La théorie de la grande unification (GUT) est la recherche d’une théorie physique concise et simple à partir de 2011 qui décrirait l’interaction entre les quatre forces fondamentales de la nature – l’électromagnétisme, les forces nucléaires faibles et fortes et la gravité. Étant donné que toute grande théorie unifiée tente de rassembler la compréhension actuelle des forces physiques, elle est souvent appelée recherche dans les théories classiques des champs unifiés. De nombreuses théories différentes des champs unifiés existent pour expliquer le comportement de la matière et de l’énergie, mais la théorie des cordes est considérée comme la meilleure perspective à partir de 2011 pour avoir une chance de lier les effets de la gravité aux trois autres forces fondamentales.
La physique des particules utilise actuellement une théorie connue sous le nom de modèle standard pour décrire l’interaction des forces physiques dans la nature. La forme actuelle du modèle standard à partir de 2011 a été établie dans les années 1970 et tient compte de l’interaction de trois des quatre forces fondamentales – l’électromagnétisme et les forces nucléaires faibles et fortes. Au fur et à mesure que le modèle standard s’est développé, il a été révélé que l’électromagnétisme et la force nucléaire faible étaient en réalité des aspects de la même force à des niveaux d’énergie élevés. Cela s’est appuyé sur des découvertes antérieures à la fin du XIXe siècle par le physicien britannique James Maxwell, unissant les forces du magnétisme et de l’électricité comme étant les deux aspects d’une même force – l’électromagnétisme. La théorie de la grande unification peut donc être considérée comme une tentative d’unir le modèle standard avec les effets de la gravité.
Étant donné que le développement d’une simple théorie de la grande unification pourrait ne pas tenir compte de toutes les interactions de la matière et de l’énergie dans l’espace, la théorie finale unifiant toutes les forces est souvent appelée la théorie du tout (TOE). Trois principaux domaines d’étude en physique devraient être réunis en un seul pour produire une théorie viable de tout, et ceux-ci incluent le modèle standard, la relativité générale et la mécanique quantique. Une proposition clé pour cela implique des recherches sur la théorie des cordes, qui décrit un état fondamental de la matière où tout dans l’univers physique est finalement composé de boucles d’énergie vibrantes, chacune de la taille d’une longueur de Planck, soit 10-33 centimètres. Ces cordes sont théorisées comme étant la cause directe des effets des quatre forces fondamentales de la nature, de l’existence de la matière et de l’énergie, ainsi que de l’espace et du temps. L’une des faiblesses de la théorie des cordes, cependant, est qu’elle est extrêmement complexe et nécessite des interactions dans les dix dimensions de l’espace, alors qu’une théorie ultime de la grande unification est envisagée comme étant une équation simple ne dépassant pas environ 1 pouce (2.5 centimètres) dans longueur s’il est écrit à la taille habituelle de l’écriture manuscrite.
Peut-être le plus grand défi pour arriver à une forme élégante d’une grande théorie unifiée à partir de 2011, cependant, est celui d’intégrer la cosmologie physique de la gravité dans les équations. La gravité est la moins bien comprise de toutes les forces physiques et peut ne pas être une force du tout. Certaines recherches suggèrent que la gravité est simplement un effet de la déformation de l’espace par la matière, comme le suggèrent les découvertes d’Einstein, car l’origine de la source de la gravité n’a jamais été trouvée. Toutes les autres forces de la nature sont liées à des particules fondamentales, la physique a donc supposé qu’une particule de graviton existerait pour expliquer la gravité. Jusqu’à ce que des preuves soient obtenues pour expliquer comment la gravité fonctionne à la fois au niveau macroscopique et microscopique, une grande théorie unifiée unissant toutes les forces physiques de la nature restera insaisissable.