Empat Daya Asas
Semua fenomena di alam semesta — daripada epal yang jatuh hingga bintang yang meletup — terhasil daripada empat interaksi asas. Setiap satu mempunyai pembawanya sendiri, jarak jangkauannya sendiri dan kekuatannya sendiri.
Graviti
Daya paling lemah, tetapi paling sejagat. Ia bertindak ke atas segala yang mempunyai tenaga, merentasi jarak yang tidak terhingga — namun ia satu-satunya daya yang belum ada teori kuantumnya.
Graviti ialah satu-satunya daripada empat daya yang dapat dirasai secara langsung dalam kehidupan seharian — kerana ia sentiasa menarik dan terkumpul merentasi jarak kosmik. Elektromagnetisme sepatutnya sama kuat merentasi jarak, tetapi cas positif dan negatif saling meniadakan dalam jirim.
Dalam rangka Model Piawai, graviti tidak dapat dikuantumkan. Graviton dengan spin 2 sepatutnya menjadi pembawa yang sesuai, tetapi teori medan kuantum yang terhasil tidak boleh dinormalkan semula — ia "meletup" pada tenaga tinggi. Graviton kekal hipotesis; had atas jisimnya diperoleh daripada pengukuran gelombang graviti LIGO.
Atas sebab ini, ahli fizik mencari teori graviti kuantum — teori tali dan graviti kuantum gelung adalah calon yang paling dikenali, kedua-duanya tanpa bukti eksperimen.
Elektromagnetisme
Cahaya, kimia, elektronik — semuanya elektromagnetik. Pertukaran foton tanpa jisim bertindak sejauh tidak terhingga dan bertanggungjawab bagi hampir setiap fenomena yang kita lihat dan sentuh dalam kehidupan seharian.
Elektromagnetisme diterangkan oleh Elektrodinamik Kuantum (QED) — teori fizik yang paling tepat pernah diuji. Momen magnet elektron sepadan dengan ramalan sehingga dua belas tempat perpuluhan.
Zarah pembawanya, foton, tidak berjisim dan bergerak pada kelajuan cahaya. Dua cas sejenis saling menolak, dua cas berlainan jenis saling menarik — berbeza dengan graviti, elektromagnetisme boleh bertindak menarik dan menolak, sebab itulah ia hampir selalu diseimbangkan secara makroskopik dalam jirim.
Pemalar struktur halus α ≈ 1/137 (tanpa dimensi) menunjukkan kekuatan gandingan ini. Nilainya adalah salah satu teka-teki besar yang masih belum terjawab dalam fizik — tiada siapa tahu mengapa ia mempunyai nilai tepat sedemikian.
Daya Kuat
Daya terkuat di alam semesta memerangkap Quark dalam proton dan neutron — dan mengikat proton bersama dalam nukleus atom. Ia berfungsi mengikut prinsip yang sama sekali berbeza daripada daya-daya lain: kurungan Quark.
Quark membawa cas warna (merah, hijau, biru — hanya simbolik). Lapan gluon menghantar daya kuat antara mereka. Yang penting: gluon itu sendiri membawa cas warna dan oleh itu berinteraksi antara satu sama lain — berbeza dengan foton, yang tidak membawa cas elektrik.
Ini membawa kepada kurungan: semakin jauh dua Quark dipisahkan, semakin kuat daya itu menjadi — seperti gelang getah. Apabila cukup tenaga, "gelang" itu putus, tetapi bukannya Quark bebas terhasil, pasangan Quark-antiQuark baharu segera terbentuk. Quark bebas tidak wujud di alam semula jadi.
Pada jarak yang sangat dekat (tenaga yang sangat tinggi), Quark pula menjadi hampir bebas — kebebasan asimptotik, yang menyebabkan Gross, Politzer dan Wilczek menerima Hadiah Nobel pada tahun 2004.
Daya Lemah
Daya lemah bertanggungjawab bagi reputan beta radioaktif dan merupakan satu-satunya daya yang boleh menukar jenis zarah (flavour) — dan yang melanggar pariti. Tanpanya, matahari tidak akan bersinar.
Zarah pembawa W± dan Z⁰ sangat berjisim, melebihi 80 GeV/c² — sebab itulah jarak jangkauannya amat kecil (menurut Heisenberg). Jisim ini terhasil melalui mekanisme Higgs: boson W bergandingan dengan medan Higgs dan dengan itu memperoleh inersianya.
Keunikannya: boson W boleh menukar jenis zarah. Semasa reputan beta-minus, Quark bawah ditukar menjadi Quark atas: d → u + W⁻. W⁻ itu kemudian mereput menjadi elektron dan antineutrino. Begitulah hidrogen difusikan menjadi helium di bahagian dalam matahari.
Daya lemah melanggar pariti (simetri kiri-kanan) secara maksimum — ia hanya bergandingan dengan Fermion berkidal. Ini merupakan salah satu penemuan paling mengejutkan dalam fizik zarah (Eksperimen Wu, 1956).