Qual è la teoria di tutto ciò di cui parlano gli scienziati?

I fisici teorici e quantistici sono a caccia di scoprire la formula matematica che esprima una verità che la maggior parte delle popolazioni indigene del mondo già sapere: esiste un "campo" condiviso che collega tutti e tutto insieme, dalle stelle nel cielo notturno al verme che si fa strada sotto il terra.

I Sioux dicono "Mitakuye oyasin", che significa "tutto è correlato" o "siamo tutti correlati", a seconda della traduzione. Dagli aborigeni in Australia alle tribù Dogon dell'Africa alle tribù Maori della Nuova Zelanda, questi popoli indigeni credono tutti che tutto ciò che possiamo e non possiamo vedere condivida una connessione. Gli scienziati stanno per dimostrarlo nella Teoria del Tutto.

TL; DR (troppo lungo; non letto)

I fisici sono alla ricerca di una grande teoria del campo unificato che descriva la struttura del universo da cui derivano le quattro forze: gravità, elettromagnetismo e nucleare forte e debole weak forze. Sperano di scoprire un'unica equazione che delinei come funziona l'universo collegando tutto insieme in un'unica Teoria del Tutto.

Einstein morì prima di terminare il lavoro sul suo concetto finale - la Teoria del Campo Unificato - che avrebbe fornito una risposta e una connessione tra tutto nell'universo. Ha scritto più di 40 articoli sull'argomento, in parte espressi nella sua Teoria della Relatività Generale dove discute le onde gravitazionali che attraversano l'universo alla stessa velocità della luce viaggi.

Come forse saprai o meno, quell'aspetto della sua teoria si è rivelato corretto nel settembre 2015, quando gli scienziati hanno rilevato e onde gravitazionali misurate con onde luminose che colpiscono la Terra da due buchi neri che si scontrano per unirsi come uno, milioni di anni fa. La comprensione di Einstein lo convinse che tutto nell'universo esisteva a causa di un fondamento geometrico condiviso, comune e semplice.

Come la semplicità della Teoria della Relatività Speciale di Einstein espressa in forma matematica, E = mc², i fisici sperano di trovare un'altra eloquente equazione che colleghi tutto nell'universo a un unico campo universale. Poiché Einstein ha posto le sue idee sul campo unificato nei decenni prima della sua morte nel 1955, i fisici, seguendo le sue orme, cercano ancora un equazione che collega le quattro forze conosciute - gravità, elettromagnetismo e forze nucleari forti e deboli - a quel campo universale, noto anche come il quanto campo. Quella che Einstein chiamava la Teoria del Campo Unificato, i fisici oggi chiamano la "Teoria del Tutto", abbreviata in ToE.

Dall'inizio dell'universo oltre 1,4 miliardi di anni fa, scienziati e fisici hanno identificato quattro forze che, se combinate, fungono da unica fonte di energia dell'universo. Queste quattro forze includono la forza gravitazionale, il potere che attrae gli oggetti sulla Terra; la forza elettromagnetica, che include la luce e si esprime in più bande di frequenza come le singole bande di colori dell'arcobaleno; e le forze nucleari forti e deboli, responsabili degli atomi che compongono tutti gli elementi conosciuti nel cosmo.

La ricerca di ToE di Einstein, e ora di altri fisici teorici e quantistici dalla sua scomparsa 1955, è trovare una formula e un principio matematici che colleghino tutto insieme in modo fondamentale livello. Il pensiero principale di Einstein era dimostrare che le forze elettromagnetiche e gravitazionali non sono altro che due diverse espressioni di un unico campo unificato. I matematici sanno che le formule matematiche esistono in natura, musica e arte, e che la matematica è alla base di ogni cosa in questa realtà fisica che gli esseri umani sperimentano sulla Terra. La caccia è aperta per scoprire una formula matematica che leghi tutto insieme.

Per collegare insieme le quattro forze per spiegare ToE, gli scienziati negli anni '70 hanno prima collegato matematicamente la forza elettromagnetica, che dirige il comportamento della luce e la struttura atomica, alla debole forza nucleare che è alla base del metodo con cui le particelle decadono. Quindi volevano trovare un modo per collegarli alla forza nucleare forte, che combina particelle più piccole come i quark con protoni e neutroni nelle strutture atomiche. Forza gravitazionale hanno lasciato in pace perché non lo fanno ancora hanno una formula per questo, ma si stanno avvicinando viste le osservazioni di settembre 2015.

Il problema è che ogni forza si esprime in modo diverso, e combinarle in un'unica teoria è difficile. Pensala come l'antica favola indiana dei tre ciechi e dell'elefante. Ogni cieco ha toccato una parte diversa del corpo di un elefante, pensando che fosse un oggetto separato. L'uomo che ha toccato la coda ha descritto una corda, l'uomo che ha toccato la gamba ha descritto un pilastro, e così via. Poiché non potevano vedere, non sapevano che l'elefante era un oggetto unico, non separato. I fisici postulano che tutto nasce dal campo unificato, ma semplicemente non hanno trovato la formula matematica che rappresenta coerentemente tutto, comprese le singole espressioni di forza, senza scomporre alla particella livello.

Con la misurazione delle onde gravitazionali nel 2015, gli scienziati potrebbero presto scoprire un equivalente matematico per esprimere la attività della forza gravitazionale, che li mette sulla buona strada per collegare insieme le quattro forze nella Teoria di Qualunque cosa.

Con l'apertura di una nuova finestra sul cosmo mediante la misurazione sia della luce che delle onde gravitazionali, che viaggiare esattamente alla stessa velocità, i fisici teorici potrebbero presto avere una formula gravitazionale che abbia senso in Dito del piede. Ma il problema non è la forza gravitazionale; lo svantaggio risiede nella forza nucleare debole, nel modo in cui i protoni decadono. I teorici hanno combinato con successo le forze deboli ed elettromagnetiche nella teoria elettrodebole, il che suggerisce che entrambi esistono come un'unica collaborazione, ma solo ad alti livelli di energia come all'inizio dell'universo. Tuttavia, l'unione sfortunatamente si dissipa quando l'energia scende al di sotto di un limite specifico stabilito dalla teoria elettrodebole.

I fisici stanno ancora cercando di trovare modi per osservare queste particelle infinitamente piccole e come influenzano il decadimento del protone. Prendiamo ad esempio la scoperta della particella del bosone di Higgs; gli scienziati avevano predetto che esisteva molto prima di scoprirlo, ma non avevano modo di misurarlo fino al 2012 al collisore di adroni del CERN in Svizzera. Da quel momento, gli scienziati hanno anche osservato e verificato l'esistenza di una nuova particella, il pentaquark, nel 2015 anche presso la struttura del CERN.

Una volta che gli scienziati possono osservare e misurare queste e interazioni di particelle più piccole, o trovare nuove particelle che definiscono e quantificano decadimento del protone, potrebbero semplicemente scoprire la formula che spiega tutto su come funziona l'universo, prima piuttosto che dopo.