통일장 이론

통일장 이론의 개요

자연에 존재하는 4가지 힘 중력, 전자기력, 약력, 강력이 같은 근원에서 시작했다는 물리학 이론이다. 모든 것의 이론(Theory of Everything)과 비슷한 개념이나 통일장 이론은 힘의 통합을 '장이론'으로 나타내려 한다는 특징이 있다.

통일장 이론의 설명

통일장 이론이 유명해지게 된 계기는 알베르트 아인슈타인이 말년에 이 이론에 몰두했기 때문으로, 그는 모든 힘을 하나의 장으로 나타내려 했다. 중력이론의 완성이라는 큰 목표를 이루고 난 뒤 아인슈타인의 관심사는 그 당시까지 알려져 있던 힘인 중력과 전자기력을 통합하는 것으로 옮겨갔다. 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.

통일장 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 근거 삼아 다른 힘들도 통합이 가능할지에 대해 연구되기 시작했다. 바로 아이작 뉴턴이 발견한 중력을 전자기력과 통합하는 시도가 먼저 있었다. 또한, 앞서 각주에서 적은 것처럼 마이클 패레데이는 기독교적 신앙심에 입각해 중력과 전자기력을 통일하려는 시도를 했다. 그 뒤 양자 세계에 대한 연구가 진행되며 물리학계에서는 약한 상호작용, 강한 상호작용, 전자기력, 중력의 4가지 기본 상호작용을 만물의 근원적인 힘으로 여기게 된다. 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)'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.

통일장 이론 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 통일장 이론에는 얼마나 시일이 걸릴지 모른다. 현대 물리학계의 최고 천재였던 아인슈타인마저 정복하지 못한 것이 이 이론이다. 다만 아인슈타인이 이 이론을 제창하기 시작했을 때는 이미 말년의 나이었는지라,, 조금만 더 오래 살았더라면 더 많은 사실들을 알아낼 수 있지 않았을까 라는 의견이 많다. 확실한 것은 통일장 이론을 완성하는 데 성공하면 그 인물은 뉴턴과 아인슈타인에 버금가는 인물이 될 것이고 물리학의 새로운 패러다임을 열게 될 것이라는 점이다.