‌دهنده‌ی ذرات که مرتباً بر توانایی آن‌ها بر شتاب دادن بیش‌تر به ذرات و تصادم دادن آن‌ها با یک‌دیگر و با دیگر آماج‌ها افزوده می‌شود فیزیک‌دانان توانسته‌اند آزمایش‌هایی با انرژی‌هایی بیش از پیش زیاد انجام دهند و از این راه تعداد زیادی از انواع ذراتی را کشف کرده‌اند که هر یک از دیگری عجیب‌ترند. در مواجهه با این خیل عظیم نتایج آزمایشی و تجربی و این انبوه ذرات جدیداً کشف شده، پژوهش‌گران تا حدودی سرگشته شدند. برای به سامان آوردن اوضاع، آنان آغاز کردند به این که به گونه‌ای اصولی و هدفمند نخست همه‌ی این ذره‌های تازه را با اندازه گرفتن مشخصات آن‌ها مثل جرم و طول عمر و بار الکتریکی و اسپین آن‌‌ها، طبقه‌بندی کنند. با این کار سه خانواده از این ذره‌ها تشکیل شد: باریون‌ها، مزون‌ها، و لپتون‌ها. آن‌ها به تدریج شروع کردند به فهمیدن این‌که این باریون‌ها و مزون‌ها و لبپتون‌ها که این چنین ماشین‌های شتاب دهنده‌ی آن‌ها را تسخیر کرده بودند دقیقاً چیستند. در این راه گام قاطعانه را ماری گلمان، یومان نیمان، و ژورش تسوایک برداشتند و مجزا از یک‌دیگر برای ساده کردن انبوه پیچیده‌ی ذره‌های تازه کشف شده درمانی معجزه گونه را پیشنهاد نمودند. درمان آن‌ها ارائه‌ی این پیشنهاد بود که هر کدام از این انبوه ذرات خود مرکب از ذرات بنیادی‌تر و ریزتری هستند. گلمان نام این خشت‌های بنیادی‌تر را کوارک گذاشت. در مدل ابتدایی‌ای که برای کوارک‌ها پیشنهاد شد وجود سه عنصر متفاوت کفایت می‌کرد که همه‌ی ذره‌های مشاهده شده ساخته شوند. هر یک از این سه نوع کوارک برای خود دارای جرم، بار الکتریکی، اسپین و خصوصیات ویژه‌ی متمایزی بود. از ترکیب‌های پیشنهادی مناسب این کوارک‌ها توانستند به نحو زیبایی ذرات مختلف را بازسازی کنند و خواص ده‌ها باریون و مزون را تنها با سه مؤلفه‌ی ابتدایی بنیادی روشن نمایند و این امری به غایت اغواگرانه بود. اما این وضعیتِ رضایت‌مندی، چندان به درازا نکشید زیرا تلاش برای آشکار سازی یک کوارک منفرد نتیجه بخش نبود.کسی رد پایی از یک کوارک مشخص در هیچ آشکارسازی مشاهده نکرده بود. این موضوع تبدیل شده بود به مسأله‌ای کاملاً جدی برای فیزیک‌دانان، زیرا اگر نتوان بر اساس روش علمی، فرضیه‌ای را در آزمایش آزمود نمی‌توان به اعتبار آن اطمینان داشت. البته تاکنون کشف‌هایی در زمینه‌های دیگر مؤید وجود مدل کوارک‌ها بوده‌اند و از هر لحاظ امروزه وجود کوارک‌ها مسلم انگاشته می‌شود، اما به هر حال کوارک‌ها به عنوان ذره‌های ابتدایی انفرادی قابل مشاهده نیستند. جستجوی آن‌ها به عنوان ذرات بنیادین باریون‌ها و مزون‌ها خیلی وقت گرفته است. از سوی دیگر مؤلفه‌های دیگری به موازات کوارک‌ها کشف شده بودند. آن‌ها عبارت بودند از لپتون‌ها که ذره‌هایی هم‌خانواده با الکترون‌ و نوترینو هستند. در همین راه بود که موئون در سال 1937 میلادی کشف و تنها ده سال بعد هویتش معلوم گردید. این ذره به گونه‌ای عجیب به الکترون شباهت دارد. دارای همان بار الکتریکی منفی و همان اسپین الکترون است و دقیقاً مشابه با الکترون عمل می‌کند. تنها تفاوتش با الکترون جرم مئون است که دویست بار بیش از جرم الکترون است و به همین خاطر گاهی الکترون سنگین خوانده می‌شود. در عرصه‌ای دیگر از فیزیک ذرات، لئون لذرمن، ملوین اشوارتس، و جک استین برگر در سال 1962 میلادی نشان دادند که نوترینو برخلاف آن‌چه قبلاً تصور می‌شد تنها به یک صورت منفرد وجود ندارد بلکه دو نوع نوترینو وجود دارد که یکی متناظر با الکترون است و دیگری متناظر است با مئون. این دو نوع نوترینو با هم فرق دارند. اما راستی چرا دو نوع الکترون و دو نوع نوترینو؟ نه تنها تا امروز پاسخ قانع کننده‌ای برای این پرسش پیدا نشده است بلکه تازه معلوم شده است که جفت سومی هم وجود دارد.
به این ترتیب دیدیم که از ترکیب فیزیک کوانتومی و فیزیک نسبیتی با یک‌دیگر مخلوطی یک دست از ذره‌های مجازی تشکیل یا در حقیقت شناسایی می‌شود. این آمیزش و این آفرینش به توصیفی نظری از نیروی الکترومغناطیس در ابعاد زیر اتمی منجر گردید. در همین راستا در جدول اجزای تشکیل دهنده‌ی ماده کوارک‌ها و لپتون‌های جدیدی رخ نمودند. این مبادرت‌های نظری و عملی در فیزیک ذرات رقم زننده‌ی دوره‌ی بزرگ جدیدی در این فیزیک بود که خاستگاه ترکیب فعلی شناخت ما از ذره‌ها و سه برهم کنش قوی، الکترومغناطیسی، و ضعیف است. اما راستی چرا چند نیروی بنیادین وجود دارد؟ علت تعدد نیروها چیست؟ آیا نمی‌توان هر چهار نیروی گرانش، برهم کنش ضعیف، الکترومغناطیس، و برهم کنش قوی را به یک نیروی یکتا تحویل کرد. نظریه‌پردازان بسیاری در عالم علم و فیزیک و فلسفه وجود دارند که خواب چنین وحدتی را می‌بینند. آن‌ها در واقع طرفدار وحدت بخشیدن به تمام موضوعات فیزیکی هستند تا با این کار به بیان بیش‌ترین چیزها به کمک کم‌ترین قوانین و فرضیه‌ها بپردازند. وحدت بخشی ملازمه دارد با ترکیب، و درست همین ترکیب در این آخرین دوره‌ی تحول فیزیک ذرات که در آن قرار داریم هدف دانشمندان است. در این ترکیب نقش تقارن‌ها بسیار پررنگ می‌شود. تقارن ویژگی هندسی چشم‌گیری است. مثلاً بدن انسان در دو نیمه‌ی چپ و راست متقارن است. آن‌چه در چپ وجود دارد در راست نیز وجود دارد. در عالم فیزیک برای چنین حالتی که به آن تقارن می‌گوییم نیازمند تعریفی دقیق به زبان ریاضی هستیم. در این‌جاست که نیاز به تبدیلی پیدا می‌شود که هرگاه به عنوان یک عملگر روی هر قسمتی از سیستم عمل کرد قسمت متناظری از همان سیستم را به دست دهد بدون آن‌که نتیجه‌ای خارج از سیستم به دست آید، که در این حال می‌گوییم سیستم، متقارن است. در فیزیک ذرات، تقارن نه نقشی ایستا و انفعالی که نقشی پویا و خلاق دارد. به زبان ساده‌تر و تمثیلی می‌توانیم بگوییم عمل تبدیل گفته شده در مورد تقارن چپ و راست عبارت است از معاوضه‌ی هر آن‌چه در چپ است با هر آن‌چه در راست است. در این حال به چیزی متقارن گفته می‌شود که بر اثر این تبدیل دچار تغییری نشده باشد. آن‌چه در این جا از موضوع تقارن برای ما اهمیت دارد تقارن‌های کوانتومی هستند که در نوع خود انتزاعی‌ترین تقارن تلقی می‌شوند، تقارن‌هایی که تقریباً صرفاً با عمل عمل‌گرهای مربوطه فهمیده می‌شوند. در میان این تقارن‌ها تقارن حالت بیش از همه نظر نظریه‌بازان فیزیک ذرات را به خود جلب کرده و مورد استفاده‌ی آن‌ها قرار گرفته است. علت آن نیز این است که اندیشه‌ی پنهان در پس این اصطلاح آن قدر بزرگ است که می‌توان آن را منشأ نیروهای بنیادین فیزیکی شمرد که هم‌چنین ضامن وحدت بخشیدن به این نیروها نیز هست. در توضیح این امر، نخست لازم است در مورد خودِ تقارنِ حالت بیش‌تر بدانیم. همان گونه که قبلاً هم تلویحاً به آن اشاره شد ذره در فیزیک کوانتومی به وسیله‌ی یک میدان نمایانده می‌شود. این به این معناست که به چندین متغیر که می‌توانند در نقاط مختلف فضا در زمان‌های مختلف کمیت‌های مختلف اتخاذ کنند مقادیر یا کمیت‌های معینی داده می‌شود تا نتیجه‌ی آن ایجاد ذره‌ای مشخص در نقطه‌ای مشخص در زمانی مشخص باشد. این متغیرها دارای ماهیت‌های ریاضی و در نتیجه ارزش‌های گوناگونی هستند. در میان این متغیرهای متعدد، زاویه‌ای وجود دارد که حالت میدان نامیده می‌شود. می‌توان گفت که از نظرگاه فیزیکی، نوعی حالت آگاهی بنیادین همراه این حالت وجود دارد و از این رو این حالت بر تحول میدان هم در فضا و هم در زمان حاکمیت دارد. به عبارت ساده‌تر در صورت نبود حالت برای میدان، گویی میدان در جای خود خواهد خشکید و قادر به جا به جا شدن و تحول یافتن نخواهد بود. حالت را از منظرگاه ریاضی می‌توان به نحو بسیار ساده‌ای تشبیه کرد. از این منظر حالت هم‌ارز زمانی است که توسط عقربه‌ی یک ساعت دیواری که تنها یک عقربه دارد تعیین می‌شود. به این ترتیب می‌توان تبدیلی را تعریف کرد که عبارت باشد از اضافه کردن یا کاستن مقدار ثابتی که آن هم زاویه است و به دلخواه گزینش شده است به این حالت یا از این حالت، درست مثل این که در مثال تشبیهی ساعت کسی قصد جلو بردن یا عقب کشیدن عقربه‌ی ساعت دیواری را داشته باشد. تحقق چنین تبدیلی یا به صورت کلی و یا به صورت محلی است. در حالت کلی، تبدیل بر تمام میدان، همه جا به یک نحو و در یک زمان صورت می‌پذیرد. (این وضعیت مشابه است با این تصمیم که همه به طور هم‌زمان با جا به جا کردن هماهنگ عقربه‌های ساعت‌هایشان آن‌ها را طوری تنظیم کنند که زمان تابستانی را بنمایانند.) میدان در بسیاری از موارد از جمله در مورد یک الکترون نسبت به این تبدیل کلی حالت متقارن است، یعنی ذره در یک حالت فیزیکی، بی تغییر باقی می‌ماند. اما در عوض میدان مربوط به یک الکترون آزاد که دارای برهم کنشی با چیزهای دیگر نیست نسبت به یک تبدیل محلی حالت، که این بار عبارت است از تغییر حالت مستقل گونه‌ی میدان در هر نقطه از فضا و در هر لحظه از زمان، دارای تقارن نیست. در هم ریختگی سازمانی ناشی از اعمال چنین تبدیلی به راحتی قابل تصور است؛ در مثال تشبیهی فوق تصور کنید که ساکنان کشور تصمیم بگیرند که به دلخواه خود در هر لحظه‌ی زمانی در هر نقطه از کشور عقربه‌ی ساعت خود را تغییر دهند. در این حال نمی‌توان امیدی به وجود هماهنگی بین فعالیت‌های ساکنین این کشور داشت. به همین نحو هم کسی نمی‌تواند این تصور را داشته باشد که بتواند میدانی را نسبت به تبدیل محلی حالت متقارن سازد. اما با این همه قوانین الکترودینامیک کوانتمی به عرضه‌ی چنین تقارنی می‌پردازند. این که این امر امکان وقوع می‌یابد به برکت وجود مکانیسم جبران کننده‌ای است که قادر است در هر نقطه‌ی میدان و در هر لحظه از زمان به تصحیح آشفتگی‌ای که متوجه حالت می‌شود بپردازد. این مکانیسم قابل توجه، عبارت است از مکانیسم گسیل و جذب فوتون. چون می‌دانیم مکانیسم گسیل و جذب فوتون منشأ نیرو یا برهم کنش الکترومغناطیسی نیز هست می‌توانیم این استدلال را وارون نماییم. الکترون آزادِ بی برهم کنشی را تصور کنید که به طور منزوی در گوشه‌ای از بقیه جدا مانده است. در این حال چه عاملی می‌تواند باعث شود که این الکترون قادر به درک آثار الکترومغناطیسی شود؟ پاسخ این است: این عامل عبارت است از متقارن کردن میدان نسبت به یک تبدیل محلی حالت. در واقع تنها نحوه‌ی شاد کردن الکترون دادن این آزادی به اوست که ذره‌هایی که دقیقاً دارای ویژگی‌های فوتون هستند را گسیل یا جذب کند. به عبارت دیگر اختراع نیروی الکترومغناطیسی با تعریف مکانیسم منشأ این نیرو و نیز تعریف همه‌ی ویژگی‌های ذره‌ای که حامل این نیروست باعث تحمیل تقارن محلی حالت بر میدان الکترون بی‌بهره از برهم کنش می‌شود.

در راستای همین مطالب در واقع باید گفت خلأی که در نظریه‌ی گلاشو-عبدالسلام-واینبرگ با آن رو به رو می‌شویم کاملاً خالی نیست. به عبارت دیگر این خلأ عبارت نیست از هیچ چیز. در توضیح این حقیقت لازم است مطالبی گفته شود. بنا بر تعریف متعارف، خلأ عبارت است از چیزی (یا هیچ چیزی) که پس از برداشتن هر چیزی باقی می‌ماند. این تعریف متداول، در فیزیک ذرات به این صورت در می‌آید که خلأ عبارت است از آن چه که پس از برداشتن همه‌ی صورت‌های انرژی وابسته به حضور همه‌ی ذره‌ها اعم از الکترون‌ها، فوتون‌ها، کوارک‌ها، نوترینوها، و ... باقی می‌ماند. برداشتن ذره برای ایجاد خلأ در فیزیکِ میدانی عبارت است از خاموش کردن یا فرونشاندن مقدار میدان ذره، و این به این معناست که میدان را به حالت پایین‌ترین انرژی آن برسانیم. مکانیسم هیگز دقیقاً میدانی را در این زمینه دخیل می‌نماید که مقدار آن به ترتیبی که گفته شد پس از برداشتن ذرات در خلأ دقیقاً صفر نمی‌شود. به عبارت دیگر حتی وقتی میدان تماماً خاموش است و هیچ ذره‌ای در میدان با تقریب افت و خیز کوانتومی وجود ندارد خلأ مملو از انرژی‌ای است متناظر با ارزش میانگین میدان مورد بحث که مقداری غیرصفر دارد. میدان هیگز تنها برای این نیست که خلأ را از انرژی مربوط به آن پر نماید. در حقیقت وقتی این میدان به اصطلاح روشن است، یعنی در حالتی از انرژی بالاتری قرار دارد، این میدان به نمایاندن یک ذره نیز می‌پردازد. ذره‌ای که میدان هیگزِ روشن نماینده‌ی آن است ذره‌ی خیلی ویژه‌ای است. جرم آن دقیقاً معلوم نیست اما معلوم است که از نظر الکتریکی خنثی است. علاوه بر این اسپین آن نیز صفر است. به این ترتیب این ذره یک بوزون است که بوزون هیگز نام گرفته است. هیچ آزمایشی تاکنون امکان مشاهده‌ی مستقیم بوزون هیگز را فراهم نیاورده است. اما حقیقت این است که برای این که میدان این ذره خلأ را پر از انرژی نماید لزومی به حضور فیزیکی این ذره وجود ندارد زیرا این میدان حتی در حالت خاموش دارای انرژی‌ای غیر صفر است. این که واقعاً چگونه امکان دارد که میدانی بدون ذره‌ی وابسته به آن میدان در خلأ حضور داشته باشد مسأله‌ای است که هنوز به طور کامل توسط فیزیک‌دانان روشن نشده است، هرچند نتیجه‌ی آن مشهود و غیر قابل انکار است: این که میدان هیگز به خلأ ساختار می‌بخشد. در حضور این خلأ ساختارمند، هر ذره‌ای به طریقه‌ی خاص خود واکنش نشان می‌دهد. مثلاً این خلأ نامتداول بر فوتون تأثیری ندارد، در حالی که از سوی دیگر بیش‌ترِ بقیه‌ی ذرات در مقابل آن حساسند و تحت تأثیر آن هرکدام دائما‌ً در تماس با میدانی دیگر قرار می‌گیرند و به این ترتیب جفتی پیوسته را تشکیل می‌دهند. تعیین کننده‌ی جرم ذرات شدت این جفت شدگی است، یعنی این شدت با ذره‌های مختلف تغییر می‌کند. این مطلب را می‌توان به این گونه بیان کرد که میدان هیگز که خلأ را پر می‌کند حرکت ذره‌ها را ترمز می‌کند و با این ترمز کردن به ذره‌ها جرم می‌بخشد. این توصیفات، شگفت انگیز و تا حدودی غیر عادی به نظر می‌رسند با این حال چاره‌ای جز پذیرش آن‌ها و پذیرش خلأ به صورتی که آن‌ها توصیف می‌کنند نیست، خلأی که نه تنها خالی نیست که پر بودنش هم معمولی نیست و داستانی دارد درست همان گونه که چگونگی وجود ذره‌ها و میدان‌ها ساده نیست و داستان دارد. این داستان‌ها در واقع سرگذشت جهان و کیهان در بستر وجودی آن از لحظه‌ی پیدایشش هستند. ما این را می‌دانیم که کیهان در بحبوحه‌ی انفجاری بزرگ در پانزده هزار میلیون سال قبل پدید آمد. مشاهدات فراوانی در اخترشناسی صورت گرفته است و قوانین و قواعد چندی در کیهان شناسی به وجود آمده است که بر مبنای این داده‌های عملی (رصدی) و نظری ما قادر هستیم این سرگذشت را قدم به قدم بازسازی نماییم و زمان به زمان به عقب بازگردیم. این گونه است که نتیجه گرفته می‌شود که جهان در آغاز بسیار کوچک و داغ و چگال بوده است و پیرو انبساطی که بر آن حادث شد که هم‌چنان نیز ادامه دارد به طور پیوسته بزرگ‌تر و سردتر گردیده است. همین رسیدن به این نقطه‌ی چگال اولیه بوده است که به نظریه‌ی انفجار بزرگ اولیه یا مهبانگ قوام بخشید، انفجاری که هم‌چنین می‌توان تصور کرد که هنوز در حال دادن انرژی برای انبساط بیش‌ترِ ناشی از انفجار است. به هر رو زمان صفر همانا لحظه‌ی زاده شدن جهان در ابتدای این مهبانگ است. دانسته‌ها و شناخته‌های ما این امکان را برای ما فراهم نمی‌سازد که آن قدر عقب برویم که دقیقاً به لحظه‌ی صفر برسیم و بتوانیم تصوری از آن داشته باشیم، بلکه دانسته‌های ما تنها قادر به بازسازی سیل روی‌دادهای بسیار بسیار سریعی است که از لحظه‌ی ده به توان منفی چهل و سه ثانیه پس از مهبانگ رخ داده‌اند. به این ترتیب می‌توانیم نتیجه بگیریم که خلأ، دیرتر از زمان فوق، در حقیقت در لحظه‌ی ده به توان منفی یازده ثانیه پس از زاده شدن جهان، در ساختار ایده‌آل خود متحجر گردید (ساختاری که به عنوان فقدان هیچ چیز می‌شناسیم). قبل از آن زمان، اندازه‌ی خلأ میدان هیگز صفر بود و همه‌ی ذره‌ها بدون جرم بودند. در آن لحظات تفاوتی بین فوتون‌ها و بوزون‌های میانجی وجود نداشت. این امر این نتیجه را به دست می‌دهد که در آن لحظات نیروی الکترومغناطیسی و برهم کنش ضعیف دارای یک شدت و یک برد بودند، و به این ترتیب هر کدام تجلی نیروی واحدی بودند که نام الکتریکی-ضعیف به آن داده شده است. پس از آن هنگامی که دمای کیهانِ در حال انبساط از ده به توان پانزده درجه‌ی کلوین کم‌تر شد دچار تغییر حالت شد درست همان‌گونه که در تشبیه، آب در دمای پایین‌تر از صفر درجه‌ی سانتیگراد تغییر حالت داده و با یخ زدن منجمد می‌شود. در این حال خلأ در ساختار تازه‌ای متبلور شد. میدان هیگز در حالت مینیمم مقدار انرژی خود غیر صفر شد و خلأ را پر نمود و ذره‌هایی را ترمز کرد که مانند بوزون‌های میانجی موفق به کسب جرم شدند. اما به هرحال فوتون سرسختانه به منشأ خود وفادار ماند و جرمش هم‌چنان صفر باقی ماند. بر اثر این تحولات، نیروی الکترومغناطیس و برهم‌کنش ضعیف از هم جدا شدند و این روند تا امروز ادامه یافت به گونه‌ای که این دو نیرو اکنون پیوندی با یک‌دیگر ندارند و تنها آثار خویشاوندی دوری برای آن‌ها باقی مانده است. این پیوند را می‌توان یادگار تقارن گذشته‌ی از دست رفته‌ای در ده یه توان منفی یازده ثانیه پس از زاده شدن جهان دانست، تقارنی که در آن لحظه بر اثر ساختار خلأ در هم شکست و دو باره در نظریه‌ی برقی-ضعیف گلاشو-عبدالسلام-واینبرگ جان گرفت.