桌子的高度是物理学家所称规范(gauge，或译为量规)的一个简单例子。“规范”这个术语是德国物理学家赫尔曼·韦尔(HermannWeyl)在1929年发明的。当规范从一个地方到另一个地方、从一个时间到另一个时间不断变化时，保持物理定律不变的观点被称为局域规范不变性(localgaugeinvariance)。如台球桌的例子所示，保持局部的规范不变性需要存在补偿力。这就是关键。

以电子为例，保持规范不变性意味着坚持从一个位置到另一个位置、从一段时间到另一段时间，不断地改变电子波函数的相位应该不产生可观测的结果。电子波函数的相位显然是一个比台球桌高度更抽象的数学问题，但就像台球桌例子中那样，维持规范不变性需要补偿力的存在。值得注意的是，这个力原来就是麦克斯韦在19世纪描述的电磁力。

因此，电磁力产生的一系列令人眼花缭乱的现象只不过是局域规范不变性不可避免的结果。从根本上讲，电磁场之所以存在，是因为电荷在空间和时间中重新排列时，这种信息会传递到其他位置，这样就可以保持局域规范不变性。这条新信息是由电磁场携带的，而电磁场是由光子，即电磁场中的扰动组成的。

值得注意的是，即使对电、磁和光子一无所知，但如果知道规范原理后，为了强制电子波函数服从局域规范不变性，我们也能推断出所有这些东西的存在。这一非凡的原理是朱利安·施温格(JulianSchwinger)在20世纪50年代发现的，他是量子电动力学，或者说是电磁力的量子理论的先驱之一。规范原理如此引人注目，人们很自然地推测，这个原理可能是普适的原则。难道服从局域规范不变性不仅是电磁力，而且是所有自然基本力存在的原因吗？

除了电磁力，将自然界基本粒子维系在一起的还有其他三种基本力，我们最熟悉的就是爱因斯坦广义相对论描述的引力。就像电磁学一样，该理论以对称原理为基础：揭示引力，即时空的曲率，如何依赖能量分布的方程使其对每个人来说都有相同的数学形式——无论他们怎样运动或处于什么坐标系中。甚至爱因斯坦早期的狭义相对论也来自对光速不变性的坚持，即光的速度对于所有以恒定速度相对运动的观察者来说都是相同的。事实上，爱因斯坦是第一个认识到对称性在支撑自然基本定律中重要性的人。意大利物理学家吉安·弗朗西斯科·朱迪斯(GianFrancescoGiudice)说：“就像画家渴望在调色板上使用最绚丽的色彩一样，大自然似乎乐于利用一切可能的对称性来表达她的基本法则。”[152]

但是，除了引力之外，由于各种原因，还有另外两种基本力没有人知道如何用量子场论来表述。那就是强核力(strongnuclearforce)和弱核力(weaknuclearforce)，这两种力都只在极小的原子核范围内起作用。

第一个认真思考规范原理不仅是理解电磁力的关键，也是理解强核力和弱核力的关键的人是华裔物理学家杨振宁。马塞尔·普鲁斯特(MarcelProust)写道：“真正的探索之旅不在于发现新的风景，而在于拥有新的视角。”20世纪50年代，杨振宁和美国物理学家罗伯特·米尔斯(RobertMills)合作，以全新的视角观察世界，写下了一个量子场必须遵守的方程，以强制波函数具有更普适的局域规范对称性(localgaugesymmetry)。

杨-米尔斯方程(Yang-Millsequation)揭示了电磁场是可能存在的最简单的规范场。这个场不仅由单一的规范粒子传递，而且这个粒子(光子)不带电荷。由于粒子与电磁场相互作用要有电荷，因此光子不受电磁力的影响。