In fisica la teoria del tutto, conosciuta anche come TOE (acronimo dell'inglese theory of everything), è un'ipotetica teoria fisica in grado di spiegare e riunire in un unico quadro tutti i fenomeni fisici conosciuti. Presupposto minimo di tale teoria è l'unificazione di tutte le interazioni fondamentali.
Inizialmente il termine fu usato con connotazione ironica per riferirsi alle varie teorie supergeneralizzate, anche in ambito fantascientificoPer esempio un bisnonno di Ijon Tichy, personaggio di una serie di storie di fantascienza di Stanisław Lem degli anni sessanta, era al lavoro sulla "Teoria Generale del Tutto". Per quanto riguarda la letteratura tecnica, il fisico John Ellis afferma di averlo introdotto in un articolo della rivista Nature nel 1986. Nel tempo il termine si affermò nelle popolarizzazioni della fisica quantistica per descrivere una teoria che avrebbe unificato tutte le interazioni fondamentali della natura, nota anche come teoria del campo unificato.
Ci sono state molte teorie del tutto proposte dai fisici teorici nell'ultimo secolo, ma nessuna è stata confermata sperimentalmente. Il problema principale nel produrre una tale teoria è quello di rendere compatibili le due teorie fisiche fondamentali accettate, la meccanica quantistica e la relatività generale, attualmente inconciliabili.
Precedenti storici Laplace suggerì che un intelletto sufficientemente potente potrebbe, se conoscesse la velocità e la posizione di ogni particella in un dato istante, assieme alle leggi della natura, calcolare la posizione di ogni particella in un altro istante:
Anche se la meccanica quantistica moderna suggerisce che l'incertezza è inevitabile, una "singola formula" potrebbe comunque esistere.
Dalla Grecia antica a Einstein Dai tempi dell'antica Grecia, i filosofi hanno congetturato che l'apparente diversità della realtà nasconda un'unità intrinseca e quindi che la lista delle forze potrebbe essere breve, anzi potrebbe contenere un singolo elemento. Per esempio la filosofia meccanica del XVII secolo assumeva che tutte le forze potrebbero in definitiva venire ridotte a forze di contatto tra piccole particelle solide.ad es. Questa teoria fu abbandonata dopo l'accettazione della forza di gravità a lunga distanza di Isaac Newton; ma nello stesso tempo, il lavoro di Newton nei suoi Principia fornì la prima forte prova empirica per l'unificazione di forze apparentemente distinte: gli esperimenti di Galileo sulla gravità terrestre, le leggi del movimento planetario di Keplero e il fenomeno delle maree furono tutti spiegati qualitativamente da una singola legge della gravitazione universale.
Nel 1820, Hans Christian Ørsted scoprì una connessione tra elettricità e magnetismo, attivando decenni di lavoro che culminarono nella teoria dell'elettromagnetismo di James Clerk Maxwell. Anche durante il XIX secolo e l'inizio del XX secolo divenne gradualmente evidente che molti esempi di forze comuni — forze di contatto, elasticità, viscosità, attrito, pressione — risultavano da interazioni elettriche tra le più piccole particelle della materia. Alla fine degli anni venti, la nuova meccanica quantistica mostrò che i legami chimici tra gli atomi erano esempi di forze elettriche (quantistiche), giustificando la millantata affermazione di Dirac che "le leggi fisiche alla base, necessarie per la teoria matematica di gran parte di fisici e la totalità della chimica sono quindi completamente conosciute".P.A.M. Dirac, Quantum mechanics of many-electron systems, Proc. Royal Soc. London, Series A, volume 123, pagina 714, 1929
Tentativi di unificare la gravità con l'elettromagnetismo vengono datati almeno agli esperimenti di Michael Faraday del 1849–50.M. Faraday, Experimental Researches in Electricity. Twenty-Fourth Series. On the Possible Relation of Gravity to Electricity, Abstracts of the Papers Communicated to the Royal Society of London, volume 5, pagine 994-995, 1850. Dopo che la teoria della gravità di Albert Einstein (relatività generale) venne pubblicata nel 1915, la ricerca di una teoria del campo unificato che combinasse la gravità con l'elettromagnetismo cominciò a rendersi seria. All'epoca sembrava plausibile che non esistessero altre forze fondamentali. I principali contributori furono Gunnar Nordström, Hermann Weyl, Arthur Eddington, Theodor Kaluza, Oskar Klein e più notoriamente i molti tentativi fatti da Einstein e dai suoi collaboratori. Nei suoi ultimi anni, Albert Einstein fu intensamente occupato a trovare una tale teoria unificatrice.
Con la relatività ristretta e generale, Einstein teorizzò che nello stesso spazio-tempo, dove si manifestano campo elettromagnetico e campo gravitazionale, dovesse essere formulata una teoria del campo unificato in grado di conciliare il campo elettromagnetico, non ancora descritto in termini geometrici, con il campo gravitazionale, descritto come una variazione della geometria dello spazio-tempo circostante.
Einstein stesso suggerì che la relatività generale non era una teoria ultima e che un percorso verso una teoria del campo unificante era lo studio delle proprietà geometriche dello spazio-tempo, luogo comune del campo elettromagnetico e gravitazionale, e l'estensione a n dimensioni di questa costruzione geometrica, possibile e ancora incompiuta nel suo potenziale di fisica teorica e sperimentale. Tale spazio-tempo ha queste caratteristiche: geometria euclidea applicabile localmente nell'intorno infinitesimale di ogni punto, definibile la direzione del segmento e la conservazione dell'angolo, quindi le linee parallele, non è definibile il parallelogramma, da cui si deduce uno spazio in linea retta con i segmenti paralleli a due a due. In questa costruzione, è definibile una forza (con direzione e verso, intensità), ma non potendosi costruire un parallelogramma per la loro composizione, risulta chiaro che l'unificazione di teoria elettromagnetica e gravitazionale deve essere operata con la nozione di campo, più ampia di quella di forza.
Nessuno di questi tentativi si rivelò però di successo..
Nuove scoperte La ricerca di una teoria universale fu interrotta dalla scoperta delle forze nucleari forte e debole, che non potevano essere incluse né nella gravità né nell'elettromagnetismo. Un ulteriore ostacolo fu l'accettare che la meccanica quantistica dovesse essere incorporata dall'inizio, anziché emergere come conseguenza di una teoria deterministica unificata, come aveva sperato Einstein. La gravità e l'elettromagnetismo possono pacificamente coesistere come elementi in una lista di forze newtoniane, ma per molti anni sembrò che la gravità non potesse nemmeno essere incorporata nella struttura quantistica, e che quindi dovesse rimanere isolata seppur unificata alle altre forze fondamentali.
Per questa ragione il lavoro di unificazione per gran parte del XX secolo, si incentrò sulla comprensione delle tre forze "quantistiche": elettromagnetismo e le forze nucleari debole e forte. Le prime due furono unificate nel 1967–68 da Sheldon Glashow, Steven Weinberg, e Abdus Salam come "forza elettrodebole".ad es. Le forze forte ed elettrodebole coesistono pacificamente nel modello standard della fisica particellare, ma rimangono distinte. Diverse teorie della grande unificazione sono state proposte per unificarle. Anche se le più semplici di tali teorie sono state sperimentalmente escluse, l'idea generale, specialmente in collegamento con la supersimmetria, rimane fortemente favorita dalla comunità dei fisici teorici.
Fisica moderna Nella corrente principale dell'attuale fisica, una Teoria del Tutto unificherebbe tutte le interazioni fondamentali della natura, che sono solitamente considerate essere quattro in numero: gravità, forza nucleare forte, forza nucleare debole e forza elettromagnetica. Siccome la forza debole può trasformare le particelle elementari da un tipo a un altro, la Teoria del Tutto dovrebbe dare una profonda comprensione dei vari tipi di particelle e delle diverse forze. La struttura che collega le varie forze dovrebbe avere la seguente forma:
In aggiunta alle forze qui elencate, la cosmologia moderna potrebbe richiedere forze inflazionarie, energia oscura e anche materia oscura composta di particelle fondamentali fuori dallo schema del modello standard. L'esistenza di queste non è stata provata e ci sono teorie alternative come le teorie MOND. È stata anche ipotizzata l'esistenza di una quinta forza.
L'unificazione elettrodebole è una simmetria rotta: le forze elettromagnetiche e debole appaiono distinte a bassi livelli energetici perché le particelle che portano la forza debole, i bosoni W e Z hanno una massa di circa 80 GeV/, mentre il fotone, che porta la forza elettromagnetica, è senza massa. A livelli energetici elevati i bosoni W e Z possono essere creati facilmente e la natura unificata della forza diviene evidente. Ci si aspetta che la grande unificazione funzioni in modo simile, ma a energie dell'ordine di GeV, molto più grandi di quelle raggiungibili con un qualsiasi acceleratore di particelle sulla Terra. Analogamente, l'unificazione della forza della grande unificazione con la gravità è attesa all'Energia di Planck, circa GeV.
Potrebbe sembrare prematuro mettersi alla ricerca di una teoria del tutto quando non vi è ancora la prova evidente di una forza elettronucleare e mentre vengono ancora proposte tante leggi della grande unificazione (GUT). Infatti il nome suggerisce deliberatamente gli hýbris coinvolti. Ciò nonostante, molti fisici credono che questa unificazione sia possibile, in parte a causa della loro storia passata di convergenza verso una teoria singola. Le grandi unificazioni supersimmetriche sembrano plausibili non solo per la loro "bellezza" teorica, ma perché prevedono naturalmente grandi quantità di materia oscura; la forza inflazionaria può inoltre essere collegata con la fisica della grande unificazione (anche se non sembra formare una parte inevitabile della teoria).
Tuttavia le grandi unificazioni non sono chiaramente la risposta finale. Sia l'attuale modello standard che le grandi unificazioni proposte sono teorie quantistiche dei campi che richiedono l'utilizzo della problematica tecnica della rinormalizzazione per portare a risposte significative. Questo viene solitamente considerato un segno che queste sono soltanto teorie sui campi efficaci, omettendo i fenomeni cruciali che diventano rilevanti soltanto a energie estremamente elevate. Inoltre l'incompatibilità tra la meccanica quantistica e la relatività generale implica che una di esse o entrambe, debbano essere rimpiazzate da una teoria che incorpori la Gravità quantistica.
La principale teoria del tutto è al momento la Teoria delle superstringhe / M-teoria; l'attuale ricerca sulla gravità quantistica a loop potrebbe eventualmente giocare un ruolo fondamentale in una teoria del tutto, ma non è il suo obiettivo principale. Queste teorie cercano di affrontare il problema della rinormalizzazione fissando alcuni limiti inferiori sulle scale di lunghezza possibili. La teoria delle stringhe e la supergravità (entrambe ritenute casi limite della ancora non ben definita M-teoria) suppongono che l'universo abbia effettivamente un numero di dimensioni superiore alle tre dello spazio e una del tempo, che sono intuitive.