Até 1956, acreditava-se que as leis da física obedeciam a três simetrias separadas, designadas C, P e T. A simetria C significa que as leis são as mesmas para partículas e antipartículas. A simetria P significa que as leis são as mesmas para qualquer situação e a sua imagem num espelho (a imagem num espelho de uma partícula rodando sobre si mesma num sentido é a de uma partícula que gira no outro sentido). A simetria T significa que, se invertermos o sentido do movimento de todas as partículas e antipartículas, o sistema deveria voltar a ser o que era nos seus primórdios; por outras palavras, as leis são as mesmas para diante e para trás no tempo.
Em 1956, dois físicos americanos, Tsung-Dao Lee e Chen Ning Yang, sugeriram que a força fraca não obedece :, à simetria P. Por outras palavras, a força fraca faria com que o universo se desenvolvesse de um modo diferente da sua imagem no espelho. No mesmo ano, uma colega, Chien-Shiung Wu, provou que esta teoria estava correcta. Ela conseguiu-o alinhando núcleos de átomos radioactivos num campo magnético de modo a ficarem todos a girar sobre si mesmos no mesmo sentido, e mostrou que os electrões eram produzidos mais num sentido do que no outro. No ano seguinte, Lee e Yang receberam o prémio Nobel. Descobriu-se também que a força fraca não obedecia à simetria C. Ou seja, originaria um universo composto de antipartículas que se comportaria de maneira diferente da do nosso Universo. Não obstante, parecia que a força fraca obedecia realmente à simetria composta CP. Ou seja, o universo desenvolver-se-ia da mesma maneira que a sua imagem num espelho se, além disso, cada partícula fosse trocada pela sua antipartícula! Contudo, em 1964, mais dois americanos, J. W. Cronin e Val Fitch, descobriram que mesmo a simetria CP não se verificava no decaimento de certas partículas chamadas mesões K. Cronin e Fitch acabaram por receber o prémio Nobel em 1980. (Muitos prémios têm sido concedidos por se mostrar que o Universo não é tão simples como poderia pensar-se! )
Há um teorema matemático que afirma que qualquer teoria que obedeça à mecânica quântica e à relatividade tem sempre de obedecer à simetria composta CPT. Por outras palavras, o universo teria de comportar-se da mesma maneira, se substituíssemos as partículas por antipartículas, tomássemos a sua imagem no espelho e ainda se invertêssemos o sentido do tempo. Mas Cronin e Fitch demonstraram que, se substituíssemos partículas por antipartículas e se considerássemos a imagem no espelho, mas não invertêssemos o sentido do tempo, o universo *não* se comportaria da mesma maneira. As leis da física, portanto, devem :, alterar-se quando se inverte o sentido do tempo -- não obedecem à simetria T.
Certamente que o Universo primitivo não obedece à simetria T: à medida que o tempo passa, o Universo expande-se; se andasse para trás, o Universo ter-se-ia contraído. E, como existem forças que não obedecem à simetria T, segue-se que, enquanto o Universo se expande, essas forças podem provocar que mais positrões se transformem em quarks do que electrões em antiquarks. Como o Universo se expandiu e arrefeceu, os antiquarks e os quarks aniquilaram-se e como havia mais quarks do que antiquarks, restou um pequeno excesso de quarks. São eles que constituem a matéria que hoje vemos e da qual nós próprios somos feitos. Assim, a nossa existência real podia ser considerada como confirmação das teorias da grande unificação embora apenas de uma forma qualitativa; as incertezas são tais que é impossível predizer o número de quarks que sobreviveriam à aniquilação ou até se o que restaria seriam quarks ou antiquarks. (Se, no entanto, o excesso fosse de antiquarks, teríamos muito simplesmente chamado quarks aos antiquarks e vice-versa).
As teorias da grande unificação não incluem a força da gravidade. Isto não tem muita importância, porque a gravidade é uma força tão fraca que os seus efeitos podem geralmente ser desprezados quando lidamos com partículas elementares ou átomos. Contudo, o facto de ser de longo alcance e sempre atractiva significa que todos os seus efeitos se juntam. Portanto, pata um número suficientemente grande de partículas de matéria, as forças gravitacionais podem dominar todas as outras forças. É por isso que a gravidade determina a evolução do Universo. Mesmo para objectos do tamanho de estrelas, a força atractiva da gravidade pode vencer todas as outras forças e fazer com que a estrela sofra um colapso. O meu trabalho nos anos 70 incidiu nos buracos negros que podem resultar desses :, colapsos estelares e dos campos gravitacionais que os rodeiam. Foi isso que levou aos primeiros indícios de como as teorias da mecânica quântica e da relatividade geral podiam influenciar-se uma à outra um vislumbre de uma teoria quântica da gravidade ainda por encontrar.
A primeira categoria é a força de gravitação. Esta força é universal, ou seja, todas as partículas a sentem, conforme a sua massa ou energia. A gravidade é, de longe, a mais fraca das quatro forças; é tão fraca que nem daríamos por ela, se não fossem duas propriedades especiais: pode agir a grandes distâncias e é sempre atractiva, o que significa que as forças de gravitação fraquíssimas que actuam entre as partículas individuais em dois corpos grandes, como a Terra e o Sol, podem somar-se para produzir uma força significativa. As outras três forças são ou de curto alcance, ou por vezes atractivas e por vezes repulsivas, tendendo a anular-se. Segundo a maneira como a mecânica quântica encara o campo gravitacional, a força entre duas partículas de matéria é representada como sendo transportada por uma partícula de spin 2, chamada gravitão. Este não tem massa própria, de modo que a força que transmite é de longo alcance. A força gravitacional entre o Sol e a Terra é atribuída à troca de gravitões entre as partículas que constituem estes dois corpos. Embora as partículas permutadas sejam virtuais, produzem realmente um efeito mensuráveclass="underline" fazem com que a Terra orbite em torno do Sol! Os gravitões reais provocam aquilo a que os físicos :, clássicos chamariam ondas gravitacionais que são muito fracas e tão difíceis de detectar que nunca foram observadas.
A categoria seguinte é a força electromagnética, que interactua com partículas carregadas de electricidade como os electrões e os quarks, mas não com partículas sem carga, como os gravitões. É muito mais forte que a força de gravitação: a força electromagnética entre dois electrões é de cerca de um milhão de milhões de milhões de milhões de milhões de milhões de milhões (1 seguido de quarenta e dois zeros) de vezes maior do que a força de gravitação. Contudo, há duas espécies de carga eléctrica: positiva e negativa. A força entre duas cargas positivas é repulsiva, tal como a força entre duas cargas negativas, mas entre uma carga negativa e uma carga positiva a força é atractiva. Um corpo grande, como a Terra ou o Sol, contém quase o mesmo número de cargas positivas e negativas. Assim, as forças atractivas e repulsivas entre partículas individuais quase que se anulam e há pouquíssima força electromagnética disponível. No entanto, nas pequenas escalas dos átomos e das moléculas, as forças electromagnéticas dominam. A atracção electromagnética entre electrões de carga negativa e protões de carga positiva no núcleo obriga os electrões a orbitarem em torno do núcleo do átomo, tal como a atracção gravitacional obriga a Terra a girar à volta do Sol. A atracção electromagnética é vista como sendo causada pela troca de grande número de partículas virtuais sem massa, de spin 1, chamadas fotões. De novo, os fotões trocados são partículas virtuais. Contudo, quando um electrão transita de uma órbita possível para outra [também permitida] mais próxima do núcleo, é libertada energia e é emitido um fotão real que pode ser observado pela vista humana como luz visível, se tiver o comprimento de onda certo, ou por um detector de fotões como um filme fotográfico. Da mesma maneira, se um :, fotão real colidir com um átomo, pode deslocar um electrão de uma órbita mais próxima do núcleo para outra mais afastada. Isto gasta a energia do fotão, que é absorvido.