Teoria del tot

Una teoria del tot (o ToE per les seues sigles en anglés, Theory of Everything) és una teoria hipotètica de la física teòrica que explicaria i conectaria en un esquema teòric unificat les interaccions físiques fonamentals. Inicialment, el terme es va usar en una connotació irònica, per a referir-se a vàries teories sobregeneralizadas. Despuix es va popularisar en la física quàntica en descriure vàries propostes teòriques que podrien unificar o explicar a través d'un model consistent totes les interaccions fonamentals trobades en teoria quàntica de camps. Atres térmens, no del tot sinònims, amprats per a referir-se al mateix concepte són teoria unificada, gran teoria unificada, teoria de camps unificada i teoria del camp unificat.

Es podria concebre un intelecte que en qualsevol moment donat coneguera totes les forces que animen la naturalea i les posicions dels sers que la componen; si este intelecte fora lo suficientment vast com per a sometre les senyes a anàlisis, podria condensar en una simple fòrmula el moviment dels grans cossos de l'univers i de l'àtom més llauger; per a tal intelecte res podria ser incert i el futur aixina com el passat estarien front als seus ulls.

Pierre-Simon Laplace

El concepte d'una "teoria del tot" està arraïlat en el principi de causalitat i el seu descobriment és l'empresa d'acostar-nos a vore a través dels ulls del dimoni de Laplace. Encara que dita possibilitat pot considerar-se com determinista, en una "simple fòrmula" pot encara sobreviure la física fonamentalment provabilista, com proponen algunes postures actuals de la mecànica quàntica. Açò es deu a que encara si els mecanismes que governen les partícules són intrínsecament azarosos, podem conéixer les regles que governen dit encert i calcular les provabilitats d'ocurrència per a cada event possible. No obstant, atres interpretacions de l'equació de Schrödinger concedixen poca importància a l'encert: este sol es tindria importància dins de l'àtom i es diluiria en el món macroscòpic. Unes atres no obstant la neguen completament i la consideren una interpretació equivocada de les lleis quàntiques. En conseqüència, la major dificultat de descobrir una teoria unificada ha segut harmonisar correctament lleis que governen solament un reduït àmbit de la naturalea i transformar-les en una única teoria que l'explique en la seua totalitat, tant en el seu món micro com a macroscòpic i explique l'existència de totes les interaccions fonamentals: les forças gravitatoria, electromagnètica, nuclear forta i nuclear dèbil.

Durant el XX, va haver numeroses teories del tot propostes per físics teòrics. Fins ara, cap ha segut capaç de superar una prova experimental, han tingut tremendes dificultats per a que les seues teories tinguen resultats experimentals estables. El primer problema en produir una teoria del tot és que les teories acceptades, com la mecànica quàntica i la relativitat general, són radicalment diferents en les descripcions de l'univers: les formes senzilles de combinar-les conduïxen ràpidament a la "renormalización" del problema, en a on la teoria no nos dona resultats finitos per a senyes quantitatives experimentals.

Antecedents històrics

Des dels temps dels antics grecs, els filòsofs han especulat que l'aparent diversitat d'apariències oculta una subjacent unitat, i per lo tant que la llista de les forces pot ser acurtada, de fet que pot tindre una sola entrada. Per eixemple, la filosofia mecànica de el XVII va propondre que totes les forces podrien en últimes reduir-se a una força de contacte entre chicotetes partícules sòlides. Açò es va abandonar despuix de l'acceptació de les forces gravitacionals a llarga distància propostes per Isaac Newton; pero al mateix temps el treball de Newton en el seu Principia varen proveir la primera dramàtica evidència empírica de l'unificació de forces que en eixe moment semblaven diferents: el treball de Galileo en la gravitació terrestre, les lleis de Kepler del moviment planetari i els fenomens de marees varen ser totes cuantitativamente explicades per una simple llei, cridada de la gravitació universal.

En 1820, Hans Christian Oersted va descobrir una conexió entre l'electricitat i el magnetisme; moltes décades de treball varen culminar en la teoria del electromagnetisme de James Clerk Maxwell. També durant els sigles XIX i XX, gradualment varen ser apareixent molts eixemples de forces de contacte, elasticitat, viscosidad, fricció, pressió- resultats de les interaccions elèctriques entre menudíssimes partícules de la matèria. A finals de 1920, la nova mecànica quàntica va mostrar que els enllaços químics entre àtoms eren eixemples de forces elèctriques (quàntiques), corroborant la jactancia de Dirac que «les lleis físiques subjacents necessàries per a una teoria matemàtica per a una gran part de la física i tota la química [ya] són completament conegudes». Es tractava, puix, d'associar dites forces fonamentals en un sol model totalizador que explicara de forma efectiva interaccions complexes de forces aparentment diverses i no correlacionadas.

Els intents d'unificar gravetat en magnetisme es remonten als experiments de 1849-50 de Michael Faraday. Despuix de la teoria gravitatoria (relativitat general) d'Einstein publicada en 1915, la busca d'una teoria del camp unificat que combine gravetat en electromagnetisme es va tornar més séria. Al mateix temps, es va fer plausible el dir que no existien més forces fonamentals. Prominents contribucions varen ser les otorgades per Gunnar Nordstrom, Hermann Weyl, Arthur Eddington, Theodor Kaluza, Oskar Klein, i la més notable donada per Einstein i els seus colaboradors. Cap d'estes propostes va tindre èxit.

La busca va ser interrompuda pel descobriment de les forces dèbil i forta, que no podien ser agregades dins de la gravetat o l'electromagnetisme. Un atre obstàcul va ser l'acceptació que la mecànica quàntica va tindre que ser incorporada des de l'inici, no va emergir com una conseqüència de la determinista teoria unificada, com Einstein esperava. Gravetat i Electromagnetisme poden sempre coexistir pacíficament com a tipos de forces de Newton, pero per molts anys s'ha observat que la gravetat no pot ser incorporada en el panorama quàntic, deixant-la sola en unificar-se en atres forces fonamentals. Per esta raó este treball d'unificació en el XX es focalizó en entendre les tres forces "quàntiques": electromagnetisme i les forces nuclears dèbils i fortes. Les dos primeres varen ser unificades en 1967-8 per Sheldon Glashow, Steven Weinberg, i Abdus Salam. Les forces forta i la electrodébil coexistixen en el modele estàndar de partícules, pero es mantenen distintes. Moltes teories unificades (o GUT per les seues sigles en anglés) han segut propostes per a unificar-les. Encara que la simpleza de les GUTs han segut descartades en l'experiència, l'idea general, especialment quan es vincula en les supersimetrías, continua fermament a favor de la comunitat teòrica de física.

Teoria del Tot en Física moderna

En la corrent principal de la física actual, la Teoria del Tot podria unificar totes les interaccions fonamentals de la naturalea, que són considerades com quatre: gravitació, la força nuclear forta, la força nuclear dèbil i l'electromagnètica. Ya que la força dèbil pot transformar partícules elementals d'una classe a una atra, la teoria del tot deuria produir una comprensió profunda de varis tipos diferents de partícules, aixina com de diferents forces. El patró previsible de les teories és el següent:

Adicionalment a les forces llistades ací, la moderna cosmologia requerix una força inflacionaria, energia obscura, i també matèria obscura composta de partícules fonamentals anara de l'escena del model estàndar.

L'unificació electrodébil és una simetria trencada: l'electromagnetisme i la força dèbil semblen distinguir-se a baixes energies perque les partícules duen forces dèbils, els bosones W i Z tenen la massa d'al voltant de 100 GeV/c², mentres que el fotó, que du la força electromagnètica, no té massa. A altes energies els bosones W i Z poden crear massa fàcilment i la naturalea unificada de les forces apareix. La teoria de la gran unificació s'espera que opere de manera similar, pero les energies en l'orde de 10¹⁶ GeV o molt majors no poden ser conseguides per cap accelerador de partícules en La Terra. Per analogia, l'unificació de les forces GUT en la gravetat s'espera que siga a una energia de Planck, al voltant de 10¹⁹ GeV.

Podria ser prematur l'estar buscant la teoria del tot quan no existix evidència directa d'una força electronuclear i mentres en qualsevol cas hi ha moltes diferents propostes de GUTs. En efecte el nom delliberat està envolt en Hibris. No obstant, molts físics creuen que l'unificació és possible, degut en part a l'història de convergència cap a una mateixa teoria. La supersimetría es veu plausible no solament per la seua "bellea" teòrica, sino per la seua naturalitat en produir grans cantitats de matèria obscura, i la força inflacionaria pot ser relacionada en GUT físiques (encara que no sembla formar part inevitable de la teoria). I ara les GUTs no són clarament la resposta final. Tant el model estàndar actual com la proposta GUT són teories quàntiques de camps que requerixen la problemàtica tècnica de la renormalización de respostes a camps sensibles. És usual considerar com un signe de que hi ha una sola teoria de camps efectiva ometent fenomens crucials només a molt altes energies. Ademés, la inconsistencia entre la mecànica quàntica i la relativitat general implica que una de les dos deu ser remplazada per una teoria que incorpore la gravetat quàntica.

L'única candidata principal a teoria del tot en el moment és la teoria de supercuerdas. Investigacions en curs sobre la gravetat quàntica de bucles pugues eventualment jugar un rol fonamental en la teoria del tot, pero este no és el principal objectiu. Estes teories intenten tractar en la renormalización del problema per mig de l'establiment d'algunes en el llímit inferior d'escales de llongitut possible. La teoria de supercuerdas i la supergravedad (es creu que abdós són casos especials d'una teoria sense definir M) suponen que l'univers té en realitat més dimensions que lo que pot vore's simple vista: tres espacials i una temporal. La motivació despuix d'este acostament comença en la teoria Kaluza-Klein en a on es va notar que en aplicar la relativitat general en un univers de 5 dimensions (una dimensió més una chicoteta dimensió de doblat) mantenia l'equivalent a la relativitat general, de 4 dimensions, en les lleis de Maxwell de l'electromagnetisme (també en 4 dimensions). Açò ha donat lloc a esforços per a treballar en teories de moltes dimensions en les que s'espera que es puguen produir equacions que siguen similars a les conegudes en física. La noció de extradimensiones també ajuda a resoldre el problema de la jerarquia, a on la pregunta de per qué la gravetat és més dèbil que qualsevol atra força. La resposta comuna diu que la gravetat estaria en una dimensió extra a les atres forces.

A finals de 1990 es va notar que un dels problemes de tindre moltes candidates a teories del tot (pero particularment en la teoria de cordes) era que estes no contenien les característiques de predir l'univers. Per eixemple, moltes teories de la gravetat quàntica poden crear univers en un número arbitrari de dimensions o en arbitràries constants cosmológicas. Inclús la "estàndart" teoria de cordes 10-dimensional permet a les dimensions "espiraladas" ser compactar en molts diferents camins (un estimat és 10⁵⁰⁰ a on cada una correspon a coleccions diferents de partícules fonamentals i forces de baixa energia).

Una solució especulativa és que moltes d'eixes possibilitats són realisables en un o un atre dels univers possibles, pero solament un número chicotet d'ells són habitables, i per lo tant les constants universals fonamentals són en definitiva el resultat d'un principi antrópico com a conseqüència d'una teoria del tot. Esta aproximació antrópica és clarament criticada que, com la teoria és lo suficientment flexible per a comprendre casi qualsevol observació, no podria fer prediccions útils (com a originals, falses o verificables). Des d'este punt de vista, la teoria d'cuerdo podria ser considerada com pseudociencia, a on una teoria infalsable és constantment adaptada per a que els resultats experimentals s'ajusten a ella.

Prediccions esperades de la teoria del tot

Existixen varis fenomens que una teoria del tot deuria poder aclarir:

• Paràmetros contingents. Encara que les teories quàntiques de les interaccions electrodébil i forta, donen descripcions fenomenológicamente correctes i fan prediccions valioses, contenen una série de paràmetros numèrics para el valor dels quals la pròpia teoria dona més explicació i deuen determinar-se per mig d'experiment (encara que realment una teoria més àmplia podria mostrar que el seu valor no és arbitrari). Se supon que una teoria del tot podria explicar eixos paràmetros i predir el seu valor a partir de paràmetros o relacions més fonamentals.
• Les tares de la relativitat general. Una teoria del tot deuria explicar fenomens tals com el Big Bang o la naturalea de les singularitats espaciotemporales que les teories de la relativitat general i la mecànica quàntica no expliquen.
• Satisfactoriedad filosòfica. Les motivacions teòriques i filosòfiques per a trobar una teoria del tot inclouen la creència platònica de que la naturalea última de l'Univers és simple i que els models corrents d'Univers tals com el model estàndar no poden ser completats degut a que són massa complexos.

Esbossos de teories del tot

Recentment han sorgit dos teories que podrien algun dia evolucionar fins a la mencionada teoria unificada. Una és la Teoria M, una variant de la teoria de cordes basada en un espai d'11 dimensions. La segona és la denominada teoria quàntica de bucles que postula que el propi espai-temps estaria cuantizado dimensionalmente, alguna cosa que per ara no ha segut demostrat.

Vore també

• Teoria de cordes
• Teoria del camp unificat
• Teoria M
• Una teoria del tot excepcionalment simple
• Cronologia de l'univers primerenc

Bibliografia

• John D. Barrow, Theories of Everything: The Quest for Ultimate Explanation (OUP, Oxford, 1990) ISBN 0-09-998380-X
• Stephen Hawking The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe is an unauthorized 2002 book taken from recorded lectures (ISBN 1-893224-79-1)
• Stanley Jaki OSB, 2005. The Drama of Quantities. Real View Books (ISBN 1-892548-47-X)
• Abraham Pais Subtle is the Lord...: The Science and the Life of Albert Einstein (OUP, Oxford, 1982). ISBN 0-19-853907-X
• Steven Weinberg Dreams of a Final Theory: The Search for the Fonamental Laws of Nature (Hutchinson Radius, London, 1993) ISBN 0-09-177395-4
• Iker Net Vivències entre l'energia i la matèria (Pamplona , Espanya , 2012 )
• Theory of Everything based on Music