La Teoria di unificazione dei campi o Teoria del tutto è un’ipotetica teoria fisica che sarebbe in grado di unificare tutte le 4 forze fondamentali (forza nucleare debole, forza nucleare forte, elettromagnetismo e gravità) e spiegare tutti i fenomeni fisici. Questa rimane ancora un’utopia, poiché da tempo la Meccanica quantistica e la Teoria della relatività generale sono risultate inconciliabili, per via di una impossibile rinormalizzazione (perfezionamento delle formule matematiche per evitare infiniti o divergenze) della Teoria della relatività.
L’inizio della lunga storia di questa teoria può essere datato al 1820 con Hans Christian Ørsted che dimostrò come una corrente elettrica creasse un campo magnetico. Successivamente James Clerk Maxwell formulò la Teoria dell’elettromagnetismo, riunendo così l’elettricità e il magnetismo. Nel 1849 ci fu il tentativo di Michael Faraday di riunire la gravità e l’elettromagnetismo, ma non ebbe successo. Agli inizi del XX secolo venne dimostrato come molte forze comuni (forze di contatto, viscosità, pressione, attrito) agiscano tramite forze elettriche. Nel 1915, poi, fu pubblicata la Teoria della relatività generale da parte di Albert Einstein, su cui molti iniziarono a lavorare per riunirla con l’elettromagnetismo. Presto però quest’ultimi studi furono abbandonati per lo studio della Meccanica quantistica e di altre 2 forze fondamentali scoperte da poco, l’interazione nucleare debole e forte. Nel 1967 la forza elettrodebole fu creata dall’unione dell’elettromagnetismo e la forza nucleare debole. Successivamente furono formulate diverse teorie che fanno parte di un insieme detto teoria della grande unificazione, che riunisce la forza elettrodebole con l’interazione nucleare forte, dando origine alla cosiddetta forza elettronucleare.
Da qui in avanti si parlerà solo di ipotesi, poiché non ci sono prove definitive ad accertarle. Come prima deduzione abbiamo la Teoria delle stringhe bosoniche, la più semplice, che implica l’esistenza di 26 dimensioni nello spaziotempo, ma descrive solo il comportamento dei bosoni. Andando avanti furono pensate altre 5 Teorie dette delle superstringhe, poiché supponevano la presenza di Supersimmetria, ipotesi secondo la quale ad ogni bosone corrisponderebbe un fermione (due diversi tipi di particelle elementari). Le 5 Teorie ipotizzavano un universo di 10 dimensioni. Infine c’è la Teoria M, l’ultima mai stata scritta: essa riunisce le 6 teorie precedentemente citate, basandosi inoltre sulla Teoria della gravità a loop (secondo la quale lo spazio e il tempo sono quantizzati) e sulla Teoria di campo della Supergravità, che unisce la Supersimmetria e la Teoria della relatività generale. Essa opera su 11 dimensioni, 10 spaziali e 1 temporale. Può esistere un numero così elevato di dimensioni fisiche grazie al fenomeno della Compattificazione. Prendiamo come esempio uno spaghetto: se visto da vicino questo si presenta nelle sue 3 dimensioni, mentre se lo allontaniamo le dimensioni si compattano e appare invece come una linea unidimensionale.
I concetti alla base di queste teorie unificatrici è il seguente: tutte le particelle sono formate da stringhe, oggetti monodimensionali che possono essere immaginati come cordicelle. Queste ultime possono essere aperte oppure chiuse ad anello ed hanno una dimensione teorica equivalente alla lunghezza di Planck, ovvero 1,62 x 10 elevato alla -35 metri. Le stringhe possono vibrare ed interagire tra di loro, ed è questo l’argomento di studio della Teoria M. Purtroppo, a causa delle grandezze infinitesimali su cui lavora, non abbiamo modo né di verificare né di confutare, e questo problema probabilmente persisterà anche per tecnologie future.
Alcuni fisici si dedicarono invece alla stesura di testi per dimostrare l’inesistenza di una teoria unificante. Tra questi ricordiamo Gödel, con il suo Teorema dell’incompletezza per cui qualsiasi tentativo di riunire tutte le forze è destinato a fallire, e Stephen Hawking, che invece inizialmente era un ricercatore della teoria del tutto. Cito un passo di quest’ultimo: «Alcune persone si arrabbierebbero molto se non dovesse esistere una teoria definitiva, che possa essere formulata come un numero finito di principi. Io appartenevo a quel gruppo di persone, ma ho cambiato idea.»
L’unione delle 4 forze fondamentali, e quindi la creazione di una teoria della gravità quantistica, aiuterebbe enormemente gli scienziati a spiegare molti fenomeni fisici, come i buchi neri e l’universo prima dell’era di Planck (pochi istanti dopo il Big Bang). Con questa conoscenza si potrebbe inoltre determinare l’effetto della gravità su scala atomica. Insomma, sarebbe una scoperta rivoluzionaria che stravolgerebbe la conoscenza sul mondo come lo conosciamo.