亞里士多德相信宇宙中的所有物質由四種基本元素即土、氣、火和水組成。有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沉的趨勢；浮力，這是指氣和火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。
亞里士多德相信物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊。即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而幾個希臘人，例如德謨克里特，則堅持物質具有固有的顆粒性，而且認為每一件東西都是由大量的各種不同類型的原子組成（原子在希臘文中的意義是「不可分的」）。爭論一直持續了幾個世紀，任何一方都沒有任何實際的證據。但是1803年英國的化學家兼物理學家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結合而成的，這一事實可以用由原子聚合一起形成稱作分子的個體來解釋。然而，直到本世紀初這兩種學派的爭論才以原子論者的勝利而告終。愛因斯坦提供了其中一個重要的物理學證據。1905年，在他關於狹義相對論的著名論文發表前的幾周，他在發表的另一篇文章裡指出，所謂的布朗運動——浮在液體中塵埃小顆粒的無規則隨機運動——可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應。
當時就有人懷疑，這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學三一學院的研究員湯姆孫演示了一種稱為電子的物質粒子存在的證據。電子具有的質量比最輕原子的一千分之一還小。他使用了一種和現代電視顯像管相當類似的裝置：由一根紅熱的金屬細絲發射出電子，由於它們帶負電荷，可用電場將其朝一個塗磷光物質的屏幕加速。電子一打到屏幕上就會產生一束束的閃光。人們很快即意識到，這些電子一定是從原子本身裡出來的。新西蘭物理學家恩斯特·盧瑟福在1911年最後證明了物質的原子確實具有內部結構：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它公轉的一些電子組成。他分析從放射性原子釋放出的帶正電荷的α粒子和原子碰撞會引起偏轉的方式，從而推出這一結論。
最初，人們認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的叫做質子的粒子組成。質子是由希臘文中表達「第一」的詞演化而來的，因為質子被認為是組成物質的基本單位。然而，1932年盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克發現，原子核還包含另外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的質量但不帶電荷。查德威克因這個發現獲得諾貝爾獎，並被選為劍橋龔維爾和基斯學院（我即為該學院的研究員）院長。後來，他因為和其他人不和而辭去院長的職務。一群戰後回來的年輕的研究員將許多已佔據位置多年的老研究員選掉後，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以前發生的；我在這場爭論尾聲的1965年才加入該學院，當時另一位獲諾貝爾獎的院長奈維爾·莫特爵士也因類似的爭論而辭職。
直到大約30年以前，人們還以為質子和中子是「基本」粒子。但是，質子和另外的質子或電子高速碰撞的實驗表明，它們事實上是由更小的粒子構成的。加州理工學院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為夸克。由於對夸克的研究，他獲得1969年的諾貝爾獎。此名字起源於詹姆斯·喬伊斯神秘的引語：「Three quarks for Muster Mark！」夸克這個字應發夸脫的音，但是最後的字母是k而不是t，通常和拉克（雲雀）相押韻。
存在有幾種不同類型的夸克——有六種「味」，這些味我們分別稱之為上、下、奇、粲、底和頂。20世紀60年代起人們就知道前三種夸克，1974年才發現粲夸克，1977年和1995年分別發現底和頂夸克。每種味都帶有三種「色」，即紅、綠和藍。（必須強調，這些術語僅僅是標籤：夸克比可見光的波長小得多，所以在通常意義下沒有任何顏色。這只不過是現代物理學家似乎更富有想像力地命名新粒子和新現象的方式而已——他們不再讓自己受限制於希臘文！）一個質子或中子由三個夸克組成，每個夸克各有一種顏色。一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克；一個中子包含兩個下夸克和一個上夸克。我們可以創生由其他種類的夸克（奇、粲、底和頂）構成的粒子，但所有這些都具有大得多的質量，並非常快地衰變成質子和中子。
現在我們知道，不管是原子還是其中的質子和中子都不是不可分的。問題在於什麼是真正的基本粒子——構成世界萬物的最基本的構件？由於光波波長比原子的尺度大得多，我們不能期望以通常的方法去「看」一個原子的部分。我們必須用某些波長短得多的東西。正如我們在上一章所看到的，量子力學告訴我們，實際上所有粒子都是波，粒子的能量越高，則其對應的波的波長越短。所以，我們能對這個問題給出的最好的回答，取決於我們裝置中的粒子能量有多高，因為這決定了我們能看到的尺度有多小。這些粒子的能量通常用叫做電子伏特的單位來測量。（在湯姆孫的電子實驗中，我們看到他用一個電場去加速電子，一個電子從一個伏特的電場所得到的能量即是一個電子伏特。）19世紀，當人們知道如何去使用的粒子能量只是由化學反應——諸如燃燒——產生的幾個電子伏特的低能量時，大家以為原子即是最小的單位。在盧瑟福的實驗中，α粒子具有幾百萬電子伏特的能量。更晚的時代，我們獲悉如何使用電磁場給粒子提供首先是幾百萬，然後是幾十億電子伏特的能量。這樣我們知道，30年之前以為是「基本」的粒子，事實上是由更小的粒子組成。如果我們利用更高的能量時，是否會發現這些粒子是由更小的粒子組成的呢？這一定是可能的。但我們確實有一些理論上的原因，相信我們已經擁有，或者說接近擁有自然的終極構件的知識。
用上一章討論的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子來描述。這些粒子有一種稱為自旋的性質。考慮自旋的一個方法是將粒子想像成圍繞著一個軸自轉的小陀螺。然而，這可能會引起誤會，因為量子力學告訴我們，粒子並沒有任何輪廓分明的軸。粒子的自旋真正告訴我們的是，從不同的方向看粒子是什麼樣子的。一個自旋為0的粒子像一個點：從任何方向看都一樣〔圖5.1（i）〕。另一方面，自旋為1的粒子像一個箭頭：從不同方向看是不同的〔圖5.1（ii）〕。只有把它轉過一整圈（360°）時，這粒子才顯得一樣。自旋為2的粒子像個雙頭的箭頭〔圖5.1（iii）〕：只要把它轉過半圈（180°），它看起來便一樣。類似地，把更高自旋的粒子轉了整圈的更小的部分後，它看起來便一樣。所有這一切都是這樣的直截了當，但驚人的事實是，把有些粒子轉過一圈後，它仍然顯得不同：你必須使其轉兩整圈！這樣的粒子就說具有1/2的自旋。
圖5.1
宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：自旋為1/2的粒子，它們組成宇宙中的物質；自旋為0、1和2的粒子，正如我們將要看到的，它們在物質粒子之間產生力。物質粒子服從所謂的泡利不相容原理。這是奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利在1925年發現的，他因此而獲得1945年的諾貝爾獎。他是個原型的理論物理學家，有人這樣說，他的存在甚至會使同一城市裡的實驗出毛病！泡利不相容原理是說，兩個類似的粒子不能存在於相同的態中，也就是說，在不確定性原理給出的限制下，它們不能同時具有相同的位置和速度。不相容原理是非常關鍵的，因為它解釋了為何物質粒子，在自旋為O、1和2的粒子產生的力的影響下，不會坍縮成密度非常高的狀態的原因：如果物質粒子幾乎處在相同的位置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會長時間存在於相同的位置。如果世界在沒有不相容原理的情形下創生，夸克將不會形成分離的輪廓分明的質子和中子，進而這些也不可能和電子形成分離的輪廓分明的原子。它們全部都會坍縮形成大致均勻的稠密的「湯」。
直到保羅·狄拉克在1928年提出一個理論，人們才對電子和其他自旋1/2的粒子有了正確的理解。狄拉克後來被選為劍橋的盧卡斯數學教授（牛頓曾經擔任這一教席，目前我擔任這一職務）。狄拉克理論是第一種既和量子力學又和狹義相對論相一致的理論。它在數學上解釋了為何電子具有1/2的自旋，也即為什麼將其轉一整圈不能、而轉兩整圈才能使它顯得一樣。它還預言了電子必須有它的配偶——反電子或正電子。1932年正電子的發現證實了狄拉克的理論，他因此獲得了1933年的諾貝爾獎。現在我們知道，任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。（對於攜帶力的粒子，反粒子即為其自身）。也可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。然而，如果你遇到了反自身，注意不要握手！否則，你們兩人都會在一個巨大的閃光中消失殆盡。為何我們周圍的粒子比反粒子多得多是一個極端重要的問題，我將會在本章的後部分回到這問題上來。
在量子力學中，所有物質粒子之間的力或相互作用都認為是由自旋為整數0、1或2的粒子攜帶。所發生的是，物質粒子——譬如電子或夸克——發出攜帶力的粒子。這個發射引起的反彈，改變了物質粒子的速度。攜帶力的粒子然後和另一個物質粒子碰撞並且被吸收。這碰撞改變了第二個粒子的速度，正如同這兩個物質粒子之間存在過一個力。攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它們的一個重要的性質。這表明它們能被交換的數目不受限制，這樣它們就可以引起很強的力。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，如果攜帶力的粒子本身質量為零，力就是長程的了。因為在物質粒子之間交換的攜帶力的粒子，不像「實」粒子那樣可以用粒子探測器檢測到，所以稱為虛粒子。然而，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，所以我們知道它們存在。自旋為0、1或2的粒子在某些情況下也作為實粒子存在，這時它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現出經典物理學家稱為波動形式，例如光波和引力波的東西。當物質粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時，它們有時就可以被發射出來。（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；但是如果一個電子從另一個電子邊穿過，則可以放出實光子，它作為光波而被我們探測到。）
攜帶力的粒子按照其強度以及與其相互作用的粒子可以分成四個種類。必須強調指出，這種將力劃分成四種是人為的；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——我將在這一章描述這些內容。而關於統一餘下的另一種力即引力的問題將留到以後。
第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一個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，它若不具有兩個特別的性質，我們根本就不可能注意到：它能作用到大距離去，以及它總是吸引的。這意味著，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，單獨粒子之間的非常弱的引力能都疊加起來而產生相當大的力量。其他三種力要麼是短程的，要麼時而吸引時而排斥，所以它們傾向於相互抵消。以量子力學的方法來看待引力場，人們把兩個物質粒子之間的力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子攜帶的。它自身沒有質量，所以攜帶的力是長程的。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——它們使地球圍繞著太陽公轉！實引力子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，以至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10 0億億億億億（在1後面有4 2個O）倍。然而，存在兩種電荷——正電荷和負電荷。同種電荷之間的力是相互排斥的，而異種電荷之間的力則是相互吸引的。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。這樣，由於單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全被抵消了，因此兩個物體之間淨的電磁力非常小。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圍繞著原子的核公轉，正如同引力使得地球圍繞著太陽公轉一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由於交換大量稱作光子的無質量的自旋為1的虛粒子引起的。重複一下，這裡交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個允許軌道轉變到另一個離核更近的允許軌道時，釋放能量並且發射出實光子——如果其波長適當，則作為可見光可被肉眼觀察到，或可用諸如照相底版的光子探測器觀察到。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掉，它也就被吸收了。
第三種力稱為弱核力。它負責放射性現象，並只作用於自旋為1/2的所有物質粒子，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，可與大約100年前麥克斯韋統一電學和磁學相提並論。他們提出，除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們稱作W+（W正）、W-（W負）和Z（Z零），每一個都具有大約100吉電子伏的質量（1吉電子伏為10億電子伏）。溫伯格-薩拉姆理論展現了稱作對稱自發破缺的性質。這意味著，在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上發現都只是同一種粒子處於不同的狀態。所有這些粒子在高能量下都有相似的行為。這個效應和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能量下（當這輪子轉得很快時），這球的行為基本上只有一個方式——即不斷地滾動著。但是隨著輪子變慢下來，球的能量減小，最終球就陷到輪子上的37個槽中的一個裡去。換言之，在低能下球可以存在於37種不同的狀態。如果由於某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會以為存在37種不同類型的球！
在溫伯格·薩拉姆理論中，當能量遠遠超過100吉電子伏時，這3種新粒子和光子都以相似的方式行為。但是，大部分正常情況下粒子能量要比這低，粒子之間的對稱被破壞了。W+、W-和Z。得到了大的質量，使之攜帶的力變成非常短程。薩拉姆和溫伯格提出此理論時，很少人相信他們，因為加速器還未強大到將粒子加速到產生實的W+、W-和Z粒子所需的100吉電子伏的能量。但在此後的十幾年裡，在較低能量下這個理論的其他預言和實驗符合得這樣好，使他們和也在哈佛的謝爾登·格拉肖一起獲得1979年的諾貝爾物理學獎。格拉肖提出過一個類似的統一電磁和弱作用的理論。由於1983年在CERN（歐洲核子研究中心）發現了具有被正確預言的質量和其他性質的光子的3個有質量的伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難堪。領導幾百名物理學家作出此發現的卡羅·魯比亞和開發了被使用的反物質儲藏系統的CERN工程師西蒙·范德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎。（除非你已經是巔峰人物，當今要在實驗物理學上留下痕跡極其困難！）
第四種力是強核力。它將質子和中子中的夸克束縛在一起，並將原子核中的質子和中子束縛在一起。人們相信，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。強核力具有一種稱為禁閉的古怪性質：它總是把粒子束縛成不帶顏色的結合體。由於夸克有顏色（紅、綠或藍），人們不能得到單獨的夸克自身。相反，一個紅夸克必須用一串膠子和一個綠夸克以及一個藍夸克連接在一起（紅+綠+藍=白）。這樣的三胞胎構成了一個質子或中子。其他的可能性是由一個夸克和一個反夸克組成的對（紅+反紅，或綠+反綠，或藍+反藍=白）。這樣的結合體構成了稱為介子的粒子。介子是不穩定的，因為夸克和反夸克會相互湮滅，而產生電子和其他粒子。類似地，由於膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子自身。相反，人們所能得到的膠子的團，其疊加起來的顏色必須是白的。這樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。
色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的夸克或膠子，這事實使得將夸克和膠子當作粒子的整個見解看起來有點玄學的味道。然而，強核力還有一種叫做漸近自由的性質，它使得夸克和膠子成為意義明確的概念。在正常能量下，強核力確實很強，它將夸克緊緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，強作用力在高能量下變得弱得多，夸克和膠子的行為就幾乎像自由粒子那樣。圖5.2是一張顯示一個高能質子和一個高能反質子碰撞的照片。
統一電磁力和弱核力的成功，使人們多次試圖將這兩種力和強核力合併在所謂的大統一理論（或GUT）之中。這名字相當誇張：得到的理論並不那麼輝煌，也沒能將全部力都統一進去，因為它並不包含引力。它們也不是真正完整的理論，因為它們包含了許多不能從這理論中預言而必須人為選擇去適合實驗的參數。儘管如此，它們可能是朝著完備的統一理論推進的一步。GUT的基本思想是這樣：正如前面提到的，在高能量下強核力變弱了；另一方面，不是漸近自由的電磁力和弱力在高能量下變強了。在某個非常高的叫做大統一能量的能量下，這3種力都具有同樣的強度，並因此可看成一個單獨的力的不同方面。在這能量下，GUT還預言了自旋為1/2的不同物質粒子（如夸克和電子）也會根本上都變成一樣，這樣導致了另一種統一。
圖5.2 一個質子和一個反質子在高能下碰撞，產生了一對幾乎自由的夸克
大統一能量的數值還知道得不太清楚，可能至少有1000萬億吉電子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量為100吉電子伏的粒子相碰撞，而計劃建造的機器的能量可升到幾千吉電子伏。要建造足以將粒子加速到大統一能量的機器，其體積必須和太陽系一樣大——這在現代經濟環境下不太可能做到。因此，不可能在實驗室裡直接檢驗大統一理論。然而，如同在弱電統一理論中那樣，我們可以檢驗它在低能量下的推論。
其中最有趣的預言是，構成通常物質的大部分質量的質子能夠自發衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。之所以可能，其原因在於，在大統一能量下，夸克和反電子之間沒有本質的不同。在正常情況下一個質子中的三個夸克沒有足夠能量轉變成反電子，由於不確定性原理意味著質子中夸克的能量不可能嚴格不變，其中一個夸克會非常偶然地獲得足夠能量進行這種轉變。這樣質子就要衰變。夸克要得到足夠能量的概率是如此之低，至少要等待100萬億億億年（1後面跟30個0）才能有1次。這比宇宙從大爆炸以來的年齡（大約100億年——1後面跟10個0）要長得多了。因此，人們會認為不可能在實驗上檢測到質子自發衰變的可能性。然而，人們可以觀察包含極大數量質子的大量物質，以增加檢測衰變的機會。（譬如，如果觀察的對象含有1後面跟31個0個質子，按照最簡單的GUT，可以預料在1年內應能看到多於一次的質子衰變）。
人們進行了一系列實驗，可惜沒有得到任何質子或中子衰變的確實證據。有一個實驗是在俄亥俄的莫爾頓鹽礦裡進行的（為了避免其他因宇宙射線引起的會和質子衰變相混淆的事件發生），用了8000噸水。由於在實驗中沒有觀測到自發的質子衰變，因此可以估算出，可能的質子壽命至少應為1000萬億億億（1後面跟31個0）年。這比簡單的大統一理論所預言的壽命更長。然而，一些更精緻的大統一理論預言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質進行檢驗。
儘管觀測質子的自發衰變非常困難，但很可能正由於這相反的過程，即質子，或更簡單地說，夸克的產生導致了我們的存在。它們是從宇宙開初的可以想像的最自然的方式——一夸克並不比反夸克更多的狀態下產生的。地球上的物質主要是由質子和中子，進而由夸克構成。除了少數由物理學家在大型粒子加速器中產生的以外，不存在由反夸克構成的反質子和反中子。我們從宇宙線中得到的證據表明，我們星系中的所有物質也是這樣：除了少數當粒子和反粒子對進行高能碰撞時產生的以外，沒有發現反質子和反中子。如果在我們星系中有很大區域的反物質，則可以預料，在正反物質的邊界會觀測到大量的輻射。許多粒子在那裡和它們的反粒子相碰撞、相互湮滅並釋放出高能輻射。
我們沒有直接的證據，表明其他星系中的物質是由質子、中子還是由反質子、反中子構成，但兩者必居其一，在單一的宇宙中不能有混合，否則，我們又會觀察到大量由湮滅產生的輻射。因此，我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構成；看來，一些星系為物質，而另一些星系為反物質也是難以置信的。
為什麼夸克比反夸克多這麼多？為何它們的數目不相等？這數目有所不同肯定使我們交了好運，否則，早期宇宙中它們勢必已經相互湮滅了，只餘下一個充滿輻射而幾乎沒有物質的宇宙。因此，後來也就不會有人類生命賴以發展的星系、恆星和行星。慶幸的是，大統一理論可以解釋，儘管甚至剛開始時兩者數量相等，為何現在宇宙中夸克比反夸克多。正如我們已經看到的，大統一理論允許夸克變成高能下的反電子。它們也允許相反的過程，反夸克變成電子，電子和反電子變成反夸克和夸克。在極早期宇宙有一時期是如此之熱，粒子能量高到足以發生這些轉變。但是，它為何使夸克比反夸克多呢？原因在於，物理定律對於粒子和反粒子不是完全相同的。
直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個叫做C、P和T的對稱。C（電荷）對稱的意義是，定律對於粒子和反粒子是相同的；P（宇稱）對稱的意義是，定律對於任何情景和它的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）是相同的；T（時間）對稱的意義是，如果你顛倒所有粒子和反粒子的運動方向，系統應回到早先的那樣；換言之，定律對於前進或後退的時間方向是一樣的。1956年，兩位美國物理學家李政道和楊振寧提出弱作用實際上不服從P對稱。換言之，弱力使得宇宙和宇宙的鏡像以不同的方式發展。同一年，他們的一位同事吳健雄證明了他們的預言是正確的。她把放射性原子的核排列在磁場中，使它們的自旋方向一致。實驗表明，在一個方向比另一方向發射出得更多電子。次年，李和楊為此獲得諾貝爾獎。人們還發現弱作用不服從C對稱，即是說，它使得由反粒子構成的宇宙以和我們的宇宙不同的方式行為。儘管如此，弱力似乎確實服從CP聯合對稱。也就是說，如果每個粒子都用其反粒子來取代，則由此構成的宇宙的鏡像和原來的宇宙以同樣的方式發展！然而，1964年，還是兩個美國人——J·W·克羅寧和瓦爾·費茲——發現，在某種稱為K介子的衰變中，甚至連CP對稱也不服從。1980年，克羅寧和費茲最終由於他們的研究而獲得諾貝爾獎。（很多獎是因為顯示宇宙不像我們曾經想像的那麼簡單而授予的！）
有一個數學定理說，任何服從量子力學和相對論的理論必須服從CPT聯合對稱。換言之，如果同時用反粒子來置換粒子，取鏡像還有時間反演，則宇宙的行為必須是一樣的。但是，克羅寧和費茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，並且採用鏡像，但不反演時間方向，則宇宙的行為不相同。所以，如果人們反演時間方向，物理學定律必須改變——它們不服從T對稱。
早期宇宙肯定是不服從T對稱的：隨著時間前進，宇宙膨脹——如果它往後倒退，則宇宙收縮。而且，由於存在著不服從T對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對於將電子變成反夸克，這些力將更多的反電子變成夸克。然後，隨著宇宙膨脹並冷卻下來，反夸克就和夸克湮滅，但由於已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自身。這樣，我們自身之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以至於我們不能知道在湮滅之後餘下的夸克數目，甚至不知是夸克還是反夸克餘下。（然而，如果是反夸克多餘留下，我們可以簡單地把反夸克稱為夸克，夸克稱為反夸克。）
大統一理論不包括引力。在我們處理基本粒子或原子問題時這關係不大，因為引力是如此之弱，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的事實，表明它的所有效應是疊加的。所以，對於足夠大量的物質粒子，引力會比其他所有的力都更重要。這就是為什麼正是引力決定了宇宙的演化的緣故。甚至對於恆星大小的物體，引力的吸引會超過所有其他的力，並使恆星坍縮。我在70年代的工作集中於研究黑洞。黑洞就是由這種恆星的坍縮和圍繞它們的強大的引力場產生的。正是黑洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第一個暗示——亦即尚未成功的量子引力論形態的一瞥。