尽管物理学中仍有许许多多的谜团，但至少我们对电和磁的理解似乎相当完整。描述它们的数学——麦克斯韦方程组或量子电动力学——似乎很好地概括了它们的行为，但这两个理论都没有说明电荷到底是什么，它似乎只是粒子的一个基本属性。众所周知，同种电荷之间相互排斥，而异种电荷之间相互吸引，但这是为什么呢？
同位旋
与许多现代物理学一样，这个故事始于维尔纳·海森堡，他的顿悟催生了量子力学。在某个时候，海森堡将他的非凡智慧转向了新发现的中子，他怀疑它与质子的相似性：质子和中子是原子核中的“双胞胎”，它们的质量相差甚微，数量也都差不多，唯一的主要区别是电荷。海森堡想知道这两个粒子是否只是他称为核子的单个粒子的不同状态。
如果质子和中子只是同一个粒子的两种状态，海森堡推断它们可以通过类似于自旋的性质来区分。因此，在1932年，海森堡提出了物质的一个新的基本性质：同位旋。在这个理论中，质子将是同位旋为1/2的“向上”状态，而中子是-1/2的向下状态。通过引入这个新的守恒量，海森堡开始理解质子和中子之间的关系。例如，通过选择它们的相对同位旋，我们可以知道为什么原子核更喜欢具有大致相同数量的中子和质子。但要使同位旋真正发挥作用，它需要解释质子和中子之间最明显的区别：电荷。电荷必须依赖于同位旋，这可能意味着电荷不是一种基本的属性。
快进几十年，我们的粒子对撞机进步了，这导致了一些奇怪的新粒子的发现。这些粒子非常多，以至于物理学家很难理解这个所谓的粒子动物园。但这其中还是有一丝线索，例如有一些粒子质量非常相似，但电荷却非常不同，这与质子和中子的情况非常相似。因此，这些粒子也许只是处于不同状态的单个粒子，它们具有不同的同位旋。此时，同位旋的理论被巩固了，但同位旋与电荷有什么联系仍然不清楚。
超荷
这个谜团后来被物理学家西岛和彦和盖尔曼独立解决了。凝视粒子动物园的深处，他们注意到了另一种模式：似乎有一个粒子家族，它们只能成对产生，这类似于电子和正电子成对出现以保持电荷守恒。但这些新粒子这样做并不是为了电荷、同位旋或其他已知特性的守恒，它暗示了一个全新的守恒量，这是非常奇怪的。
与同位旋遵循常规量子自旋的数学描述一样，这个新属性似乎遵循描述电荷的数学，因此被称之为超荷。西岛和彦和盖尔曼还发现了更深层次的联系，电荷、同位旋和超荷在所有粒子之间紧密相连。事实上，电荷似乎只是同位旋加上一半的超荷。
基本属性的守恒定义了哪些相互作用是可能的，哪些是不可能的。仅靠电荷无法解释在粒子动物园中观察到的相互作用模式和粒子类型。然而，同位旋和超荷在这方面表现得非常好，这表明它们可能比电荷更加基础。但仍然有一个谜题，并非同位旋和超荷的每种组合都是可能的。
最先注意到这一点的是盖尔曼，根据粒子的同位旋和超荷绘制粒子会显示出奇特的几何图案。例如，一些八个粒子的组合会形成六边形，而一组十个粒子形成一个三角形，但缺少底角。这种缺失没什么大不了的，盖尔曼假设它是一个尚未发现的重粒子：Ω重子，它具有正确的同位旋和超荷来填补缺失，这有点像利用元素周期表的规律来预测尚未发现的元素。当Ω被实验物理学家发现时，盖尔曼获得了诺贝尔物理学奖。
同位旋和超荷似乎比电荷更基础，这两个新属性之间的几何关系暗示可能还存在更深层次的物理学。再一次，盖尔曼发现了这一点。他认识到，这些模式实际上是被称为SU(3)的数学对称性的表示。不幸的是，我们无法在这里探讨对称群的细节。但简而言之，盖尔曼意识到，如果核子本身不是基本粒子，而是由更小的成分组成，他就能理解几何对称性了，而这个更小的成分被他称为夸克。
他表明，同位旋和超荷只是反映构成这些粒子之一的不同类型夸克的涌现性质。从1968年在斯坦福直线加速中心的实验开始，夸克现实很快就成了定论。因此，经过所有这些艰苦的思考，事实证明，同位旋和超荷与电荷一样都是一种数学抽象。一定有更深层次的东西存在于夸克和其他基本粒子的核心，它支配着粒子群之间的差异，也支配着电荷。
弱力
电荷的秘密实际上隐藏在最后、最模糊的量子力——弱力中，我们需要考虑它的两个最奇怪的属性。首先，弱力可以将粒子转化为其他粒子，这是其他力所无法做到的。其次，它只适用于左手性的粒子，这正是它与量子自旋联系在一起的原因。
量子自旋的一个后果就是这种称为手性的东西，它是自旋在粒子移动方向上的投影。如果粒子的自旋相对于它们的动量矢量是顺时针的，则粒子可以具有右手手性，反之则是左手手性。只有具有左手手性的粒子才能感受到弱力，例如电子同时具有右手和左手手性，只有左手手性可以发射出一种弱力载体粒子——W玻色子，并在此过程中转化为中微子。
请记住，海森堡曾设想质子和中子是通过同位旋来区分的，我们可以用电子和中微子玩同样的把戏。事实证明，这个新的守恒量的行为与同位旋异常相似，我们称之为弱同位旋。只有左手粒子拥有它，因此它与量子自旋有着密切的联系。弱同位旋实际上是由W玻色子携带的弱力的电荷，为了充分解释弱相互作用，我们需要第二个电荷，它是由Z玻色子所携带。它的作用更像是电荷，使用同样的命名法，我们把它称为弱超荷。
奇怪的是，弱同位旋和弱超荷的混合方式与盖尔曼对这些量的版本完全相同。也就是说，电荷等于弱同位旋加上一般的弱超荷。而且我们知道这些弱版本的同位旋和超荷一定是最基本的，因为它们是基本粒子的特性，不能分解成更小的碎片。同样的原理也适用于夸克所携带的电荷。
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