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La teoria del tutto, chiamata anche TOE dall’inglese theory of everything, è una teoria fisica che cerca una formulazione fisica in grado di unificare tutte e quattro le interazioni fondamentali – gravità, elettromagnetismo, interazione nucleare forte e interazione nucleare debole, talvolta chiamate impropriamente “forze” – con l'obiettivo di raccogliere in un unico quadro concettuale e formalismo matematico tutti i fenomeni fisici dell’universo. Per questo motivo questa teoria viene anche conosciuta come teoria del campo unificato. Tale teoria vuole includere e far conciliare fenomeni microscopici (come la meccanica quantistica) con fenomeni macroscopici (come la relatività generale di Albert Einstein) che al momento sono inconciliabili matematicamente. Stephen Hawking, noto matematico, fisico e cosmologo britannico, dedicò parte della sua vita a cercare di descrivere il tutto in una teoria. Della teoria parla l’omonimo film di James Marsh del 2014, La teoria del tutto.
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Da dove nasce l'dea di teoria del tutto
Quando si parla di teoria del tutto si intende un modello capace di spiegare simultaneamente ed interamente tutti i fenomeni fisici. Questo modello presuppone di includere tutte e quattro le interazioni fondamentali della natura: quella gravitazionale, quella elettromagnetica, quella nucleare forte e, infine, quella nucleare debole. Ad oggi, però, la descrizione di una di queste quattro – in particolare della gravità – è inconciliabile con le altre tre.
L’interazione gravitazionale, e in particolare la curvatura dello spazio-tempo, viene descritta da Albert Einstein nella sua relatività generale. Dall’altra parte, la meccanica quantistica descrive bene le altre tre interazioni, quella elettromagnetica, quella forte e quella debole, ma non riesce ad includere la gravità.
Nasce quindi l’idea di cercare di unificare la descrizione dell’universo in un’unica teoria. Questa teoria vuole tentare di spiegare quei fenomeni fisici dell’Universo in cui tutte le forze entrano in gioco con intensità simile, dove quindi non è possibile trascurare uno o più contributi. Ciò non avviene quasi mai sulla Terra, dove possiamo descrivere i fenomeni fisici facilmente ipotizzando nulle alcune delle interazioni, spesso tre su quattro.
L'unificazione di 3 interazioni: debole, forte e elettromagnetica
Il primo step fu quello di unificare due interazioni. Nel 1967-1968 Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam riuscirono ad unificare l'interazione nucleare debole con quella elettromagnetica, chiamandola interazione elettrodebole. Questa forza elettrodebole, a sua volta, riesce a coesiste con la forza nucleare forte per formare quella che è stata chiamata interazione elettronucleare. La gravità, però, rimane fuori da questa unificazione.
La nascita di diverse teorie del tutto
Molti scienziati negli scorsi decenni hanno cercato di elaborare un teoria del tutto, un insieme coerente e completo di leggi fondamentali che spiegano ogni aspetto della realtà con un'unica formulazione. Questa ricerca ha portato alla produzione di una famiglia di teorie interconnesse invece di una singola teoria, e ognuna di queste teorie tenta di descrivere una versione della realtà.
Insomma, non esiste una singola teoria del tutto. Negli anni molti fisici teorici hanno proposto diverse teorie del tutto, nessuna delle quali però è stata mai confermata sperimentalmente.
Questa idea – difficile da accettare anche per molti scienziati – presuppone che la realtà non sia strettamente oggettiva. Si contrappone alla descrizione semplificata della scienza classica in cui le proprietà del mondo sono definite e indipendenti dall’osservatore che le percepisce.
Alcune fra le teorie del tutto più accreditate e conosciute sono la teoria delle stringhe, la teoria M, la supergravità.
La teoria delle stringhe
La prima di queste, la teoria delle stringhe, sostituisce alle particelle puntiformi delle stringhe, oggetti unidimensionali simili a delle corde in grado di vibrare. Queste stringhe vibrano in modo diverso e definiscono le proprietà della materia, come massa e carica elettrica.
La teoria M
Dall'unione della teoria delle stringhe con la supersimmetria – una teoria secondo la quale per ogni bosone (o fermione) corrisponde un secondo bosone (o fermione) della stessa massa – nasce la teoria delle superstringhe. Tale teoria riesce a descrivere anche il comportamento di bosoni e fermioni non inclusi nella teoria precedente. Dall'insieme di 5 diverse teorie delle superstringhe nasce la teoria M.
La supergravità
La supergravità è una teoria che combina la supersimmetria con la relatività generale. Questa teoria include il gravitone, la particella legata alla forza gravitazionale.
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