W przyrodzie istnieją cztery znane nauce oddziaływania. Są to grawitacja, elektromagnetyzm, oddziaływanie silne oraz słabe. Oddziaływania te często przejawiają się jako siły występujące pomiędzy cząstkami. Na przykład oddziaływanie grawitacyjne odpowiada za siłę przyciągania pomiędzy masami, zaś oddziaływanie elektromagnetyczne za siłę przyciągania lub odpychania pomiędzy ładunkami.
Oddziaływania nazywa się siłami, gdy można podać ich wartość liczbową, będącą miarą oddziaływania. Tak naprawdę siła stanowi tylko szczególny przypadek oddziaływania. Jak się wkrótce okaże, oddziaływania mogą się przejawiać na wiele różnych sposobów, nie tylko jako siły!
Grawitacja, choć zdecydowanie najsłabsza ze wszystkich, jest dla nas najbardziej znajomym oddziaływaniem. Działa na masy, a ponieważ żyjemy w pobliżu wielkiej masy - Ziemi - jest dla nas bardzo ważna. Grawitacja utrzymuje planety na orbicie wokół Słońca, rządzi zachowaniem się galaktyk oraz odpowiada za zachowanie się Wszechświata w wielkiej skali.
Oddziaływanie elektromagnetyczne powoduje, że dociera do nas światło i energia ze Słońca, oraz wiąże atomy w całość, utrzymując elektrony na orbitach wokół jąder. Grawitacja działa na masę, zaś elektromagnetyzm na ładunek elektryczny - w istocie możemy uznać masę za odpowiednik ładunku w przypadku oddziaływania grawitacyjnego. Wszędzie tam, gdzie są ładunki elektryczne, występuje elektromagnetyzm - odpowiada za przekaz energii elektrycznej do naszych domów, za powstawanie obrazu na ekranie telewizora, a także za tworzenie się tak potężnych błyskawic jak ta ...
Oddziaływanie elektromagnetyczne jest również spoiwem wiążącym ze sobą cząsteczki. Mimo że cząsteczki są obojętne, istnieje szczątkowe oddziaływanie elektromagnetyczne, zwane oddziaływaniem van der Waalsa, które słabo utrzymuje je razem. Weźmy na przykład cząsteczki wodoru. Ładunek elektryczny wokół atomów jest spolaryzowany - odpychanie elektromagnetyczne sprawia, że elektrony przemieszczają się w kierunku krańców cząsteczki, zostawiając w pobliżu jej środka pole ładunku dodatniego. Cząsteczki łączą się ze sobą za pomocą przyciągania elektromagnetycznego pomiędzy ujemnym krańcem pola jednej cząsteczki oraz dodatnim środkiem pola innej. Dzieje się tak na skutek polaryzacji ładunku elektrycznego wokół atomów w cząsteczce. Na przykład w cząsteczce wodoru elektrony są odpychane przez oddziaływanie elektromagnetyczne w kierunku krańców, pozostawiając pole ładunku dodatniego w pobliżu środka.
Oddziaływanie van der Waalsa utrzymuje cząsteczki wodoru razem. Zjawisko to czasami nazywa się "oddziaływaniem wodorowym".
Oddziaływania słabe i silne różnią się od dwóch pozostałych w bardzo istotny sposób: działają tylko na niewielkich odległościach i są ograniczone do skali jąder atomowych. Oznacza to, że mniej je znamy z życia codziennego, mimo to jednak są bardzo ważne.
Oddziaływanie silne wiąże ze sobą kwarki, tworząc protony i neutrony, natomiast szczątkowe oddziaływanie silne łączy protony i neutrony, tworząc jądra atomowe - podobnie jak oddziaływanie van der Waalsa spaja ze sobą cząsteczki. "Ładunek" oddziaływania silnego nazywa się kolorem. Występuje w trzech wariantach - czerwonym, niebieskim i zielonym - i jest przenoszony przez kwarki. Wszystkie cząstki zbudowane z kwarków są jednak bezbarwne. Na przykład protony i neutrony zawierają trzy kwarki, po jednym z każdego koloru, i podobnie jak w przypadku prawdziwych kolorów, połączenie ich razem daje kolor biały. Inne cząstki, zwane mezonami, składają się z kwarku i antykwarku. W tym przypadku antykwark niesie "komplementarny" kolor, lub inaczej antykolor, do koloru kwarku, co razem znowu daje biały.
Oddziaływanie silne wiąże kwarki w protony i neutrony. Protony i neutrony z kolei łączą się tworząc jądra za pomocą szczątkowej postaci oddziaływania silnego, czyli zjawiska podobnego do oddziaływania van der Waalsa.
Oddziaływanie słabe odpowiada za promieniotwórczy rozpad beta oraz odgrywa decydującą rolę w procesach produkcji energii w gwiazdach, z naszym Słońcem włącznie. Oddziaływanie słabe działa na pewien rodzaj "słabego ładunku".
Oddziaływanie słabe odgrywa rolę w procesie syntezy termojądrowej, odpowiedzialnej za produkcję energii w gwiazdach.
Nie wszystkie cząstki są obdarzone "ładunkami" związanymi ze wszystkimi typami oddziaływań. Oznacza to, że nie wszystkie doznają wszelkich oddziaływań występujących w przyrodzie. Tabela poniżej pokazuje, jakie własności posiadają cząstki należące do najlżejszego pokolenia...
