התאוריה של הכול

התאוריה של הכול (באנגלית: Theory Of Everything, בראשי תיבות: TOE) היא תאוריה משוערת בפיזיקה אשר תהיה מסוגלת להסביר ולקשור בין כל התופעות הפיזיקליות הידועות. בפרט, תאוריה זו תשלב בצורה מוצלחת בין תורת הקוונטים ותורת היחסות הכללית, שתי התורות הפיזיקליות המובילות כיום. חלק מתאוריה זו הוא התאוריה המאוחדת הגדולה.
במהלך המאה ה־20 הוצעו מועמדות רבות לתפקיד, אך אף אחת מהן לא אוששה בצורה ניסיונית. פיזיקאים רבים סבורים, בעקבות טיעונים שפותחו מהעיקרון ההולוגרפי בשנות ה־90 של המאה ה־20, כי התאוריה המבטיחה ביותר כיום היא תורת M ה־11 ממדית. עם זאת, לא קיים קונצנזוס בנושא.

מיוון העתיקה עד לאיינשטיין

מאז ימי יוון העתיקה, פילוסופים שיערו כי מגוון המראות מסתיר אחדות כלשהי - כך שרשימת הכוחות היא קצרה, ומכילה ערך אחד בלבד. לדוגמה, הפילוסופיה המכנית של המאה ה־17 (אשר טוענת כי את כל המתרחש ביקום ניתן להסביר בידי כוחות הטבע) גרסה כי את כל הכוחות אפשר להכניס תחת קטגוריית "כוחות מגע" בין חלקיקים מוצקים וזעירים. גישה זו ננטשה לאחר קבלת התאוריה של כוח המשיכה ארוך־הטווח של אייזק ניוטון - אך באותו זמן, עבודתו של ניוטון על ספרו "פרינקיפיה" סיפקה את ההוכחה האמפירית הראשונה עבור האיחוד של כוחות שונים לכאורה: עבודותיו של גלילאו על משיכה ארצית, חוקי קפלר לתנועת כוכבי־הלכת, וההסבר עבור גאות ושפל, הוסברו כולן בצורה כמותית בידי חוק אחד ויחיד - חוק הכבידה האוניברסלי.
ב־1820 גילה הנס כריסטיאן ארסטד קשר מסוים בין חשמל למגנטיות ובכך החל עשורים שלמים של עבודה, כאשר גולת הכותרת שלה תהיה התאוריה האלקטרומגנטית של ג'יימס קלארק מקסוול. כמו כן, במהלך המאה ה־19 ובתחילת המאה ה־20, ניכר בהדרגה כי תופעות שכיחות של כוחות - כוחות מגע, אלסטיות, צמיגות, חיכוך, לחץ - נבעו למעשה מפעולות גומלין חשמליות בין החלקיקים הקטנים ביותר של החומר. בשנות ה־20 המאוחרות של המאה ה־20, מכניקת הקוונטים החדישה הראתה כי קשרים כימיים בין אטומים הם דוגמאות לכוחות חשמליים (לפי קוואנטים) - דבר אשר הצדיק אפוא את התרברבותו של פול דיראק שלפיה, "החוקים הפיזיקליים הנדרשים, עבור תאוריות מתמטיות של חלק גדול מהפיזיקה - וכל כולה של הכימיה - ידועים לחלוטין".
את הניסיונות לאחד את תאוריית הכבידה עם תאוריית האלקטרומגנטיות ניתן לתארך אחורה, לפחות עד ניסוייו של מייקל פאראדיי אשר התבצעו בין 1849 ל־1850. לאחר שהשקפתו של אלברט איינשטיין על כבידה (תורת היחסות הכללית) פורסמה ב־1915, החיפוש אחר "תאוריית שדה מאוחדת" החלה ביתר מאמץ.
בתקופה זו, היה זה לכאורה סביר כי לא קיימים כוחות יסודיים אחרים (מלבד כבידה ואלקטרומגנטיות). התורמים העיקריים לפיתוח התאוריה של הכול היו גונר נורדסטרום, הרמן וייל, ארתור אדינגטון, תיאודור קלוצה, אוסקר קליין והבולטים מכולם היו איינשטיין ועוזריו. בשנותיו האחרונות, עמל אלברט איינשטיין רבות כדי למצוא תאוריה מאחדת שכזו, אך העלה חרס בידיו.

תורת השדות הקוונטית

התורה הפיזיקלית המתקדמת ביותר הקיימת כיום אשר מתקרבת צעד נוסף לחזון התאוריה של הכול ושאוששה בניסויים היא תורת השדות הקוונטית. תורה זו מצליחה לאחד את תורת הקוונטים עם תורת היחסות הפרטית, מצליחה לתאר את החלקיקים השונים בטבע ולאחד שלושה מתוך ארבעת הכוחות היסודיים בטבע בעזרת תורות כיול (הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש). לפי תורת השדות הקוונטית הדבר הבסיסי ביותר אינו חומר, אנרגיה או כוח אלא שדה. ישנם שדות שיוצרים את חלקיקי החומר ושדות שיוצרים את הכוחות היסודיים בטבע. הכוח היסודי הרביעי המוכר כיום - כוח הכבידה, המתואר בעזרת תורת היחסות הכללית, הוא הכוח היחיד שאי־אפשר לקבל בעזרת תורת השדות הקוונטית. כאשר מנסים לתאר את שדה הגרוויטציה מקבלים פתרונות מתבדרים לאינסוף שאינם ניתנים לסילוק ולכן אינם מייצגים נכונה את כוח הכובד (שאינו אינסופי). השאלה כיצד לתאר בעזרת תורת השדות הקוונטית את כוח הכבידה היא אחת מהבעיות המרכזיות כיום בפיזיקה. תורת המיתרים היא דוגמה לתאוריה המנסה לפתור בעיה זו ולהגשים את חזון התאוריה של הכול, אך עדיין אין יודעים האם גישה זו נכונה.