Non è ancora stata sviluppata una teoria unificata che fornisca una spiegazione coerente di tutti i sistemi fisici, dal mondo dell’infinitamente piccolo, popolato da campi e particelle, a quello cosmologico, dove regna sovrana la gravità. Ci sono però diverse teorie fisiche ciascuna delle quali ha un proprio ambito di validità ed è in grado di descrivere determinate classi di fenomeni. Queste teorie riescono a coesistere perché, in generale, nel contesto in cui il potere predittivo di una è efficacie, sono trascurabili determinati aspetti che necessitano il ricorso a un’altra.

Quando questo non è più vero, ossia quando è necessario trovare una descrizione della realtà che superi due visioni del mondo complementari, si tende verso un cambio di paradigma, una rivoluzione scientifica.

Infografica a:
Il cubo delle teorie: ad ogni vertice del cubo è associata la teoria che corrisponde al valore delle costanti fondamentali indicate dagli assi.

Ognuna di queste teorie è caratterizzata da un numero, cioè una costante, che emerge come quantità fondamentale, ponendo dei limiti intrinsechi alla caratterizzazione dei fenomeni o determinando l’intensità delle interazioni in gioco.

In particolare, queste costanti caratteristiche sono tre: la velocità della luce (c), la costante di Planck (h) e la costante di gravitazione universale (G).

La velocità della luce pone un limite alla velocità con cui qualsiasi cosa può propagarsi nell’universo. Considereremo però, nel caso della velocità della luce, la quantità inversa, ovvero (1/c), per motivi che risulteranno chiari fra poco.

La costante di Planck, invece, è un numero fondamentale che permette di definire la quantità minima di energia che può essere scambiata in un processo fisico e pone un limite invalicabile alla precisione con la quale possiamo conoscere simultaneamente determinate coppie di grandezze fisiche, come posizione e quantità di moto di una particella, secondo il celebre principio di indeterminazione di Heisenberg.

La costante di gravitazione universale determina l’intensità dell’interazione gravitazionale.

Queste costanti, quando sono diverse da zero, provocano uno scostamento teorico dalla meccanica classica di Galileo e Newton. Possiamo considerare le varie combinazioni con cui queste costanti possono essere uguali o diverse da zero, ottenendo 8 possibili teorie (vd. infografica a).

• Meccanica galileiana (cioè classica): Quando 1/c è uguale a zero, significa che c tende all’infinito, ossia non vi è più un limite per la velocità con cui avvengono i fenomeni e spazio e tempo coincidono con quelli newtoniani. Una costante di Planck uguale a zero ci riporta a un mondo classico, in cui l’energia può essere scambiata con continuità e posizione e quantità di moto delle particelle possono essere conosciute con precisione assoluta. G=0, rappresenta un mondo privo di forza di gravità. Questa teoria descrive il moto e l’equilibrio dei corpi macroscopici, con velocità molto inferiori a c.
• Gravitazione universale: solo G è diversa da zero. Riproduce la teoria classica della gravitazione. Riesce a spiegare le orbite dei pianeti con ottima precisione e deriva formalmente dalle leggi di Keplero.
• Relatività ristretta: solo 1/c è diversa da zero, e ciò implica che spazio e tempo non siano entità indipendenti, ma aspetti di un unico ente geometrico: lo spaziotempo. Di conseguenza, misure di lunghezza e intervalli di tempo dipendono dallo stato di moto dell’osservatore: si manifestano così la contrazione delle lunghezze e la dilatazione dei tempi.
• Meccanica quantistica: solo h è diversa da zero, e la natura a livello microscopico diventa incerta e indeterminata. Emergono così fenomeni tipicamente quantistici come la quantizzazione di alcune grandezze fisiche, la dualità onda-particella, il principio di indeterminazione e il carattere probabilistico delle misure sperimentali.
• Teoria quantistica dei campi: 1/c e h sono diverse da zero. Nasce così il concetto di campo quantistico che permea lo spaziotempo, dal quale possono emergere le particelle in forma di quanti. L’interazione tra campi corrisponde alla nostra comprensione delle interazioni fondamentali, gravità esclusa. Questa teoria è alla base del modello standard delle particelle elementari.
• Relatività generale: 1/c e G diverse da zero: è una teoria della gravità e dello spaziotempo. Massa ed energia sono equivalenti, e determinano la geometria di uno spaziotempo che è dinamico e curvo. Grazie alla relatività generale nasce la cosmologia moderna, con la teoria del Big Bang e la predizione dell’esistenza dei buchi neri.
• Gravità quantistica non relativistica: G e h sono diversi da zero. Questa teoria tiene conto degli effetti della gravità sui sistemi quantistici trascurando le correzioni relativistiche.
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  infografica b:
  Il cubo delle teorie in una versione in cui, quando tutte le costanti sono diverse da zero, si ipotizza l’esistenza di una “teoria del tutto”.

  Gravità quantistica/teoria del tutto: tutte le costanti sono diverse da zero. Questa situazione descrive una teoria, che ancora non è stata formulata compiutamente, e che fornisce una descrizione quantistica della gravità. Una teoria di questo genere permetterebbe di indagare cosa accade in luoghi remoti – nel tempo e nello spazio – dell’universo, come durante le prime frazioni di secondo dopo il Big Bang, o al centro dei buchi neri, dove la fisica consolidata smette di fornire predizioni accurate in quanto gli effetti quantistici e relativistici non possono essere mutuamente trascurati. Ci si può spingere oltre e ambire a una teoria che promette di spiegare tutti i fenomeni fornendo un quadro completo delle interazioni fondamentali e dei costituenti dell’universo, compresa una descrizione quantistica della gravità. Per questo alcuni la definiscono in modo altisonante, “teoria del tutto” (vd. Infografica b).