Teoria di gauge, classe della teoria quantistica dei campi, una teoria matematica che coinvolge sia la meccanica quantistica che la teoria speciale della relatività di Einstein, comunemente usata per descrivere le particelle subatomiche e i loro campi d’onda associati. In una teoria di gauge esiste un gruppo di trasformazioni delle variabili di campo (trasformazioni di gauge) che lascia invariata la fisica di base del campo quantistico. Questa condizione, chiamata invarianza di gauge, dà alla teoria una certa simmetria, che governa le sue equazioni. In breve, la struttura del gruppo di trasformazioni di gauge in una particolare teoria di gauge comporta restrizioni generali sul modo in cui il campo descritto da quella teoria può interagire con altri campi e particelle elementari.
La teoria classica del campo elettromagnetico, proposta dal fisico britannico James Clerk Maxwell nel 1864, è il prototipo delle teorie di gauge, anche se il concetto di trasformazione di gauge non fu pienamente sviluppato fino all’inizio del XX secolo dal matematico tedesco Hermann Weyl. Nella teoria di Maxwell le variabili di base del campo sono le intensità dei campi elettrico e magnetico, che possono essere descritte in termini di variabili ausiliarie (ad esempio, i potenziali scalari e vettoriali). Le trasformazioni di gauge in questa teoria consistono in certe alterazioni nei valori di questi potenziali che non risultano in un cambiamento dei campi elettrici e magnetici. Questa invarianza di gauge è conservata nella moderna teoria dell’elettromagnetismo chiamata elettrodinamica quantistica (q.v.), o QED. Il lavoro moderno sulle teorie di gauge è iniziato con il tentativo dei fisici americani Chen Ning Yang e Robert L. Mills (1954) di formulare una teoria di gauge dell’interazione forte. Il gruppo di trasformazioni di gauge in questa teoria si occupava dell’isospin (q.v.) delle particelle fortemente interagenti. Alla fine degli anni ’60 Steven Weinberg, Sheldon Glashow e Abdus Salam svilupparono una teoria di gauge che tratta le interazioni elettromagnetiche e deboli in modo unificato. Questa teoria, ora comunemente chiamata teoria elettrodebole, ha avuto un notevole successo ed è ampiamente accettata. Durante la metà degli anni ’70 si è lavorato molto per sviluppare la cromodinamica quantistica (QCD), una teoria di gauge delle interazioni tra quark (vedi quark). Per varie ragioni teoriche, il concetto di invarianza di gauge sembra fondamentale, e molti fisici credono che l’unificazione finale delle interazioni fondamentali (cioè gravitazionali, elettromagnetiche, forti e deboli) sarà raggiunta da una teoria di gauge. Vedi anche teoria quantistica dei campi.