통일장 이론
統一場理論
Unified field theory
1. 개요
자연에 존재하는 4가지 힘 중력, 전자기력, 약력, 강력이 같은 근원에서 시작했다는 물리학 이론이다.
모든 것의 이론과 비슷한 개념이나 통일장 이론은 힘의 통합을 장이론으로 나타내려 한다는 특징이 있다.
2. 설명
통일장 이론 중 유명한 것은 알베르트 아인슈타인이 제창한 이론으로, 모든 힘을 하나의 장으로 나타내려는 시도였다.[1] 중력이론의 완성이라는 큰 목표를 이루고 난 뒤 아인슈타인의 관심사는 그 당시까지 알려져 있던 힘인 중력과 전자기력을 통합하는 것으로 옮겨갔다.[2] 그는 양자역학을 거부하고 통일장 이론에만 치중했기에 아인슈타인은 주류 물리학계에서 멀어져만 갔다. 그는 죽는 날까지도 통일장 이론에 대한 계산에 몰두했다고 한다. 아인슈타인은 통일장 이론을 완성하는 데에는 실패했지만, 그가 주장한 "힘의 통합이라는 개념"은 현대 물리학의 근간이 되었다.[3]
3. 이론의 발전 과정
힘의 통일에 대해서 살펴보자면 1800년대 맥스웰의 연구로 전기력과 자기력이 서로 연결되었음이 밝혀졌고, 이 둘의 관계를 완전하게 정립하여 전기와 자기를 '전자기력'으로 통합적으로 다룰 수 있게 되었다. 이를 근거삼아 다른 힘들도 통합이 가능할지에 대해 연구되기 시작했다. 바로 아이작 뉴턴이 발견한 중력을 전자기력과 통합하는 시도가 먼저 있었다.
그 뒤 양자 세계에 대한 연구가 진행되며 물리학계에서는 약한 상호작용, 강한 상호작용, 전자기력, 중력의 4가지 기본 상호작용을 만물의 근원적인 힘으로 여기게 된다.[4] 1950년대 무렵 이 4가지 힘이 하나의 근본 힘에서 갈라져 나왔을 것이란 설이 제시되었고, 양자장론을 기반으로 하여 1970년대 Glashow, Weinberg, Salam의 연구로 전자기력과 약한 상호작용도 통일되어 '전약력' 혹은 '약전자기력(弱電磁氣力, electroweak interaction)'[5]이 되었다. 그리고 물리학자들은 강력과 전약력을 통일한 대통일 이론을 주장하기에 이른다. 다만, 대통일 이론은 이미 70년대에 제안되었으나 가장 간단한 SU(5) 군을 통한 대통일 이론은 실험을 통해 부정되었다.[6]
4. 증명 가능 여부
과거의 패러다임에서는 가능한 힘들은 모두 개별적으로 존재할 것이라 생각하였으나 그 틀은 점점 깨지고 있고 대통일 이론을 넘어 만물이론, 즉 모든 것의 이론(Theory of Everything)이 등장할 것이라는 전망도 있다. 다만 일부 학자들은 만물의 이론에는 장이론이 아닌 다른 체계가 필요하다고 믿고 있다. 다시 말해 만물의 이론은 통일'장' 이론이 아닐 수도 있다는 것이다.
'''절대 쉬운 일이 아니다.''' 지금까지 이루어진 통합도 '''300년 간''' 물리학자들이 머리 싸맨 결과물이니 만큼 다음 단계로 가는 데까지 얼마나 걸릴지는 그 누구도 모른다. 당장 중력이 큰 영향력을 미치면서 상대성 이론으로 설명되는 거시계와 중력을 배제하다시피 하면서 양자역학이 중심축이 되는 미시계의 통합부터 저 먼 나라 이야기 같은 판에... 좀 더 요약하면 '''그 아인슈타인마저 정복하지 못한 것'''이 이 이론이다. 다만 아인슈타인이 이 이론을 제창하기 시작했을 때는 이미 말년의 나이였고, 조금만 더 오래 살았더라면 더 많은 사실들을 알아낼 수 있지 않았을까 라는 의견이 많다.
5. 관련 문서
[1] 아인슈타인이 최초는 아니었고 마이클 패러데이가 자신이 가진 종교적 신앙심을 바탕으로 중력과 전자기력을 통합하는 이론을 만들려고 했지만 결국 실패했다.[2] 당시로서는 약력과 강력이 알려지지 않았고, 힘의 세기가 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 두 힘이 가장 유사하다고 여겨졌다.[3] 더군다나 비록 중력이 다른 힘과 통합하기 가장 힘들기는 하지만, 아인슈타인 말대로 전자기력과 중력을 통합하려고 하다 등장한 이론인 칼루자-클라인 이론에서 제창한 '''여분의 차원''' 개념이 초끈 이론에서 쓰이고 있다.[4] 원자를 중심으로 할 때 약한 상호작용은 원자핵의 베타 붕괴, 전자기력은 그 원자 주변의 전자와 원자 사이의 전기적 힘을, 강한 상호작용은 원자핵 자체를 결합시키는 힘을 다룬다. 중력은 원자를 비롯한 질량을 가진 모든 만물에 작용하는 힘을 다룬다.[5] 이 또한 완벽한 통합이론이 아니다. 입자물리학에서는 이러한 상호작용을 구분하는 물리량이 결합상수(Coupling constant)인데, 두 상호작용의 결합상수는 반드시 독립적인 두개의 서로 다른 결합상수로 표현되어야 하기 때문이다. 즉, 우리는 두 상호작용의 결합상수간 관계만을 알 뿐, 근본적으로 어느 상호작용(힘의 상관관계)에서 파생되어 왔는지를 알지 못한다. 그래서 일부는 불완전한 통일, 혹은 서로다른 두 힘을 혼합하여 관계만을 설명한 이론이라 설명하기도 한다.[6] SU(5) 대통일이 정말 맞다면, 양성자는 양전자와 파이온으로 붕괴할 수 있고, 파이온이 붕괴하고 양전자가 전자와 만나 붕괴하면서 4개를 방출한다. 이 붕괴과정에 따른 양성자의 반감기(Life time)는 $$ 10^{30} ~ 10^{31} $$ 년 이다. 그러나 일본 카미오칸데 실험에서 물분자를 거의 $$2 \times 10^{32} $$개 가량 모아놓고, 반감기를 측정하려 했으나 유사한 신호를 발견도 못하면서, 반감기는 최저 $$10^{32}$$ 년 이상이라는 것을 확인하면서 SU(5)로 이루어진 대통일이론은 좌초되었다.