Teoría del todo

Una teoría del todo (TOE o TOE/ToE), teoría final, última La teoría, la teoría del campo unificado o la teoría maestra es un marco teórico hipotético, singular, global y coherente de la física que explica completamente y vincula todos los aspectos de la el universo. Encontrar una teoría del todo es uno de los principales problemas no resueltos de la física. La teoría de cuerdas y la teoría M se han propuesto como teorías del todo.

Durante los últimos siglos, se han desarrollado dos marcos teóricos que, juntos, se asemejan más a una teoría del todo. Estas dos teorías sobre las que descansa toda la física moderna son la relatividad general y la mecánica cuántica. La relatividad general es un marco teórico que solo se enfoca en la gravedad para comprender el universo en regiones tanto de gran escala como de gran masa: planetas, estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, etc. Por otro lado, la mecánica cuántica es un marco teórico que solo se enfoca sobre las tres fuerzas no gravitatorias para comprender el universo en regiones tanto de muy pequeña escala como de baja masa: partículas subatómicas, átomos, moléculas, etc. La mecánica cuántica implementó con éxito el Modelo Estándar que describe las tres fuerzas no gravitatorias: nuclear fuerte, nuclear débil y fuerza electromagnética, así como todas las partículas elementales observadas.

La relatividad general y la mecánica cuántica se han validado repetidamente en sus distintos campos de relevancia. Dado que los dominios habituales de aplicabilidad de la relatividad general y la mecánica cuántica son tan diferentes, la mayoría de las situaciones requieren que solo se use una de las dos teorías. Las dos teorías se consideran incompatibles en regiones de escala extremadamente pequeña, la escala de Planck, como las que existen dentro de un agujero negro o durante las etapas iniciales del universo (es decir, el momento inmediatamente posterior al Big Bang). Para resolver la incompatibilidad, se debe descubrir un marco teórico que revele una realidad subyacente más profunda, unificando la gravedad con las otras tres interacciones, para integrar armoniosamente los dominios de la relatividad general y la mecánica cuántica en un todo continuo: una teoría del todo puede definirse como un teoría integral que, en principio, sería capaz de describir todos los fenómenos físicos de este universo.

En la búsqueda de este objetivo, la gravedad cuántica se ha convertido en un área de investigación activa. Un ejemplo es la teoría de cuerdas, que se convirtió en candidata a la teoría del todo, pero no sin inconvenientes (sobre todo, su aparente falta de predicciones actualmente comprobables) y controversia. La teoría de cuerdas postula que al comienzo del universo (hasta 10⁻⁴³ segundos después del Big Bang), las cuatro fuerzas fundamentales alguna vez fueron una única fuerza fundamental. De acuerdo con la teoría de cuerdas, cada partícula en el universo, en su nivel más ultramicroscópico (longitud de Planck), consiste en combinaciones variables de cuerdas (o hilos) vibrantes con patrones de vibración preferidos. La teoría de cuerdas afirma además que es a través de estos patrones oscilatorios específicos de cuerdas que se crea una partícula de masa y carga de fuerza únicas (es decir, el electrón es un tipo de cuerda que vibra en un sentido, mientras que el quark arriba es un tipo de cuerda). de cuerda vibrando de otra manera, y así sucesivamente).

La teoría de cuerdas/teoría M propone seis o siete dimensiones del hiperespacio además de las cuatro dimensiones comunes para un espacio-tiempo de diez u once dimensiones.

Nombre

Inicialmente, el término teoría del todo se utilizó con una referencia irónica a varias teorías sobregeneralizadas. Por ejemplo, se sabía que un abuelo de Ijon Tichy, un personaje de un ciclo de historias de ciencia ficción de Stanisław Lem de la década de 1960, trabajaba en la "Teoría general del todo". El físico Harald Fritzsch usó el término en sus conferencias de 1977 en Varenna. El físico John Ellis afirma haber introducido el acrónimo "TOE" en la literatura técnica en un artículo en Nature en 1986. Con el tiempo, el término se quedó en la popularización de la investigación en física teórica.

Antecedentes históricos

De la antigüedad al siglo XIX

Muchas culturas antiguas como los astrónomos babilónicos, la astronomía india estudiaron el patrón de las Siete Luminarias Sagradas/Planetas Clásicos contra el fondo de las estrellas, siendo su interés relacionar el movimiento celeste con los eventos humanos (astrología), y el objetivo es predecir eventos mediante el registro de eventos en una medida de tiempo y luego buscar patrones recurrentes. El debate entre el universo que tiene un comienzo o ciclos eternos se remonta a la antigua Babilonia. La cosmología hindú postula que el tiempo es infinito con un universo cíclico, donde el universo actual fue precedido y será seguido por un número infinito de universos. Las escalas de tiempo mencionadas en la cosmología hindú corresponden a las de la cosmología científica moderna. Sus ciclos van desde nuestro día y noche ordinarios hasta el día y la noche de Brahma, con una duración de 8640 millones de años.

La filosofía natural del atomismo apareció en varias tradiciones antiguas. En la filosofía griega antigua, los filósofos presocráticos especularon que la aparente diversidad de los fenómenos observados se debía a un solo tipo de interacción, a saber, los movimientos y colisiones de los átomos. El concepto de 'átomo' propuesto por Demócrito fue un intento filosófico temprano para unificar los fenómenos observados en la naturaleza. El concepto de 'átomo' también apareció en la escuela Nyaya-Vaisheshika de la antigua filosofía india.

Arquímedes fue posiblemente el primer filósofo que describió la naturaleza con axiomas (o principios) y luego dedujo nuevos resultados de ellos. Cualquier "teoría del todo" se espera igualmente que se base en axiomas y que deduzca todos los fenómenos observables a partir de ellos.

Siguiendo el pensamiento atomista anterior, la filosofía mecánica del siglo XVII postuló que todas las fuerzas podrían reducirse en última instancia a fuerzas de contacto entre los átomos, y luego imaginarlas como diminutas partículas sólidas.

A fines del siglo XVII, la descripción de Isaac Newton de la fuerza de la gravedad a larga distancia implicaba que no todas las fuerzas de la naturaleza son el resultado de cosas que entran en contacto. El trabajo de Newton en sus Principios matemáticos de la filosofía natural trató esto en otro ejemplo de unificación, en este caso unificando el trabajo de Galileo sobre la gravedad terrestre, las leyes de Kepler. del movimiento planetario y el fenómeno de las mareas explicando estas acciones aparentes a distancia bajo una sola ley: la ley de la gravitación universal.

En 1814, basándose en estos resultados, Laplace sugirió que un intelecto suficientemente poderoso podría, si supiera la posición y la velocidad de cada partícula en un momento dado, junto con las leyes de la naturaleza, calcular la posición de cualquier partícula en en otro momento:

Un intelecto que en un momento determinado conocería todas las fuerzas que ponen la naturaleza en movimiento, y todas las posiciones de todos los elementos de los cuales la naturaleza está compuesta, si este intelecto también fuera lo suficientemente vasto como para someter estos datos a análisis, abrazaría en una sola fórmula los movimientos de los cuerpos más grandes del universo y los del átomo más tínido; para tal intelecto nada sería incierto y el futuro como el pasado estaría presente ante sus ojos.

—Essai philosophique sur les probabilités, Introducción. 1814

Laplace imaginó así una combinación de la gravitación y la mecánica como una teoría del todo. La mecánica cuántica moderna implica que la incertidumbre es ineludible y, por lo tanto, debe modificarse la visión de Laplace: una teoría del todo debe incluir la gravitación y la mecánica cuántica. Incluso ignorando la mecánica cuántica, la teoría del caos es suficiente para garantizar que el futuro de cualquier sistema mecánico o astronómico suficientemente complejo es impredecible.

En 1820, Hans Christian Ørsted descubrió una conexión entre la electricidad y el magnetismo, lo que desencadenó décadas de trabajo que culminaron en 1865, en la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell. Durante el siglo XIX y principios del XX, gradualmente se hizo evidente que muchos ejemplos comunes de fuerzas (fuerzas de contacto, elasticidad, viscosidad, fricción y presión) resultan de interacciones eléctricas entre las partículas más pequeñas de materia.

En sus experimentos de 1849-1850, Michael Faraday fue el primero en buscar una unificación de la gravedad con la electricidad y el magnetismo. Sin embargo, no encontró ninguna conexión.

En 1900, David Hilbert publicó una famosa lista de problemas matemáticos. En el sexto problema de Hilbert, desafió a los investigadores a encontrar una base axiomática para toda la física. En este problema, por lo tanto, pidió lo que hoy se llamaría una teoría del todo.

Principios del siglo XX

A fines de la década de 1920, la nueva mecánica cuántica mostró que los enlaces químicos entre los átomos eran ejemplos de fuerzas eléctricas (cuánticas), lo que justificaba la jactancia de Dirac de que "las leyes físicas subyacentes necesarias para la teoría matemática de una gran parte de la física y toda la química son así completamente conocidas".

Después de 1915, cuando Albert Einstein publicó la teoría de la gravedad (relatividad general), la búsqueda de una teoría del campo unificado que combinara la gravedad con el electromagnetismo comenzó con un renovado interés. En la época de Einstein, aún no se habían descubierto las fuerzas fuerte y débil, pero encontró la existencia potencial de otras dos fuerzas distintas, la gravedad y el electromagnetismo, mucho más atractiva. Esto lanzó su viaje de 40 años en busca de la llamada "teoría del campo unificado" que esperaba mostraría que estas dos fuerzas son realmente manifestaciones de un gran principio subyacente. Durante las últimas décadas de su vida, esta ambición alejó a Einstein del resto de la corriente principal de la física, ya que la corriente principal estaba mucho más entusiasmada con el marco emergente de la mecánica cuántica. Einstein le escribió a un amigo a principios de la década de 1940: "Me he convertido en un viejo solitario que es principalmente conocido porque no usa calcetines y que se exhibe como una curiosidad en ocasiones especiales". Los colaboradores destacados fueron Gunnar Nordström, Hermann Weyl, Arthur Eddington, David Hilbert, Theodor Kaluza, Oskar Klein (ver la teoría de Kaluza-Klein) y, sobre todo, Albert Einstein y sus colaboradores. Einstein buscó en serio, pero finalmente no pudo encontrar, una teoría unificadora (ver Ecuaciones de Einstein-Maxwell-Dirac).

Finales del siglo XX y las interacciones nucleares

En el siglo XX, la búsqueda de una teoría unificadora se vio interrumpida por el descubrimiento de las fuerzas nucleares fuerte y débil, que difieren tanto de la gravedad como del electromagnetismo. Otro obstáculo fue la aceptación de que en una teoría del todo, la mecánica cuántica tenía que incorporarse desde el principio, en lugar de surgir como consecuencia de una teoría unificada determinista, como había esperado Einstein.

La gravedad y el electromagnetismo pueden coexistir como entradas en una lista de fuerzas clásicas, pero durante muchos años parecía que la gravedad no podía incorporarse al marco cuántico, y mucho menos unificarse con las otras fuerzas fundamentales. Por esta razón, el trabajo de unificación, durante gran parte del siglo XX, se centró en comprender las tres fuerzas descritas por la mecánica cuántica: el electromagnetismo y las fuerzas débil y fuerte. Los dos primeros fueron combinados en 1967–68 por Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam en la fuerza electrodébil. La unificación electrodébil es una simetría rota: las fuerzas electromagnética y débil parecen distintas a bajas energías porque las partículas que llevan la fuerza débil, los bosones W y Z, tienen masas distintas de cero (80,4 GeV/c² y 91,2 GeV/c², respectivamente), mientras que el fotón, que transporta la fuerza electromagnética, no tiene masa. A energías más altas, los bosones W y los bosones Z se pueden crear fácilmente y la naturaleza unificada de la fuerza se hace evidente.

Si bien las fuerzas fuerte y electrodébil coexisten bajo el modelo estándar de física de partículas, siguen siendo distintas. Por lo tanto, la búsqueda de una teoría del todo no tuvo éxito: ni una unificación de las fuerzas fuertes y electrodébiles, que Laplace habría llamado 'fuerzas de contacto' – ni se había logrado una unificación de estas fuerzas con la gravitación.

Física moderna

Secuencia convencional de teorías

Una teoría del todo unificaría todas las interacciones fundamentales de la naturaleza: la gravitación, la interacción fuerte, la interacción débil y el electromagnetismo. Debido a que la interacción débil puede transformar partículas elementales de un tipo a otro, la teoría del todo también debería predecir todos los diferentes tipos de partículas posibles. El camino habitual asumido de las teorías se da en el siguiente gráfico, donde cada paso de unificación lleva un nivel hacia arriba en el gráfico.

En este gráfico, la unificación electrodébil se produce alrededor de 100 GeV, se predice que la gran unificación se producirá a 10¹⁶ GeV y se espera la unificación de la fuerza GUT con la gravedad en la energía de Planck, aproximadamente 10 ¹⁹ GeV.

Se han propuesto varias grandes teorías unificadas (GUT) para unificar el electromagnetismo y las fuerzas débil y fuerte. La gran unificación implicaría la existencia de una fuerza electronuclear; se espera que se establezca a energías del orden de 10¹⁶ GeV, mucho más de lo que podría alcanzar cualquier acelerador de partículas factible actualmente. Aunque las grandes teorías unificadas más simples se han descartado experimentalmente, la idea de una gran teoría unificada, especialmente cuando se vincula con la supersimetría, sigue siendo un candidato favorito en la comunidad de física teórica. Las grandes teorías unificadas supersimétricas parecen plausibles no solo por su 'belleza' teórica, sino porque producen naturalmente grandes cantidades de materia oscura y porque la fuerza inflacionaria puede estar relacionada con la física de la gran teoría unificada (aunque no parece formar parte inevitable de la teoría). Sin embargo, las grandes teorías unificadas claramente no son la respuesta final; tanto el modelo estándar actual como todos los GUT propuestos son teorías de campos cuánticos que requieren la técnica problemática de la renormalización para generar respuestas sensatas. Esto generalmente se considera como una señal de que estas son solo teorías de campo efectivas, omitiendo fenómenos cruciales relevantes solo a energías muy altas.

El paso final del gráfico requiere resolver la separación entre la mecánica cuántica y la gravitación, a menudo equiparada con la relatividad general. Numerosos investigadores concentran sus esfuerzos en este paso específico; sin embargo, ninguna teoría aceptada de la gravedad cuántica, y por lo tanto ninguna teoría aceptada de todo, ha surgido con evidencia observacional. Por lo general, se supone que la teoría del todo también resolverá los problemas restantes de las grandes teorías unificadas.

Además de explicar las fuerzas enumeradas en el gráfico, una teoría del todo también puede explicar el estado de al menos dos fuerzas candidatas sugeridas por la cosmología moderna: una fuerza inflacionaria y la energía oscura. Además, los experimentos cosmológicos también sugieren la existencia de materia oscura, supuestamente compuesta por partículas fundamentales fuera del esquema del modelo estándar. Sin embargo, la existencia de estas fuerzas y partículas no ha sido probada.

Teoría de cuerdas y teoría M

Desde la década de 1990, algunos físicos como Edward Witten creen que la teoría M de 11 dimensiones, que se describe en algunos límites por una de las cinco teorías de supercuerdas perturbativas, y en otro por la supergravedad de 11 dimensiones máximamente supersimétrica, es la teoría del todo. No existe un consenso generalizado sobre este tema.

Una propiedad notable de la teoría de cuerdas/M es que se requieren siete dimensiones adicionales para la consistencia de la teoría, además de las cuatro dimensiones de nuestro universo. En este sentido, se puede considerar que la teoría de cuerdas se basa en las ideas de la teoría de Kaluza-Klein, en la que se descubrió que al aplicar la relatividad general a un universo de 5 dimensiones, con una dimensión espacial pequeña y enrollada, se ve desde las 4 -perspectiva dimensional como la relatividad general habitual junto con la electrodinámica de Maxwell. Esto dio crédito a la idea de unificar las interacciones de calibre y gravedad, y a las dimensiones adicionales, pero no abordó los requisitos experimentales detallados. Otra propiedad importante de la teoría de cuerdas es su supersimetría, que junto con las dimensiones adicionales son las dos propuestas principales para resolver el problema de la jerarquía del modelo estándar, que es (más o menos) la cuestión de por qué la gravedad es mucho más débil que cualquier otra fuerza. La solución extradimensional implica permitir que la gravedad se propague a las otras dimensiones mientras mantiene otras fuerzas confinadas a un espacio-tiempo de 4 dimensiones, una idea que se ha realizado con mecanismos fibrosos explícitos.

La investigación de la teoría de cuerdas ha sido alentada por una variedad de factores teóricos y experimentales. En el lado experimental, el contenido de partículas del modelo estándar complementado con masas de neutrinos encaja en una representación spinor de SO(10), un subgrupo de E8 que surge rutinariamente en la teoría de cuerdas, como en la teoría de cuerdas heterótica o (a veces de manera equivalente) en F-teoría. La teoría de cuerdas tiene mecanismos que pueden explicar por qué los fermiones vienen en tres generaciones jerárquicas y explican las tasas de mezcla entre generaciones de quarks. En el aspecto teórico, ha comenzado a abordar algunas de las cuestiones clave de la gravedad cuántica, como resolver la paradoja de la información de los agujeros negros, contar la entropía correcta de los agujeros negros y permitir procesos de cambio de topología. También ha dado lugar a muchas ideas en matemáticas puras y en la teoría de calibre fuertemente acoplada ordinaria debido a la dualidad calibre/cadena.

A fines de la década de 1990, se notó que un obstáculo importante en este esfuerzo es que la cantidad de posibles universos de 4 dimensiones es increíblemente grande. El pequeño, "acurrucado hacia arriba" las dimensiones adicionales se pueden compactar de una enorme cantidad de formas diferentes (una estimación es 10⁵⁰⁰), cada una de las cuales conduce a diferentes propiedades para las partículas y fuerzas de baja energía. Este conjunto de modelos se conoce como el panorama de la teoría de cuerdas.

Una solución propuesta es que muchas o todas estas posibilidades se realizan en uno u otro de un gran número de universos, pero que solo un pequeño número de ellos son habitables. Por lo tanto, lo que normalmente concebimos como las constantes fundamentales del universo son, en última instancia, el resultado del principio antrópico y no dictadas por la teoría. Esto ha llevado a criticar la teoría de cuerdas, argumentando que no puede hacer predicciones útiles (es decir, originales, falsables y verificables) y considerándola una pseudociencia/filosofía. Otros no están de acuerdo, y la teoría de cuerdas sigue siendo un tema activo de investigación en física teórica.

Gravedad cuántica de bucle

La investigación actual sobre la gravedad cuántica de bucles puede llegar a desempeñar un papel fundamental en una teoría del todo, pero ese no es su objetivo principal. La gravedad cuántica de bucles también introduce un límite inferior en las posibles escalas de longitud.

Ha habido afirmaciones recientes de que la gravedad cuántica de bucles puede reproducir características que se asemejan al modelo estándar. Hasta ahora, Sundance Bilson-Thompson solo ha modelado la primera generación de fermiones (leptones y quarks) con propiedades de paridad correctas utilizando preones constituidos por trenzas de espacio-tiempo como bloques de construcción. Sin embargo, no existe una derivación del Lagrangiano que describa las interacciones de tales partículas, ni es posible mostrar que tales partículas sean fermiones, ni que se realicen los grupos de calibre o las interacciones del Modelo Estándar. La utilización de conceptos de computación cuántica hizo posible demostrar que las partículas pueden sobrevivir a las fluctuaciones cuánticas.

Este modelo conduce a una interpretación de la carga eléctrica y de color como cantidades topológicas (eléctrica como el número y la quiralidad de los giros que se dan en las cintas individuales y el color como variantes de dicho giro para una carga eléctrica fija).

El artículo original de Bilson-Thompson sugirió que los fermiones de generación superior podrían representarse mediante trenzados más complicados, aunque no se proporcionaron construcciones explícitas de estas estructuras. Las propiedades de carga eléctrica, color y paridad de tales fermiones surgirían de la misma manera que para la primera generación. El modelo se generalizó expresamente para un número infinito de generaciones y para los bosones de fuerza débil (pero no para fotones o gluones) en un artículo de 2008 de Bilson-Thompson, Hackett, Kauffman y Smolin.

Otros intentos

Entre otros intentos de desarrollar una teoría del todo está la teoría de los sistemas causales de fermiones, dando como casos límite las dos teorías físicas actuales (relatividad general y teoría cuántica de campos).

Otra teoría se llama Conjuntos causales. Como algunos de los enfoques mencionados anteriormente, su objetivo directo no es necesariamente lograr una teoría del todo, sino principalmente una teoría funcional de la gravedad cuántica, que eventualmente podría incluir el modelo estándar y convertirse en un candidato para una teoría del todo. Su principio fundamental es que el espacio-tiempo es fundamentalmente discreto y que los eventos del espacio-tiempo están relacionados por un orden parcial. Este orden parcial tiene el significado físico de las relaciones de causalidad entre el pasado relativo y el futuro que distingue los eventos del espacio-tiempo.

La triangulación dinámica causal no asume ninguna arena preexistente (espacio dimensional), sino que intenta mostrar cómo evoluciona el propio tejido del espacio-tiempo.

Otro intento puede estar relacionado con ER=EPR, una conjetura en física que establece que las partículas entrelazadas están conectadas por un agujero de gusano (o puente de Einstein-Rosen).

Estado actual

En la actualidad, no existe una teoría candidata de todo lo que incluya el modelo estándar de la física de partículas y la relatividad general y que, al mismo tiempo, sea capaz de calcular la constante de estructura fina o la masa del electrón. La mayoría de los físicos de partículas esperan que el resultado de los experimentos en curso (la búsqueda de nuevas partículas en los grandes aceleradores de partículas y la materia oscura) sea necesario para proporcionar más información para una teoría del todo.

Argumentos en contra

Paralelamente a la intensa búsqueda de una teoría del todo, varios estudiosos han debatido seriamente la posibilidad de su descubrimiento.

Teorema de incompletitud de Gödel

Varios eruditos afirman que el teorema de incompletitud de Gödel sugiere que cualquier intento de construir una teoría del todo está condenado al fracaso. El teorema de Gödel, formulado de manera informal, afirma que cualquier teoría formal que sea suficiente para expresar hechos aritméticos elementales y lo suficientemente fuerte para demostrarlos es inconsistente (tanto un enunciado como su negación pueden derivarse de sus axiomas) o incompleta, en el sentido de que hay un enunciado verdadero que no se puede derivar en la teoría formal.

Stanley Jaki, en su libro de 1966 La relevancia de la física, señaló que, debido a que cualquier "teoría del todo" será sin duda una teoría matemática no trivial consistente, debe ser incompleta. Afirma que esta fatalidad busca una teoría determinista del todo.

Freeman Dyson ha declarado que el teorema de Gödel implica que las matemáticas puras son inagotables. No importa cuántos problemas resolvamos, siempre habrá otros problemas que no se pueden resolver dentro de las reglas existentes. […] Debido al teorema de Gödel, la física también es inagotable. Las leyes de la física son un conjunto finito de reglas e incluyen las reglas para hacer matemáticas, por lo que se les aplica el teorema de Gödel.

Stephen Hawking originalmente creía en la Teoría del Todo, pero después de considerar el Teorema de Gödel, concluyó que no se podía obtener. “Algunas personas se sentirán muy decepcionadas si no existe una teoría definitiva que pueda formularse como un número finito de principios. Solía pertenecer a ese campamento, pero he cambiado de opinión."

Jürgen Schmidhuber (1997) ha argumentado en contra de este punto de vista; afirma que los teoremas de Gödel son irrelevantes para la física computable. En 2000, Schmidhuber construyó explícitamente universos deterministas computables por límites cuya pseudoaleatoriedad basada en problemas de detención indecidibles similares a Gödel es extremadamente difícil de detectar, pero no impide en absoluto las teorías formales de todo lo que se puede describir con muy pocos bits de información.

Solomon Feferman y otros ofrecieron críticas relacionadas. Douglas S. Robertson ofrece el juego de la vida de Conway como ejemplo: Las reglas subyacentes son simples y completas, pero hay preguntas formalmente indecidibles sobre los comportamientos del juego. Análogamente, puede (o no) ser posible enunciar completamente las reglas subyacentes de la física con un número finito de leyes bien definidas, pero no hay duda de que hay preguntas sobre el comportamiento de los sistemas físicos que son formalmente indecidibles en el base de esas leyes subyacentes.

Dado que la mayoría de los físicos consideraría que la declaración de las reglas subyacentes es suficiente como definición de una 'teoría del todo', la mayoría de los físicos argumentan que el Teorema de Gödel no significa que no puede existir una teoría del todo. Por otro lado, los académicos que invocan el Teorema de Gödel parecen, al menos en algunos casos, referirse no a las reglas subyacentes, sino a la comprensibilidad del comportamiento de todos los sistemas físicos, como cuando Hawking menciona la disposición de bloques en rectángulos, convirtiendo el cálculo de números primos en una cuestión física. Esta discrepancia de definición puede explicar parte del desacuerdo entre los investigadores.

Límites fundamentales de precisión

Ninguna teoría física hasta la fecha se cree que sea precisa. En cambio, la física ha procedido mediante una serie de "aproximaciones sucesivas" permitiendo predicciones cada vez más precisas sobre una gama cada vez más amplia de fenómenos. Algunos físicos creen que, por lo tanto, es un error confundir los modelos teóricos con la verdadera naturaleza de la realidad y sostienen que la serie de aproximaciones nunca terminará en la 'verdad'. El mismo Einstein expresó esta opinión en ocasiones.

Definición de leyes fundamentales

Hay un debate filosófico dentro de la comunidad física sobre si una teoría del todo merece ser llamada la ley fundamental del universo. Un punto de vista es la posición reduccionista dura de que la teoría del todo es la ley fundamental y que todas las demás teorías que se aplican dentro del universo son una consecuencia de la teoría del todo. Otro punto de vista es que las leyes emergentes, que gobiernan el comportamiento de los sistemas complejos, deben considerarse igualmente fundamentales. Ejemplos de leyes emergentes son la segunda ley de la termodinámica y la teoría de la selección natural. Los defensores de la emergencia argumentan que las leyes emergentes, especialmente aquellas que describen sistemas vivos o complejos, son independientes de las leyes microscópicas de bajo nivel. Desde este punto de vista, las leyes emergentes son tan fundamentales como una teoría del todo.

Los debates no aclaran el punto en cuestión. Posiblemente, la única cuestión en juego es el derecho a aplicar el término de alto estatus "fundamental" a los respectivos temas de investigación. Un conocido debate sobre esto tuvo lugar entre Steven Weinberg y Philip Anderson.

Imposibilidad de cálculo

Weinberg señala que es imposible calcular el movimiento preciso de un proyectil real en la atmósfera terrestre. Entonces, ¿cómo podemos saber que tenemos una teoría adecuada para describir el movimiento de los proyectiles? Weinberg sugiere que conozcamos principios (las leyes de movimiento y gravitación de Newton) que funcionan "suficientemente bien" para ejemplos simples, como el movimiento de los planetas en el espacio vacío. Estos principios han funcionado tan bien en ejemplos simples que podemos estar razonablemente seguros de que funcionarán para ejemplos más complejos. Por ejemplo, aunque la relatividad general incluye ecuaciones que no tienen soluciones exactas, es ampliamente aceptada como una teoría válida porque todas sus ecuaciones con soluciones exactas han sido verificadas experimentalmente. Del mismo modo, una teoría del todo debe funcionar para una amplia gama de ejemplos simples de tal manera que podamos estar razonablemente seguros de que funcionará para todas las situaciones de la física.