끈 이론의 역사
1. 개요
끈 이론의 역사는 1940년대 S-행렬 이론에서 시작되었으며, 이는 강하게 상호작용하는 입자가 확장된 물체라는 생각에서 출발했다. 1950년대 후반에는 레제 이론과 부트스트랩 모델이 등장했고, 1960년대에는 이중 공명 모델이 개발되어 끈 이론의 초기 형태를 제시했다. 1970년대에는 보존 끈 이론과 초끈 이론이 발전하며, 끈의 진동 패턴이 중력자의 특성과 일치한다는 사실이 밝혀졌다. 1980년대에는 '최초의 초끈 혁명'을 통해 끈 이론이 모든 기본 입자와 상호작용을 설명할 가능성이 제시되었고, 1990년대에는 '두 번째 초끈 혁명'으로 서로 다른 초끈 이론이 M-이론으로 통합되었다. 2003년 이후에는 끈 이론 풍경이 제시되며 끈 이론의 예측과 우주론 통합에 대한 논의가 이어지고 있다.
| 주요 인물 | 가브리엘레 베네치아노 레너드 서스킨드 홀거 베흐 요이치로 남부 텔 알트슈룰러 앙드레 네뷔 존 슈워츠 마이클 그린 데이비드 그로스 제프리 하비 에밀 마티넥 라이언 로어 커트 시터 알렉산더 폴랴코프 스탠리 맨델스탐 미치오 카쿠 브라이언 그린 조지 츠바이그 |
|---|---|
| 주요 개념 | 초끈 이론 M-이론 끈 장 이론 칼라비-야우 다양체 거울 대칭 ADS/CFT 대응성 플럭스 컴팩트화 |
| 시대적 구분 | 1960년대 1970년대 1980년대 1990년대 2000년대 |
| 관련 학문 분야 | 양자장론 일반 상대성 이론 수학 물리학 초중력 |
| 초기 모델 | 보손 끈 이론 |
-
물리학사 -
티마이오스 (대화편)
플라톤의 대화편 《티마이오스》는 소크라테스, 티마이오스, 크리티아스, 헤르모크라테스의 대화를 통해 우주와 인간의 기원과 본성을 탐구하며, 데미우르고스에 의한 우주 창조, 4원소의 수학적 구조, 그리고 《크리티아스》와의 연관성으로 플라톤 철학의 중요한 위치를 차지한다. -
물리학사 -
보어-아인슈타인 논쟁
-
끈 이론 -
중력자
중력자는 중력 상호작용을 매개하는 가상의 기본 입자로 여겨지지만, 양자화된 일반 상대성 이론의 문제로 인해 완전한 이론이 확립되지 않았으며, 중력파의 존재가 간접적으로 뒷받침하지만 직접적인 검출은 현재 불가능하고 질량에 대한 상한선이 제시되고 있으며 초대칭 파트너인 그라비티노의 존재가 예측된다. -
끈 이론 -
잡종 끈 이론
잡종 끈 이론은 닫힌 끈의 왼쪽 진동 모드는 보손 끈, 오른쪽 진동 모드는 초끈으로 전개하며, 10차원 시공간에서 E<sub>8</sub>×E<sub>8</sub> 또는 SO(32) 게이지 군을 갖는 끈 이론이다.
2. 1943~1959: S-행렬 이론
1943년 베르너 하이젠베르크는 S-행렬을 제안했고, 1937년 존 아치볼드 휠러가 이를 발전시켰다. 당시 양성자와 중성자의 강한 상호작용을 설명하기 위해 도입되었는데, 이들의 자기 모멘트는 점 모양 입자와는 크게 달랐기 때문이다. 하이젠베르크는 시공간 개념 대신 관측 가능한 물리량에 초점을 맞추어 이 문제를 해결하고자 했다. 그는 실험을 통해 측정 가능한 운동량 상태의 개념은 시공간이 불확실해도 유효하며, 들어오는 입자들이 나가는 입자들로 변환되는 양자 역학적 진폭을 물리량으로 제안했다. 그는 S-행렬을 통해 이 변환 과정을 설명하고, 시공간 구조에 대한 가정 없이 S-행렬을 직접 연구할 것을 제안했다.
머리 겔만 등은 분산 관계를 통해 S-행렬의 해석학적 속성을 연구했다. 분산 관계는 인과율 개념을 바탕으로 S-행렬에 엄격한 조건을 부과했다. 겔만과 마빈 레너드 골드버거는 S 행렬이 만족하는 조건인 교차 대칭을 발견했다. 스탠리 만델스탐은 이중 분산 관계를 발견하여 강한 상호작용 연구에 기여했다.
3. 1959~1968: 레제 이론과 부트스트랩 모델
1950년대 후반, 더 높은 스핀을 갖는 강하게 상호작용하는 입자들이 많이 발견되면서, 이들 모두가 기본 입자는 아니라는 것이 분명해졌다. 사카타 쇼이치는 이 입자들이 양성자, 중성자, 람다 세 가지 입자의 결합 상태로 이해될 수 있다고 제안했다. 반면, 제프리 추는 이들 입자 중 어느 것도 기본 입자가 아니라고 믿었다. (부트스트랩 모형 참조). 사카타의 접근 방식은 1960년대 머리 겔만과 George Zweig에 의해 쿼크 모형으로 발전되었는데, 이들은 가상 구성 입자의 전하를 분수로 만들고, 그것이 관찰된 입자라는 생각을 거부했다. 당시 추의 접근 방식은 분수 전하 값을 도입하지 않고, 실험적으로 측정 가능한 S-행렬 원소에 초점을 맞추었기 때문에 더 주류로 여겨졌다.
1959년, 툴리오 레제는 양자역학의 속박 상태가 레제 궤도로 알려진 계열로 구성될 수 있으며, 각 계열은 고유한 각운동량을 갖는다는 것을 발견했다. 이 아이디어는 스텐리 만델스탐, 블라디미르 나우모비치 그리보프, 마르셀 프로아사르에 의해 상대론적 양자역학으로 일반화되었으며, 아르놀트 조머펠트와 케네스 M. 왓슨이 수십 년 전에 발견한 수학적 방법(좀머펠트-왓슨 표현)을 사용했다. 그 결과는 Froissart-Gribov 공식으로 불렸다.
1961년, 제프리 추와 스티븐 프라우치는 중간자가 직선형 레제 궤도를 갖는다는 것을 인식했다. (그들의 계획에서는 소위 Chew-Frautschi 플롯에서 질량 제곱에 대해 스핀이 표시된다). 이는 이 입자들의 산란이 매우 이상한 거동을 보일 것임을 의미했다. 즉, 큰 각도에서 기하급수적으로 빠르게 떨어져야 했다. 이러한 실현을 통해 이론가들은 레제 이론에서 요구하는 점근적 형태의 산란 진폭을 갖는 레제 궤도에 합성 입자 이론을 구축하기를 희망했다.
1967년, 캘리포니아 공과대학교에서 리처드 돌렌, 데이비드 혼, 크리스토프 슈미트가 DHS 이중성 원칙을 도입했다. (원래 용어는 "평균 이중성" 또는 "유한 에너지 합계 규칙(FESR) 이중성"이었다). 세 명의 연구원은 레제 극 교환(고에너지에서)과 공명(저에너지에서) 설명이 하나의 동일한 물리적으로 관찰 가능한 프로세스에 대한 여러 표현/근사를 제공한다는 점에 주목했다.
4. 1968~1974: 이중 공명 모델
강입자가 기본적으로 레제 궤적을 따르는 최초의 모델은 1968년 가브리엘레 베네치아노가 구축한 쌍대 공명 모형이었다. 그는 오일러 베타 함수를 사용하여 그러한 입자에 대한 4입자 산란 진폭 데이터를 설명할 수 있다고 언급했다. 베네치아노 산란 진폭 (또는 베네치아노 모델)은 지로 코바와 홀거 베크 닐센에 의해 N 입자 진폭으로 빠르게 일반화되었고, 미겔 비라소로 및 조엘 A. 샤피로에 의해 닫힌 끈으로 일반화되었다.
1969년에는 천-페이턴 규칙 (잭 E. 패튼과 홍-모 찬이 제안)을 통해 베네치아노 모델에 아이소스핀 인자를 추가할 수 있었다.
1969~70년에 남부 요이치로, 홀거 베크 닐센, 및 레너드 서스킨드는 핵력을 진동하는 1차원 끈으로 표현하여 베네치아노 진폭에 대한 물리적 해석을 제시했다. 그러나 강한 힘에 대한 이 끈 기반 설명은 실험 결과와 직접적으로 모순되는 많은 예측을 만들었다.
1971년에 피에르 라몽와 독립적으로 존 헨리 슈워츠 및 앙드레 느뵈는 페르미온을 이중 모델에 구현하려고 시도했다. 이는 "회전하는 끈"이라는 개념으로 이어졌고 문제가 있는 타키온을 제거하는 방법을 제시했다( RNS 형식주의 참조).
강한 상호작용에 대한 이중 공명 모델은 1968년에서 1973년 사이에 상대적으로 인기 있는 연구 주제였다. 과학계는 양자색역학이 이론 연구의 주요 초점이 된 1973년에 강한 상호 작용의 이론인 끈 이론에 대한 관심을 잃었다 (주로 점근적 자유의 이론적 매력으로 인해).
5. 1974~1984: 보존 끈 이론과 초끈 이론
1974년에 존 헨리 슈워츠와 조엘 셰르크, 그리고 독립적으로 요네야 타미아키는 보존과 유사한 끈 진동 패턴을 연구하고 그 특성이 중력의 가상 매개 입자인 중력자의 특성과 정확히 일치한다는 사실을 발견했다. 슈워츠와 셰르크는 물리학자들이 끈 이론의 범위를 과소평가했기 때문에 따라잡지 못했다고 주장했다. 이는 보존 끈 이론의 발전으로 이어졌다.
끈 이론은 폴리아코프 작용의 관점에서 공식화된다. 용수철과 마찬가지로 끈은 위치 에너지를 최소화하기 위해 수축하는 경향이 있지만 에너지 보존으로 인해 끈이 사라지는 것을 방지하고 대신 진동한다. 양자역학의 아이디어를 끈에 적용함으로써 끈의 다양한 진동 모드를 추론하는 것이 가능하며 각 진동 상태는 서로 다른 입자로 나타난다. 각 입자의 질량과 그것이 상호작용할 수 있는 방식은 끈이 진동하는 방식, 즉 본질적으로 끈의 "소리"에 따라 결정된다. 각기 다른 종류의 입자에 해당하는 음표의 규모를 이론의 스펙트럼이라고 한다.
초기 모델에는 두 개의 서로 다른 끝점이 있는 '열린' 끈과 끝점이 결합되어 폐곡선을 만드는 '닫힌' 끈이 모두 포함되었다. 두 가지 유형의 끈은 약간 다른 방식으로 동작하여 두 가지 스펙트럼을 생성한다. 모든 현대 끈 이론이 두 유형을 모두 사용하는 것은 아니다. 일부는 닫힌 끈만 사용한다.
최초의 끈 모델에는 몇 가지 문제가 있었다. 임계 차원 D = 26을 갖고 있는데, 이는 원래 1971년 클로드 러브레이스가 발견한 특징이다. 이 이론은 타키온이 존재한다는 근본적인 불안정성을 가지고 있다. ( 타키온 응축 참조) 또한 입자의 스펙트럼에는 특정 행동 규칙을 따르는 광자와 같은 입자인 보손만 포함된다. 보손은 우주의 중요한 구성 요소이지만 우주의 유일한 구성 요소는 아니다. 끈 이론의 스펙트럼에 페르미온이 포함될 수 있는지 조사한 결과 1971년 서구권에서는 보존과 페르미온 사이의 수학적 변환인 초대칭이 발명되었다. 페르미온 진동을 포함하는 끈 이론은 이제 초끈 이론으로 알려져 있다.
1977년에 GSO 사영 (페르디난도 글리오치, 조엘 셰르크, 데이비드 I. 올리브의 이름을 따서 명명됨)은 타키온이 없는 단일 자유 끈 이론, 최초의 일관된 초끈 이론을 탄생시켰다.
6. 1984~1994: 최초의 초끈 혁명
1984년은 끈 이론에서 중요한 발견들이 이루어진 시기이다. 끈 이론이 모든 기본 입자와 입자 간의 상호 작용을 설명할 수 있다는 사실이 알려지면서, 수백 명의 물리학자들이 끈 이론을 연구하기 시작했다. 이는 물리학 이론을 통합하는 가장 유망한 아이디어로 여겨졌다. 이 혁명은 마이클 그린과 John H. 슈워츠의 이름을 딴 그린-슈바르츠 메커니즘을 통해 1종 끈이론에서 변칙 상쇄가 발견되면서 시작되었다. 1985년에는 데이비드 그로스, Jeffrey Harvey, 에밀 마티넥, Ryan Rohm이 잡종 끈을 발견했다. 같은 해, Philip Candelas, 게리 호로위츠, 앤드류 스트로민저, 에드워드 위튼은 초대칭을 얻기 위해서는 6개의 작은 추가 차원(초끈 이론의 D = 10 임계 차원은 원래 1972년 John H. 슈워츠에 의해 발견됨)이 칼라비-야우 다양체에서 축소되어야 한다는 것을 발견했다. (끈 이론에서 축소화는 1920년대에 처음 제안된 칼루자-클라인 이론의 일반화이다.)
1985년에는 유형 I, 유형 II(IIA 및 IIB), 및 이종 끈의 다섯 가지 초끈 이론이 설명되었다.
1986년 11월 디스커버 잡지(7권, 11호)에는 게리 타우베스가 쓴 "모든 것이 이제 끈에 묶여 있다"라는 표지 기사가 실려 끈 이론을 대중에게 설명했다.
1987년, Eric Bergshoeff독일어, Ergin Sezgin독일어과 폴 타운젠드는 11차원( 초중력 이론에서 단일 중력자와 일치하는 가장 큰 차원 수)에는 초끈이 없지만 초막은 존재함을 보였다.
7. 1994~2003: 두 번째 초끈 혁명
1990년대 초, 에드워드 위튼과 다른 사람들은 서로 다른 초끈 이론들이 M이론으로 알려진 11차원 이론의 서로 다른 한계라는 강력한 증거를 발견했다(M 이론 소개 참조). 이러한 발견은 대략 1994년에서 1995년 사이에 발생한 두 번째 초끈 혁명을 촉발시켰다.
초끈 이론의 다양한 버전은 오랫동안 바라던 대로 새로운 동등성에 의해 통합되었다. 이는 S-이중성, T-이중성, U-이중성, 거울 대칭 및 코니폴드 변환으로 알려져 있다. 끈에 관한 다양한 이론도 M 이론과 관련이 있다.
1995년에 조지프 폴친스키는 이론에 D-막이라고 불리는 더 높은 차원의 물체가 포함되어야 한다는 사실을 발견했다. 이것들은 끈 이중성에 필요한 전기 및 자기 라몽-라몽 장의 원천이다. D-막들은 이론에 풍부한 수학적 구조를 추가했으며 이론에서 현실적인 우주론 모델을 구성할 수 있는 가능성을 열었다(자세한 내용은 브레인 우주론 참조).
1997~98년에 후안 말다세나는 IIB 끈 이론과 N = 4 초대칭 양-밀스 이론, 즉 게이지 이론 사이의 관계를 추측했다. AdS/CFT 대응이라고 불리는 이 추측은 고에너지 물리학에서 많은 관심을 불러일으켰다. 이는 광범위한 의미를 갖는 홀로그램 원리의 실현이다. AdS/CFT 대응성은 스티븐 호킹의 연구 에서 제안한 블랙홀의 신비를 밝히는 데 도움이 되었으며 블랙홀의 정보 역설을 해결하는 방법을 제공하는 것으로 믿어진다.
8. 2003년~현재: 끈 이론 풍경과 전망
2003년, 마이클 R. 더글러스는 끈 이론 풍경을 발견했다. 이는 끈 이론이 여러 개의 동일하지 않은 거짓 진공을 가질 수 있다는 것을 보여주었다. 이 발견은 끈 이론이 결국 무엇을 예측할 수 있을지, 그리고 우주론을 끈 이론에 어떻게 통합할 수 있을지에 대한 많은 논의를 불러일으켰다.
같은 해, 샤미트 카치루, 레나타 칼로쉬, 안드레이 린데, 샌딥 트리베디는 끈 이론 진공 안정화의 가능한 메커니즘(KKLT 메커니즘)을 제안했다.
현재는 양자 중력과 호환되지 않는 이론들의 "스왐프랜드"를 특징짓는 연구가 많이 진행되고 있다.