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泡利不相容原理，這是它的一個重要的性質。這表明它們能被交換的數目不受限制，這樣就可以產生根強的力。然而，如果攜帶力的粒子具有很大的質量，則在大距離上產生和交換它們就會很困難。這樣，它們所攜帶的力只能是短程的。另一方面，如果攜帶力的粒子質量為零，力就是長程的了。在物質粒子之間交換的攜帶力的粒子稱為虛粒子，因為它們不像“實”粒子那樣可以用粒子探測器檢測到。但我們知道它們的存在，因為它們具有可測量的效應，即它們引起了物質粒子之間的力，並且自旋為0、1或2的粒子在某些情況下作為實粒子而存在，這時它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現出為經典物理學家所說的波動形式，例如光波和引力波；當物質粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時，它們有時就可以被髮射出來。（例如，兩個電子之間的電排斥力是由於交換虛光子所致，這些虛光子永遠不可能被檢測出來；但是如果一個電子穿過另一個電子，則可以放出實光子，它以光波的形式為我們所探測到。）
攜帶力的粒子按照其攜帶力的強度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強調指出，將力劃分成四種是種人為的方法；它僅僅是為了便於建立部分理論，而並不別具深意。大部分物理學家希望最終找到一個統一理論，該理論將四種力解釋為一個單獨的力的不同方面。確實，許多人認為這是當代物理學的首要目標。最近，將四種力中的三種統一起來已經有了成功的端倪——我將在這章描述這些內容。而關於統一餘下的另一種力即引力的問題將留到以後再討論。
第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致於若不是它具有兩個特別的性質，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會作用到非常大的距離去，並且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，所有的粒子之間的非常弱的引力能迭加起來而產生相當大的力量。另外三種力或者由於是短程的，或者時而吸引時而排斥，所以它們傾向於互相抵消。以量子力學的方法來研究引力場，人們把兩個物質粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子所攜帶。它自身沒有質量，所以所攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結為構成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實產生了可測量的效應——它們使地球繞著太陽公轉！實引力構成了經典物理學家稱之為引力波的東西，它是如此之弱——並且要探測到它是如此之困難，以致於還從來未被觀測到過。
另一種力是電磁力。它作用於帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強得多：兩個電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億（在1後面有42個0）倍。然而，共有兩種電荷——正電荷和負電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。由於單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負電的電子和帶正電的核中的質子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉，正如同引力使得地球繞著太陽旋轉一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由於稱作光子的無質量的自旋為1的粒子的交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個允許軌道改變到另一個離核更近的允許軌道時，以發射出實光子的形式釋放能量——如果其波長剛好，則為肉眼可以觀察到的可見光，或可用諸如照相底版的光子探測器來觀察。同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動到較遠的軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。
第三種力稱為弱核力。它制約著放射性現象，並只作用於自旋為1／2的物質粒子，而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國學院的阿伯達斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統一理論後，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學界所引起的震動，可與100年前馬克斯韋統一了電學和磁學並駕齊驅。溫伯格——薩拉姆理論認為，除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統稱作重向量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們叫W＋（W正）、W－（W負）和Z0（Z零），每一個具有大約100
