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1. 개요
통일장 이론(統一場 理論, Unified field theory)은 자연에 존재하는 4가지 힘 중력, 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용이 같은 근원에서 시작했다는 물리학 이론이다. 모든 것의 이론(Theory of Everything)과 비슷한 개념이지만 엄밀히 말하면 통일장 이론이 모든 것의 이론 후보 중에 하나다. 초끈 이론도 그 후보 중에 하나이며, 비교적 파격적인 접근법을 취하는 초끈 이론과 달리 통일장 이론은 힘의 통합을 고전적인 '장이론'으로 나타내려 한다는 특징이 있다.[1]2. 설명
통일장 이론이 유명해지게 된 계기는 알베르트 아인슈타인이 말년에 이 이론에 몰두했기 때문으로, 그는 모든 힘을 하나의 장으로 나타내려 했다.[2] 중력이론의 완성이라는 큰 목표를 이루고 난 뒤 아인슈타인의 관심사는 그 당시까지 알려져 있던 힘인 중력과 전자기력을 통합하는 것으로 옮겨갔다.[3] 그는 양자역학을 거부하고 통일장 이론에만 치중했기에 아인슈타인은 주류 물리학계에서 멀어져만 갔다. 아인슈타인은 죽는 날까지도 통일장 이론에 대한 계산에 몰두했다.비록 아인슈타인이 통일장 이론을 완성하는 데에는 실패했지만, 그가 주장한 '힘의 통합이라는 개념'은 뉴턴의 고전 물리학, 아인슈타인의 상대성 이론에 이어, 현대 물리학의 주류 목표가 되었다. 나머지 다른 과제는 양자역학. 통일장 이론을 연구하는 과정에서 전자기력과 중력을 통합하려고 하다 등장한 이론인 칼루자-클라인 이론에서 제창한 여분의 차원 개념이 초끈 이론에서 쓰이고 있다.
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. 또한, 앞서 각주에서 적은것처럼 마이클 패레데이는 기독교적 신앙심에 입각해 중력과 전자기력을 통일 하려는 시도를 했다.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 강한 상호작용과 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 과학이 발전하며 그 틀은 점점 깨졌다. 그 연장선상에서 통일장 이론이 제시된 것이다, 1970년대에는 대통일 이론이 등장하여 그것이 중력까지 확장된다면 드디어 통일장 이론이자 모든 것의 이론(Theory of Everything)이 등장할 것이라는 전망이 생겼다. 그러나 당시 대통일 이론의 시도는 실패로 돌아갔다.고전적인 장이론의 방법론을 적용한 새로운 이론이 통일장 이론으로 증명된다면 그 이론이 곧 모든 것의 이론이 될 것이다. 그러나 초끈 이론을 지지하는 학자 등 일각에서는 모든 것의 이론에는 장이론이 아닌 다른 체계가 필요하다고 믿고 있다. 현재는 초끈 이론도 신뢰를 많이 잃었지만 갑자기 증명이 될 수도 있고, 초끈 이론이 아니더라도 미래에는 설득력 있는 새로운 학설이 나타날 수도 있다. 다시 말해 모든 것의 이론은 통일'장' 이론이 아닐 수도 있다는 것이다.
하여튼 지금으로서는 불가능에 수렴하는 일이다. 지금까지 이루어진 통합도 300년 간 물리학자들이 머리 싸맨 결과물이니 만큼 다음 단계로 가는 데까지 얼마나 걸릴지는 그 누구도 모른다. 일단 중력이 큰 영향력을 미치면서 상대성 이론으로 설명되는 거시계와 중력을 배제하다시피 하면서 양자역학이 중심축이 되는 미시계의 통합부터 저 먼 나라 이야기처럼 여겨지는데, 통일장 이론에는 얼마나 시일이 걸릴지 모른다. 현대 물리학계의 최고 천재였던 아인슈타인마저 정복하지 못한 것이 이 이론이다.[7]
확실한 것은 단신으로 통일장 이론을 완성하는 데 성공하는 사람이 등장하면, 그 인물은 노벨상은 물론이고, 뉴턴과 아인슈타인을 뛰어넘는 인류 역사상 최고의 천재 과학자[]물리학은 모든 과학의 기초이므로 절대 과장이 아니다. 통일장 이론은 곧 모든 것의 이론 자체 혹은 기반일 것이기 때문에 물리학뿐만 아니라 과학이란 학문 자체가 완성되는 길의 단초를 제공하기 때문이다.]이자 물리학계의 전설 반열에 오를 것이며, 모든 것의 이론을 창시한 사람으로서 과학의 새로운 패러다임을 열게 된다는 점이다. 농담이 아니라, 그는 인류 문명의 수준을 비약적으로 끌어올린 영웅이 된다고 해도 과언이 아니다.
5. 관련 문서
[1] 대통일 이론 역시 장이론에 해당하기에 이게 중력까지 확장된다면 통일장 이론이자 모든 것의 이론이 될 것이라 당시 예견되었으나 이는 좌절되었다.[2] 아인슈타인이 최초는 아니었고 마이클 패러데이가 자신이 가진 종교적 신앙심을 바탕으로 중력과 전자기력을 통합하는 이론을 만들려고 했지만 결국 실패했다.[3] 당시로서는 약한 상호작용과 강한 상호작용이 알려지지 않았고, 두 힘 모두 힘의 세기가 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 두 힘이 가장 유사하다고 여겨졌다.[4] 원자를 중심으로 할 때, 약한 상호작용은 원자핵의 베타 붕괴, 전자기력은 그 원자 주변의 전자와 원자 사이의 전기적 힘, 강한 상호작용은 원자핵 자체를 결합시키는 힘을 다룬다. 중력은 원자를 비롯한 질량을 가진 모든 물질에 작용하는 힘을 다룬다.[5] 이 또한 완벽한 통합이론이 아니다. 입자물리학에서는 이러한 상호작용을 구분하는 물리량이 결합상수(Coupling constant)인데, 두 상호작용의 결합상수는 반드시 독립적인 두 개의 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 서로 다른 두 힘을 혼합하여 관계만을 설명한 이론이라 설명하기도 한다.[6] SU(5) 대통일 이론이 정말 맞다면 양성자는 양전자와 파이온으로 붕괴할 수 있고, 파이온이 붕괴하고 양전자가 전자와 만나 붕괴하면서 최종적으로 광자 4개를 방출한다. 이 붕괴 과정에 따른 양성자의 수명(life time)은 [math( 10^{30} )] ~ [math( 10^{31} )] 년이다. 그러나 일본 카미오칸데 실험에서 물 분자를 거의 [math(2 \times 10^{32} )]개 가량 모아놓고 수명을 측정하려 했으나 유사한 신호를 발견도 못하면서 수명이 [math(10^{32})] 년 이상이라는 것을 확인하였고, 결과적으로 SU(5)로 이루어진 대통일 이론은 좌초되었다.[7] 물론 당시 나이가 말년이었던 건 감안해야겠으나 아인슈타인은 끝까지 양자역학 등 학계의 새로운 동향을 인정하지 않았기에 새로운 쟁점을 발견할 수는 있을지언정 통일장 이론에 도달하지는 못했을 것이라는 게 중론이다.[]