모든 것의 이론
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1. 개요[편집]
모든 것의 이론(theory of everything, ToE) 또는 만물 이론(萬物理論)은 대통일 이론에서 상정하는 핵전자기력과 중력을 연결하여 우주와 자연 법칙의 모든 것을 하나로 설명하려는 이론이다.
인간이 현재 인지하고 있는 4가지 기본 상호작용을 초힘(superforce, 초력), 즉 빅뱅 직후의 분리되지 않았던 거대한 힘으로 묶고, 이것으로 모든 입자의 탄생과 분화를 설명할 수 있다는 가설로, 아직까지는 일부 학계에서 그리는 상상의 산물에 불과하다. 궁극적으로 우주의 모든 것을 설명하고, 과거와 미래의 모든 사건을 이해하는 것을 목표로 한다.
2. 등장 배경과 목적[편집]
인류는 자연계가 약력, 강력, 중력, 전자기력의 상호작용으로 이뤄져 있다는 것을 알아냈다. 고대 그리스 시대의 마찰 전기의 발견이 현재의 전자기력의 토대가 된 것처럼, 서로 연관이 없을 것 같은 전혀 다른 힘도 결국 하나의 이론으로 통합하여 풀 수 있으리라 생각하여 등장하게 되었다.
현재 인류가 만든 과학이론의 거대한 두 기둥인 일반 상대성 이론[1]과 양자역학[2]이 동시에 작용되어야 하는 영역의 문제를 해결해야 하는 상황에서, 두 이론이 합쳐지기 힘들어지다 보니, 이 두 이론을 조화롭게 통일시키는 이론을 찾게 되었고, 이러한 과정에서 만물의 이론이라는 개념이 확립될 필요가 느껴지게 된 것이다.
예를 들어, 빅뱅의 시작이나 블랙홀의 특이점을 연구하는 데에 모든 것의 이론이 필요하다. 빅뱅이론에 따르면 지금의 우주는 한 점에서 팽창해서 만들어졌는데 그러한 우주의 초기는 극단적인 고밀도의 상태에 해당한다. 블랙홀의 특이점 또한 거대한 질량이 어마어마하게 작은 영역에 뭉쳐져 있는 경우이다. 이때 중력에 의한 시공간의 왜곡은 양자역학을 변형시키는 수준이 될 것으로 예측되는데 그런 환경에서는 중력과 전자기력, 약력, 강력이 하나의 법칙으로 적용되지 않았을까하는 물음이 힘을 통합시키려는 가정의 기반이라 할 수 있다.
일반 상대성 이론과 양자역학을 합치기 어려운 이유는 이들을 결합시킨 방정식에서 물리적, 수학적으로 전혀 말이 안되는 결과만 나오기 때문이다. 기존의 방법대로 둘을 결합시켜 계산을 시도하면 확률이 무한대로 발산하며 인과율을 위반하는 효과가 나타나게 된다. 애초에 아직 저 두 가지는 완벽하게 정복된 분야도 아니다. 일반 상대성 이론은 태양계 범위에서만 실험을 통해 검증이 이루어져 있고 그 초과의 규모에 대해선 실험적으로 검증되지 않았으며 이론의 수학적 성질들도 아직 규명되지 않은 부문이 많다. 양자역학은 아무래도 미시세계라서 일반상대성이론보다 관측하고 증명하기는 쉽지만 여전히 쿼크, 힉스 보손 등의 원자 내부 구성요소들이 무엇으로 이루어졌으며 어떻게 생겨났는가를 설명하지 못한다. 특히 양자장론은 양-밀스 질량 간극 가설도 제대로 설명을 못하고 있다.
아직까지는 실험적으로 증명된 것은 하나도 없으며, 가설조차 제대로 정립되지 않았다. 입자와 기본 상호작용을 끈의 진동으로 설명하려는 초끈 이론이 등장했고 차원은 9차원에서 11차원까지 등장했으며 지금도 새로운 가설이 만들어지고 있는 중이다. 과거 양자역학이 그랬던 것처럼 언젠가는 정립될 것이라 생각하고 있으나, 얼마나 시간이 걸릴지는 알 수 없다. 아니면 아예 '모든 것의 이론' 같은 것이 만들어질 수 없을 가능성도 배제할 수는 없다. 현대 이론물리학의 마지막 과제로 여겨진다.
참고로 알베르트 아인슈타인이 주장한 통일장 이론에는 4가지 힘 중 약력과 강력이 제외되어 있다. 그 당시에는 약력과 강력에 대해서 잘 알려지지 않은 상태였고 아인슈타인은 양자역학을 기반으로 한 입자물리학의 결과에 대해서 그다지 관심을 두지 않았었기 때문이다.
3. 후보[편집]
자세한 내용은 초끈 이론 문서를 참고하십시오. 현재 가장 만물 이론에 근접한 이론은 M이론(Membrane, Magic, Mystery, Matrix, 혹은 모든 이론의 Mother란 뜻)이다. 홀로그래피 원리와 각종 초끈 이론들이 중복된 아직 미정립된 이론이며 사물을 점입자로 관찰하는 것이 아닌 끈으로 서로 연결되어 있다고 생각하여 서로의 역학관계를 풀어낸 이론이다. 이 이론으로 어느정도나마 전자기력, 중력, 약력, 강력의 관계를 설명해 낼 수 있다. 사실 따지고 보면 서로의 이론을 제대로 정립하지도 않고 뭉뚱그려 합쳐놓은 이론이며 이것을 에드워드 위튼이 처음 제안하였다.
11차원의 M이론을 넘어 12차원 F이론(모든 이론의 Father이란 뜻)까지 나오고 있어 만물 이론에 근접하려면 더욱더 머리가 아파온다. 하지만 과거를 생각해 보면 맥스웰이 1800년대 전자기력을 확실히 정립하기 전까지 전기력과 자기력은 서로 간의 관계가 꾸준히 연구되었고, 하나의 이론으로 통일될 수 있다고 제안했던 게 대다수였고 현대의 통일장 이론이라 불리는 M이나 F이론들도 자연계의 제5의 힘의 가능성을 항상 열어두며 연구해 나가고 있기 때문에 이러한 통일장 이론들과 만물 이론들은 허무맹랑한 이론들이 아니라 언젠가 정복해 나가야 할 중요한 이론이며 발전해 나가야 한다.
4. 관련 문서[편집]
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