Изясняването на представата за електрона и останалите частици със спин 1/2 стана едва през 1928 г., когато Пол Дирак, който впоследствие бе избран за Лукасова професура по математика в Кеймбридж (същата професура, заемана някога от Нютон, а сега и от мен), предложи една теория. Теорията на Дирак беше първата, която е в съгласие както с квантовата механика, така и със специалната теория на относителността. Тя обясни по математически път защо електронът има спин 1/2, т.е. защо не изглежда по един и същ начин, когато го завъртим на един пълен оборот, а трябва да го завъртим на два пълни оборота. Освен това тя предсказа, че електронът трябва да има партньор: антиелектрон или позитрон. Откриването на позитрона през 1932 г. потвърди теорията на Дирак и му донесе Нобелова награда за физика за 1933 г. Ние вече знаем, че всяка частица има своя античастица, с която може да анихилира. (В случая с частици, пренасящи взаимодействие, античастиците са същите като самите частици.) Възможно е да съществуват цели антисветове и антихора от античастици. Но ако срещнете своя анти-аз, не му подавайте ръка! И двамата ще изчезнете в огромно огнено кълбо!
Въпросът, защо частиците са толкова повече от античастиците около нас, е изключително важен и аз ще се върна на него по-нататък в тази глава.
В квантовата механика силите или взаимодействията между материалните частици се носят от частиците с цял спин — 0, 1 или 2. Всъщност материалната частица — например електрон или кварк — излъчва частица, пренасяща взаимодействие. Отскокът в резултат на това излъчване променя скоростта на материалната частица. Тогава частицата, пренасяща взаимодействие, се сблъсква с друга материална частица и бива погълната. Това сблъскване променя скоростта на втората частица, също както ако между двете материални частици действаше сила.
Съществено свойство на частиците, пренасящи взаимодействие, е, че те не се подчиняват на принципа за забраната на Паули. Това значи, че техният брой, който може да бъде обменян, не е ограничен и поради това те могат да породят силно взаимодействие. Ако обаче частиците, пренасящи взаимодействие, имат голяма маса, това ще затрудни образуването и обмена им на голямо разстояние. Поради това взаимодействията, които те носят, ще са само с малък обсег. От друга страна, ако частиците, пренасящи взаимодействие, нямат собствена маса, взаимодействията ще бъдат с голям обсег. Частиците, носещи взаимодействие, обменяни между материални частици, се наричат виртуални, тъй като за разлика от „реалните“ те не могат да бъдат непосредствено регистрирани с Детектор на частици. Но ние знаем, че те съществуват, защото имат измеряем ефект: те пораждат взаимодействия между материалните частици.
Частиците със спин 0, 1 или 2 понякога съществуват и като реални частици и могат да бъдат директно регистрирани с детектор. Тогава те се явяват във вид на нещо, което класикът-физик би нарекъл вълна — например като светлините или гравитационните вълни. Понякога те се излъчват при взаимодействието между материални частици, при обмен на виртуални частици, пренасящи взаимодействие. (Например електрическата сила на отблъскване между два електрона се дължи на обмен на виртуални фотони, които никога не могат да бъдат непосредствено регистрирани с детектор; но когато един електрон прелита край друг, могат да се освободят реални фотони, които регистрираме като светлинни вълни.)
Частиците, пренасящи взаимодействие, могат да се групират в четири категории в зависимост от големината на взаимодействието, което носят, и частиците, с които взаимодействат. Трябва да отбележим, че това деление на четири групи е изкуствено: то е удобно при разработването на частни теории, но може и да не отговаря на нещо по-сериозно. В крайна сметка повечето физици се надяват да открият една единна теория, която да обясни четирите сили като различни прояви на една-единствена сила. Всъщност мнозина биха казали, че това е главна цел на физиката днес. Наскоро бяха направени успешни опити да се обединят три от четирите групи взаимодействия и аз ще ги опиша в тази глава. Въпросът за обединяването на останалата категория — гравитацията — ще оставим за по-нататък.