基本力

生活中我們能夠察覺到如海水對船的浮力，膠水的黏結力，磁鐵之間的吸力或斥力等。除了這些宏觀世界我們能夠察覺到的力以外，在微觀世界中也存在着這樣或那樣的力。例如分子或原子之間的引力或斥力，原子內的電子和核之間的引力，核內粒子和粒子之間的斥力和引力等。 ^[1]  儘管力的種類如此複雜，但近代科學已經證明，自然界只存在4種基本的力（或稱相互作用），其他的力都是這4種力的不同表現，這4種力是引力、電磁力、強力、弱力。 ^[1] 

引力指存在於任何兩個物質質點之間的吸引力。它的規律首先由牛頓發現，稱之為引力定律，這個定律説：任何兩個質點都相互吸引，這引力的大小與它們的質量的乘積成正比，和它們的距離的平方成反比。 ^[1] 

引力大小的數學表示式為：

^[2] 

其中

和

分別表示兩個質點的質量；

表示它們的距離；

為引力常量，在國際單位制中它的值為

^[1] 

電磁力指帶電的粒子或帶電的宏觀物體間的作用力。兩個靜止的帶電粒子之間的作用力由一個類似於引力定律的庫侖定律支配着。庫侖定律説：真空中兩個靜止的點電荷相斥或相吸，這斥力或吸力的大小

與兩個點電荷的電量

和

的乘積成正比，而與兩電荷的距離

的平方成反比。 ^[1] 

電磁力大小的數學表示式為：

^[1] 

其中

和

分別表示兩個點電荷的電量；

表示它們的距離；

為比例係數，在國際單位制中它的值為

^[1] 

電磁力比引力大得多，例如兩個相鄰質子之間的電力可達到

，是它們之間的萬有引力

的

倍。 ^[1] 

電力和磁力統稱電磁力：運動的電荷相互間除了有電力作用外，還有磁力的相互作用，電荷之間的電磁力是以光子作為傳遞媒介的。磁力實際上是電力的一種表現，電場和磁場之間的關係可由麥克斯韋方程組來表示。 ^[3] 

相互接觸的物體之間的彈力、摩擦力、流體阻力、表面張力以及氣體壓力、浮力、黏結力等都是相互靠近的原子或分子之間的作用力的宏觀表現，因而從本質上説也是電磁力。 ^[1] 

我們知道，在絕大多數原子核內有不止一個質子。質子間的電磁力是排斥力，但事實上核的各個部分並沒有自動飛離，這説明在質子之間還存在一種比電磁力還要強的自然力，正是這種力把原子核內的質子及中子緊緊地束縛在一起。 ^[1]  這種存在於質子、中子、介子等強子之間的作用力稱為強力。 ^[1] 

強力是夸克所帶的“色荷”之間的作用力——色力——的表現，色力是以膠子作為傳遞媒介的。 ^[1] 

強子之間的距離超過約10^-15m時，強力就可以變得很小而忽略不計；小於10^-15m時，強力佔主要的支配地位，而且直到距離減小到大約0.4×10^-15m時它都表現為吸引力，距離再減小，則強力就表現為斥力。 ^[1] 

弱力也是各種粒子之間的一種相互作用，但僅在粒子間的某些反應（如β衰變）中才顯示出它的重要性。弱力是以W⁺,W^-,Z⁰等叫做中間玻色子的粒子作為傳遞媒介的。 ^[1]  它的力程比強力還要短，而且力很弱。兩個相鄰的質子之間的弱力大約僅有10^-2N。 ^[1] 

20世紀60年代，格拉肖、温伯格和薩拉姆在普適弱相互作用理論的基礎上，透過電磁作用和弱作用表觀形態的差異性（如它們的強弱、力程、作用時間分別都不相同），洞察其內在實質的同一性（如它們都是普適性、矢量型相互作用，都呈現為流的形式——電磁作用呈現電磁流、弱作用呈現弱流）。根據楊振寧—米爾斯規範場理論，先後獨立提出電磁作用和弱作用具有統一性的思想，建立弱電統一理論。 ^[4] 

電磁作用是宇稱守恆的，弱作用是宇稱不守恆的。能同時容納它們的是SU(2)×U(1)羣，該羣有4個生成元，3個是SU(2)的，1個是U(1)的。這四個生成元共對應輕子和夸克所帶有的四種弱荷及其生成的四種基本規範場

。自然界中存在一種被稱為希格斯場的標量場。上述四種基本規範場在同希格斯場的相互作用中兩兩重新組合。 ^[4] 

和

組合成兩種帶電的中間矢量玻色子場

和

，它們和帶電粒子構成的弱帶電流相耦合；

和

組合成電磁場

和弱中性場即中性中間矢量玻色子場

，它們和弱帶電流以及由中性粒子構成的弱中性流相耦合。 ^[4]  電磁場

、帶電中間玻色子場

和弱中性場

的量子，依次是可觀察的傳遞電磁相互作用的光子γ、傳遞弱相互作用的帶電中間玻色子

、

和中性中間玻色子

。

場的能量最低的狀態稱為基態，所有在一定範圍的空間中互相重疊的場都處於基態時，對應於該空間範圍的物理真空，它不表現任何釋放能量的物理效應。 ^[4]  1964年，英國物理學家希格斯在量子場論中引入真空對稱性自發破缺的概念：希格斯場的場量為零時，其能量並不最小；場量取某一不為零的量值時，場能最小。在一切場的總能量都達到最小的物理真空態上，希格斯場的場量的真空期望值在某些方向上不為零，物理真空偏離了一切場的場量為零的狀態，從而不再具有SU(2)×U(1)定域規範變換下的不變性，即不再保持SU(2)×U(1)對稱性，這種現象稱為真空對稱性自發破缺。 ^[4] 

希格斯場的場量子是自旋量子數為零的標量粒子，其中具有靜質量的粒子稱為希格斯粒子；沒有靜質量的粒子稱為高德斯通粒子。傳遞弱相互作用的中間玻色子

和

，在真空對稱性自發破缺下與處於基態但場量真空平均值不為零的希格斯場發生相互作用。希格斯場的高德斯通粒子的波函數，轉換成弱場

和

的縱向分量，相當於

、

和

吸收了高德斯通粒子及其運動質量，從而獲得很大的靜質量。 ^[4] 

因為相互作用的力程和傳遞相互作用的規範粒子的質量成反比；並且該規範粒子的質量越大，它所傳遞的作用越弱。故弱作用成為短程作用，有效強度也大大降低。因為電磁作用對應的U(1)規範對稱性沒有真空自發破缺現象，所以不存在與電磁場相互作用的希格斯場，電磁場的量子—光子無從獲得靜質量。電磁作用仍保持長程性和較大強度。 ^[4] 

標準模型是描述強力、弱力及電磁力這3種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。標準模型根據自旋將粒子分為費米子（包括夸克與輕子）和玻色子（包括膠子、光子、W粒子、Z粒子、希格斯粒子）兩大類，根據標準模型的預言，這兩大類粒子共有61個。除了希格斯粒子外，其他粒子均已得到實驗數據的支持和驗證。 ^[5] 

希格斯粒子是標準模型中最後一種待被發現的粒子，自旋為零，具有質量，不帶電荷，非常不穩定。 ^[5]  希格斯玻色子提出於1964年其動機是為了在非阿貝爾規範理論中通過對稱性自發破缺自恰地賦予其他基本粒子以質量。它是粒子標準模型長期缺失驗證的關鍵一環。 ^[6] 

在粒子物理標準模型中，中微子是無質量的基本粒子。 ^[7]  日本物理學家梶田隆章和加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納因發現中微子振盪現象，證明中微子有質量。2001和2002年，加拿大薩德伯裏中微子觀測站(SNO)兩次發表實驗結果，證實太陽中微子振盪。這兩個發現打開了微觀世界新物理的大門，對宇宙和天體的起源與演化也有重大影響。 ^[7]