De la începutul secolului al XX-lea, fizicienii au recunoscut patru forțe fundamentale, sau interacțiuni, care cuprind toate fenomenele cunoscute din natură. Trei din patru au fost caracterizate riguros și matematic de Modelul Standard, formulat la începutul anilor 20. Cele patru forțe sunt forța nucleară puternică (cunoscută și ca forță de culoare), forța nucleară slabă (mediază dezintegrarea beta), forța electromagnetică și gravitația.
La energii foarte mari, forța nucleară slabă și forța electromagnetică se unesc (încep să se comporte interschimbabil), în timp ce la forțe încă mai mari, se crede că forța puternică se unește cu cea electroslabă și, în cele din urmă, forța puternic-electroslabă se unește cu gravitația. Se crede că toți patru au fost uniți la o clipă după Big Bang, în primele etape ale formării universului.
Forța nucleară puternică ține împreună protonii și neutronii în nucleul atomic. Mai precis, este mediată de schimbul de gluoni între quarci care formează protoni și neutroni. Este de 100 de ori mai puternic decât forța electromagnetică. Când nucleele sunt sparte în reacții nucleare, energia din această forță este eliberată. Descrisă de teoria fizicii numită cromodinamică cuantică, își pierde toată puterea la distanțe mult mai mari decât nucleul atomic.
Forța electromagnetică este cea cu care oamenii sunt cel mai familiarizați și este responsabilă pentru toate reacțiile chimice și pentru cele mai recunoscute proprietăți fizice, cum ar fi lumina. Este mediată de fotoni, care alcătuiesc toată radiația electromagnetică, de la razele cosmice la lumina vizibilă până la unde radio de frecvență extrem de joasă. Atât căldura, cât și lumina sunt formate din fotoni.
Interacțiunile forțelor electromagnetice sunt determinate de sarcina electrică. Motivul pentru care oamenii nu cad printr-un scaun în timp ce stau pe el este că sarcina negativă a învelișurilor de electroni atomici care formează corpul este respinsă de sarcina negativă a învelișurilor de electroni care formează scaunul. Undele fotonice se diminuează în putere în funcție de pătratul distanței sursei lor.
Forța nucleară slabă este responsabilă pentru o gamă relativ mică de interacțiuni fundamentale. Mediază dezintegrarea beta, ceea ce se întâmplă atunci când un neutron se descompune într-un proton și un electron sau pozitron. Mediat de bosonii W și Z, este de aproximativ o sută de miliarde de ori mai slab decât electromagnetic. Funcționează doar pe distanțe scurte.
Gravitația este cea mai slabă dintre toate forțele, dar cea mai răspândită din univers, deoarece este generată de toate corpurile cu masă. Gravitația este de 1036 de ori mai slabă decât forța electromagnetică, ceea ce face dificilă analiza matematică. Particulele despre care se crede că mediază gravitația – gravitonii – nu au fost încă detectate. Gravitația este, de asemenea, distinctă de celelalte forțe prin faptul că nu a fost încă integrată cu celelalte într-un mod riguros matematic. Fizicienii au căutat o teorie care să unifice gravitația cu celelalte forțe de aproape un secol, fără noroc până acum.