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모든 것의 이론

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목차

1. 개요

모든 것의 이론은 우주의 모든 물리적 현상을 설명하려는 가설적인 이론으로, 고대 그리스 철학자들부터 현대 물리학자들에 이르기까지 오랜 기간 탐구되어 왔다. 17세기 아이작 뉴턴의 만유인력 법칙, 19세기 제임스 클러크 맥스웰의 전자기학 이론과 같이, 다양한 현상을 하나의 이론으로 통합하려는 시도가 있어왔다. 현재는 강한 핵력과 약한 핵력을 통합하는 대통일 이론과 중력을 포함하는 이론을 연구하고 있으며, 초끈 이론, M-이론, 루프 양자 중력 이론 등이 주요 후보로 제시되고 있다. 이러한 이론들은 실험적 검증의 어려움, 이론적 난제, 철학적 논쟁 등 다양한 문제에 직면해 있으며, 특히 양자역학과 일반 상대성 이론의 통합이 중요한 과제로 남아 있다.

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모든 것의 이론
개요
이름만물의 이론
로마자 표기Manmur-ui iron
영어 이름Theory of Everything (ToE)
다른 영어 이름Great Unification Theory (GUT), Super Unification Theory (SUT)
분야물리학
설명'만물의 이론'은 모든 물리적 현상을 일관되고 완전하게 설명하는 이론적 틀을 찾는 물리학의 궁극적인 목표이다.
이론적 배경
표준 모형표준 모형을 넘어선다
목표우주의 모든 물리적 상호작용을 단일 이론으로 통합하는 것
난제현재까지 존재하지 않음; 양자역학과 일반 상대성이론의 통합의 어려움
궁극적인 목표우주의 모든 물리적 현상을 설명하는 이론
핵심 개념
통합중력, 전자기력, 약력, 강력을 하나의 이론으로 통합
기본 입자모든 기본 입자를 설명하는 단일 이론
우주론우주의 기원과 진화를 설명
자연의 법칙모든 자연 현상의 근본적인 법칙을 발견
주요 후보 이론
끈 이론입자를 1차원 끈으로 가정하여 중력을 포함한 모든 힘을 통합 시도
M 이론끈 이론을 확장한 이론
루프 양자 중력시공간을 양자화하여 중력을 설명하려는 이론
기타양자 중력
대통일 이론
수학적 우주 가설
칼루차-클라인 이론
브레인 우주론
보옴 해석
확률적 전기역학
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주요 과제
실험적 검증실험을 통한 검증이 매우 어려움
수학적 복잡성이론적 구조의 수학적 복잡성
이론 간의 불일치현재 이론들의 불일치 해결
양자 중력양자 역학과 일반 상대성이론의 통합
관련 용어
대통일 이론3가지 기본 상호작용(강력, 약력, 전자기력)을 통합하려는 이론
초대칭페르미온과 보손 사이의 대칭성을 도입하는 이론
양자 중력양자역학과 일반 상대성이론을 통합하려는 이론
기타
관련 주제표준 모형을 넘어서는 물리학
우주론
입자 물리학
양자역학
일반 상대성이론
참고 도서스티븐 와인버그의 "Dreams of a Final Theory: The Scientist's Search for the Ultimate Laws of Nature"
참고 도서스티븐 호킹의 "The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe"
과학자
관련 과학자루돌프 하겐, 마틴 레너트, 루시앙 아르노노프
해결되지 않은 문제
핵심 질문우주의 모든 물리적 현상을 일관성 있고 완전하게 설명하는 이론적 틀이 존재하는가?

2. 역사적 배경

라플라스의 도깨비는 주어진 시간에 모든 입자들의 속력을 알 수 있다면, 자연의 법칙을 통해 미래와 과거의 모든 입자들의 위치를 계산할 수 있다는 개념이다.[19] 현대 양자역학에서는 불확실성이 존재하지만, 많은 물리학자들은 여전히 '통합된 공식'이 존재할 것이라고 믿는다.

고대 그리스 철학자들은 겉으로 보이는 다양성 속에 근본적인 통합이 숨겨져 있다고 보았다. 17세기 아이작 뉴턴의 자연철학의 수학적 원리(프린키피아)는 갈릴레이의 지구 자전 법칙, 케플러의 행성 공전 법칙, 조수간만의 차이 등을 중력이라는 하나의 법칙으로 설명하며, 힘의 단일화에 대한 첫 경험적 증거를 제시했다.

1820년 한스 크리스티안 외르스테드가 전기와 자기력의 연결을 발견한 것은 제임스 클러크 맥스웰의 전자기력 연구로 이어졌다. 19세기와 20세기 초, 탄성, 점성, 마찰력, 압력 등이 작은 입자들 간의 전기적 상호작용의 결과라는 것이 밝혀졌다. 1920년대 후반 양자역학은 원자 간 화학 결합이 전기력의 한 예시임을 보여주었다.

중력과 전자기력 통합 시도는 1849~50년 마이클 패러데이의 실험에서 시작되었다. 1915년 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론 발표 후, 군나르 노르드스트룀, 헤르만 바일, 아서 스탠리 에딩턴, 테오도어 칼루차, 오스카르 클레인, 알베르트 아인슈타인 등이 통합 이론 연구에 참여했다.

"모든 것의 이론"이라는 용어는 초기에는 지나치게 일반화된 이론들을 풍자하는 데 사용되었으나, 1977년 물리학자 하랄트 프리츠슈(Harald Fritzsch)가 사용하고,[9] 1986년 존 엘리스가[10] 네이처지에 "TOE"라는 약어를 도입하면서[11] 전문 용어로 사용되기 시작했다.

2. 1. 고대 ~ 19세기

고대 그리스 철학에서는 전소크라테스 철학자들이 관찰되는 현상의 다양성이 원자들의 운동과 충돌이라는 단일 유형의 상호작용 때문이라고 추측했다. 데모크리토스가 제안한 '원자' 개념은 자연 현상을 통합하려는 초기 철학적 시도였다.[15] '원자' 개념은 고대 인도 철학의 나야-바이셰시카 학파에도 등장했다.

고대 바빌로니아 천문학자들과 인도 천문학자들은 별들을 배경으로 하는 '7개의 신성한 광체' (행성)의 패턴을 연구했다. 이들은 천체의 움직임을 인간의 사건과 연관시키고(점성술), 시간 척도에 따라 사건을 기록하여 반복되는 패턴을 찾아 사건을 예측했다. 우주가 시작을 가지는지 아니면 영원한 순환을 하는지에 대한 논쟁은 고대 바빌로니아까지 거슬러 올라간다.[12] 힌두교 우주론은 시간이 무한하며, 현재 우주는 무한한 수의 우주들에 앞서 존재했고 뒤따라올 것이라는 '순환 우주'를 가정한다.[13][14] 힌두교 우주론에서 언급된 시간 척도는 현대 과학 우주론의 시간 척도와 일치한다. 그 순환은 우리의 일상적인 주야에서 브라마의 주야, 즉 86억 4천만 년에 이르기까지 다양하다.[15]

아르키메데스는 자연을 공리(원리)로 설명하고 그로부터 새로운 결과를 추론한 최초의 철학자일 것이다. 어떤 "만물의 이론"도 마찬가지로 공리에 기반을 두고 모든 관찰 가능한 현상을 그로부터 추론해야 할 것으로 예상된다.

17세기 후반, 아이작 뉴턴의 장거리 중력에 대한 설명은 자연의 모든 힘이 사물이 접촉하는 결과로 생기는 것은 아니라는 것을 의미했다. 뉴턴의 저서 ''자연철학의 수학적 원리''는 통일의 또 다른 예로 이 문제를 다루었는데, 이 경우 지상 중력에 대한 갈릴레오의 연구, 케플러의 행성 운동 법칙, 그리고 조석 현상을 단일 법칙, 즉 만유인력의 법칙으로 설명함으로써 통일했다.[18] 뉴턴은 물리학 최초의 위대한 통합을 달성했으며, 더 나아가 대통일 이론을 위한 미래의 노력의 기반을 마련한 것으로 인정받고 있다.

1814년, 라플라스는 주어진 시간에 모든 입자의 위치와 속도와 자연 법칙을 알고 있다면 어떤 시간에도 어떤 입자의 위치를 계산할 수 있다고 제안했다.[19] 라플라스의 도깨비에서 라플라스는 중력과 역학의 결합을 만물의 이론으로 간주했다. 현대 양자 역학은 불확정성은 불가피하다는 것을 의미하며, 따라서 라플라스의 비전은 수정되어야 한다. 만물의 이론은 중력과 양자 역학을 포함해야 한다. 양자 역학을 무시하더라도, 카오스 이론은 충분히 복잡한 기계적 또는 천문학적 시스템의 미래는 예측할 수 없다는 것을 보장하기에 충분하다.

1820년, 한스 크리스티안 외르스테드는 전기와 자기 사이의 연관성을 발견하여 수십 년 동안의 연구를 촉발했으며, 그 결과 1865년 제임스 클러크 맥스웰의 전자기학 이론이 나왔고, 이는 물리학의 두 번째 위대한 통합을 달성했다.

1849년에서 1850년 사이의 실험에서 마이클 패러데이는 최초로 중력과 전기 및 자기에 대한 통합을 모색했다.[20] 그러나 그는 아무런 연관성을 발견하지 못했다.

2. 2. 20세기 초

1820년에 한스 크리스티안 외르스테드가 전기와 자기력의 연결에 대해 발견했고, 이는 제임스 클러크 맥스웰의 전자기력 연구의 시발점이 되었다. 19세기와 20세기 초반에는 탄성, 점성, 마찰력, 압력과 같은 힘들이 가장 작은 입자들 간의 전기적 상호작용의 결과라는 것이 점차 밝혀졌다.

1915년 알베르트 아인슈타인의 중력 이론(일반 상대성 이론)이 발표된 후, 중력과 전자기력을 통합하려는 통일장 이론 연구가 본격적으로 시작되었다. 당시에는 다른 근원적인 힘들이 존재하지 않는다는 것이 그럴 듯하게 여겨졌다. 군나르 노르드스트룀, 헤르만 바일, 아서 스탠리 에딩턴, 테오도어 칼루차, 오스카르 클레인등이 통일장 이론 연구에 크게 공헌했다. 특히 아인슈타인은 말년에 통일장 이론을 찾기 위해 열정적으로 노력했지만, 성공하지는 못했다.[24]

1920년대 후반, 새롭게 등장한 양자역학은 원자 사이의 화학 결합이 (양자) 전기력의 결과임을 보여주었다. 이에 폴 디랙은 "물리학의 상당 부분과 화학 전체에 대한 수학적 이론에 필요한 기본적인 물리 법칙은 완전히 알려져 있다"라고 주장했다.[22]

2. 3. 20세기 후반 ~ 현재

20세기 후반, 강한 핵력과 약한 핵력이 발견되면서 통일 이론 연구는 새로운 국면을 맞이했다. 셸던 글래쇼, 스티븐 와인버그, 압두스 살람은 전자기력과 약한 상호작용을 통합한 전약력 이론을 제시했다.[25] 전약력 통합은 자발 대칭성 깨짐 현상으로 설명되는데, 낮은 에너지에서는 전자기력과 약한 힘이 분리되어 나타나지만, 높은 에너지에서는 통합된 모습을 보인다.

입자물리학의 표준 모형은 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 통합했지만, 중력을 포함하지 못했다. 또한, 양자역학과 일반 상대성이론 사이의 불일치 문제도 남아있다.

현재 가장 유력한 모든 것의 이론 후보는 초끈 이론, M이론, 루프 양자 중력 이론 등이다. 이들은 아직 실험적으로 검증되지 않았지만, 이론적으로 많은 가능성을 제시하고 있다. 초끈 이론은 만물의 기본 단위를 점 입자가 아닌 미세한 끈으로 보고, 10차원 또는 11차원 시공간을 가정한다. M-이론은 5가지 초끈 이론을 통합하는 11차원 이론이며, 소립자를 2차원 막으로 다룬다. 루프 양자 중력 이론은 시공간 자체를 양자화하여 중력을 양자역학적으로 설명하려는 시도이다.

3. 현대 물리학의 표준 모형과 대통일 이론

물리학의 역사는 서로 다르게 보이는 물리 현상들이 사실은 같은 기원을 가지고 있다는 것을 밝혀내는 과정이었다. 예를 들어, 아이작 뉴턴은 천체의 회전 운동과 사과가 지구로 떨어지는 운동이 모두 중력이라는 같은 힘에 의한 것임을 밝혀냈다. 마찬가지로 마이클 패러데이와 제임스 클러크 맥스웰 등은 전기력과 자기력이 모두 같은 힘, 즉 전자기력이라는 것을 알아냈다.

현재 실험적으로 구별되는 힘은 전자기력, 약한 상호작용(약력), 강한 상호작용(강력), 중력 네 가지뿐이다. 이 중 전자기력과 약력은 사실 같은 힘의 다른 모습임이 밝혀졌다.

표준 모형은 입자 물리학의 기본 이론으로, 전자기력, 약력, 강력을 통합하여 설명한다. 셸던 리 글래쇼, 스티븐 와인버그, 압두스 살람의 이론에 따르면, 약력과 전자기력은 매우 작은 크기에서 하나의 힘(약전자기력)으로 통합된다.

강력 또한 전자기력 및 약력과 통합될 수 있다는 이론이 제시되었는데, 이를 대통일 이론(GUT)이라고 한다. 조자이의 SU(5) 리 군을 이용한 모델이 대표적인 예이다. 그러나 이 이론에서 예측하는 양성자 붕괴가 아직 관측되지 않아, 확실한 대통일 이론은 아직 정립되지 않았다.

표준 모형과 대통일 이론은 양자장론에 기반하고 있으며, 매우 높은 에너지에서만 의미를 가지는 유효장론으로 간주되기도 한다.[5]

3. 1. 표준 모형의 구성

셸던 리 글래쇼, 스티븐 와인버그, 압두스 살람의 이론에 따르면, 표준 모형에서 작은 크기에서는 약한 상호작용과 전자기력이 같은 힘으로 작용한다. 이 둘은 200 GeV 정도의 크기에서 대칭 깨짐에 의해 큰 크기에서는 다른 힘으로 보이는데, 이들을 합해 약전자기력이라고 부르기도 한다. 약전자기력은 표준 모형에 반영되어 있으며, Z보존의 발견으로 실험적으로 확립되었다.[25]

전약력 통일은 자발적 대칭성 깨짐으로 설명된다. 약한 힘을 매개하는 W 보존과 Z 보존은 질량이 0이 아닌 반면(각각 80.4GeV/c2과 91.2GeV/c2), 전자기력을 매개하는 광자는 질량이 0이기 때문에 낮은 에너지에서는 전자기력과 약한 힘이 별개로 나타난다. 높은 에너지에서는 W 보존과 Z 보존이 쉽게 생성될 수 있으며, 힘의 통일된 본질이 명확해진다.

강한 상호작용과 전약력은 입자물리학의 표준 모형 하에서 공존하지만, 여전히 별개로 남아 있다. 여러 대통일 이론(GUT)이 제안되었지만, 전자핵력의 존재를 의미하는 대통일은 현재 가능한 어떤 입자가속기로도 도달할 수 없는 1016 GeV 정도의 에너지에서 시작될 것으로 예상되어 실험적으로 검증하기 어렵다.

3. 2. 대통일 이론 (GUT)

물리학에서 대통일 이론(GUT)은 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기력을 통합하려는 이론이다. 셸던 리 글래쇼, 스티븐 와인버그, 압두스 살람은 약한 상호작용과 전자기력이 200 GeV 정도의 에너지에서 하나의 힘(전약력)으로 통합된다는 것을 보였다.[25] 마찬가지로 강한 상호작용도 전자기력, 약한 상호작용과 통합될 수 있다는 이론이 제시되었는데, 이를 대통일 이론이라고 한다.

조자이의 SU(5) 리 군을 이용한 모델이 대표적인 대통일 이론이다. 그러나 이 이론에서 예측하는 양성자 붕괴가 아직 관측되지 않아, 확실한 대통일 이론은 아직 알려지지 않았다.

여러 대통일 이론이 제안되었지만, 특히 초대칭성과 결합된 대통일 이론은 이론 물리학계에서 선호되는 후보이다. 초대칭 대통일 이론은 많은 양의 암흑 물질을 자연스럽게 생성하고, 급팽창력이 대통일 이론 물리학과 관련 있을 수 있다는 점에서 타당성이 있다.[5]

대통일은 약 1016 GeV 정도의 에너지에서 일어날 것으로 예측되는데, 이는 현재 가능한 어떤 입자가속기로도 도달할 수 없는 에너지 규모이다.[5]

4. 모든 것의 이론 후보

"모든 것의 이론"은 자연의 모든 기본 상호작용, 즉 중력, 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기력을 통합하는 이론이다. 약한 상호작용은 소립자의 종류를 변환시킬 수 있으므로, 모든 것의 이론은 가능한 모든 종류의 입자를 예측해야 한다.

통합 단계통합 에너지 (예상)설명
모든 것의 이론모든 기본 상호작용 통합
양자 중력중력과 양자역학 통합
대통일 이론 (GUT)전자기력, 약력, 강력 통합
전약 상호작용100 GeV전자기력과 약력 통합



여러 대통일 이론(GUT)이 제안되었지만, 실험적으로 검증되지는 않았다. 특히 초대칭성과 결합된 대통일 이론은 이론 물리학계에서 선호되는 후보이다. 초대칭 대통일 이론은 자연스럽게 많은 양의 암흑 물질을 생성하고, 급팽창력이 대통일 이론 물리학과 관련이 있을 수 있다는 점에서 타당성이 있다. 그러나 대통일 이론은 재규격화 기법이 필요하며, 이는 매우 높은 에너지에서만 관련 있는 현상을 생략한 유효장론일 수 있다는 신호로 간주된다.[5]

양자역학과 중력의 통합은 아직 해결되지 않은 문제이다. 많은 연구자들이 이 문제를 연구하고 있지만, 관측 증거를 가진 양자 중력 이론은 아직 등장하지 않았다.

우주론에서는 급팽창력과 암흑 에너지라는 두 가지 후보 힘과 암흑 물질의 존재가 제안되었지만, 아직 증명되지 않았다.

4. 1. 초끈 이론과 M-이론

초끈 이론은 만물의 기본 단위를 점 입자가 아닌 미세한 끈으로 보는 이론으로, 10차원 또는 11차원 시공간을 가정한다. M-이론은 5가지 초끈 이론을 통합하는 11차원 이론으로, 에드워드 위튼을 비롯한 여러 물리학자들이 연구하고 있다. 초끈 이론은 중력을 자연스럽게 포함하고, 양자역학과 일반 상대성이론의 통합 가능성을 제시한다.[9][10][11]

초끈 이론은 블랙홀 정보 역설을 해결하고, 올바른 블랙홀 엔트로피를 계산하는 등[31][32] 양자 중력의 난제를 해결하는 데 기여할 수 있다. 또한, 위상 변화 과정을 허용한다.[33][34][35] 초끈 이론은 추가 차원의 존재를 예측하며, 이는 칼루차-클라인 이론과 관련이 있다. 칼루차-클라인 이론에서는 하나의 공간 차원이 작고 말려 있는 5차원 우주에 일반 상대성 이론을 적용하면, 4차원 관점에서는 일반적인 일반 상대성 이론과 맥스웰 전자기학이 결합된 것처럼 보인다.[26]

초끈 이론은 초대칭성을 예측하며, 이는 표준 모형의 계층성 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다. 계층성 문제는 중력이 다른 어떤 힘보다 훨씬 약한 이유에 대한 질문이다. 추가 차원 해결책은 다른 힘을 4차원 시공간에 가두어 두면서 중력이 다른 차원으로 전파되도록 허용하는 것이다.[26]

게이지/끈 이중성으로 인해 순수 수학과 일반적인 강하게 결합된 게이지 이론에 대한 많은 통찰력을 제공했다.

1990년대 후반, 이러한 노력의 주요 장애물 중 하나는 가능한 4차원 우주의 수가 엄청나게 많다는 점(10500 정도로 추산됨)이었다. 이러한 모델의 배열을 끈 이론 랜드스케이프라고 한다.

M이론의 경우, 소립자는 끈이 아니라 2차원 막으로 다뤄진다.

4. 2. 루프 양자 중력 이론

고리 양자 중력(Loop Quantum Gravity)은 시공간 자체를 양자화하여 중력을 양자역학적으로 설명하려는 시도이다.[39] 고리 양자 중력은 가능한 길이 눈금에 대한 하한을 제시한다.[39]

최근 양자 고리 중력이 표준 모형과 유사한 특징을 재현할 수 있다는 주장이 제기되었다. 선댄스 빌슨-톰슨은 시공간의 땋기로 구성된 프리온을 사용하여 올바른 패리티 성질을 가진 1세대 페르미온(렙톤과 쿼크)만을 모델링하였다.[40] 그러나 이러한 입자의 상호작용을 설명하는 라그랑지안을 유도한 적이 없으며, 이러한 입자가 페르미온임을 보이거나 표준 모형의 게이지 군이나 상호작용이 실현됨을 보일 수도 없다. 양자 컴퓨팅 개념을 사용하여 입자가 양자 요동을 견딜 수 있음을 보여주는 것이 가능해졌다.[41]

이 모델은 전하와 색 전하를 위상적 양으로 해석하게 한다 (전하는 개별 리본에 실린 비틀림의 수와 카이랄성으로, 색은 고정된 전하에 대한 그러한 비틀림의 변형으로).

빌슨-톰슨의 원 논문은 고차원 페르미온을 더 복잡한 땋기로 나타낼 수 있다고 제안했지만, 이러한 구조의 명시적인 구성은 제시되지 않았다. 이러한 페르미온의 전하, 색, 패리티 성질은 1세대와 같은 방식으로 나타날 것이다. 이 모델은 2008년 빌슨-톰슨, 해킷, 카우프만, 스몰린의 논문에서 무한한 세대 수와 약력 보손(그러나 광자나 글루온은 아님)에 대해 명시적으로 일반화되었다.[42]

4. 3. 기타 후보 이론

인과 페르미온계 이론[43]은 일반 상대성 이론과 양자장 이론을 극한 경우로 제시하는 이론이다.

인과 집합 이론은 시공간이 근본적으로 불연속적이며, 시공간 사건은 부분 순서에 의해 관련되어 있다는 이론이다. 이 부분 순서는 상대적인 과거와 미래를 구분하는 시공간 사건 사이의 인과 관계를 의미한다. 이 이론의 직접적인 목표는 모든 것을 설명하는 이론을 달성하는 것이 아니라 작동하는 양자 중력 이론을 만드는 것이다.

인과 동역학 삼각측량은 별도의 차원 공간을 가정하지 않고, 시공간 구조 자체가 어떻게 진화하는지를 보여주려고 시도하는 이론이다.

ER=EPR은 양자 얽힘된 입자가 웜홀(또는 아인슈타인-로젠 다리)로 연결되어 있다는 물리학의 추측이다.[44]

5. 모든 것의 이론과 관련된 난제

모든 것의 이론과 관련된 난제는 크게 실험적 검증의 어려움과 이론적 난제로 나눌 수 있다.

실험적 검증의 어려움은 양자역학과 일반 상대성 이론을 결합할 때 발생한다. 중력이 작용하면 양자역학 방정식이 불안정해지기 때문이다. 모든 것의 이론을 검증하려면 가속기에서 플랑크 에너지를 만들어 초끈 이론을 검증해야 하는데, 현재 기술로는 불가능하다. 거대 강입자 충돌기(LHC)조차도 플랑크 에너지의 극히 일부만을 생성할 수 있을 뿐이다.[58] 또한, 아직까지 초대칭 입자가 발견되지 않았다는 점도 문제이다.

이론적 난제로는 표준 모형이 중력을 포함하지 못하고, 암흑 물질, 암흑 에너지, 중성미자 질량 등 여러 현상을 설명하지 못한다는 점이 있다. 끈 이론은 이러한 문제를 해결하기 위한 시도 중 하나이지만, 우리 우주 외에 추가적인 차원이 필요하다는 점과 초대칭성을 가정해야 한다는 점 등 여러 난관이 존재한다.

끈 이론은 우리 우주의 4차원 외에 7개의 추가 차원을 필요로 한다. 이는 칼루차-클라인 이론의 영향을 받은 것이다. 칼루차-클라인 이론에서는 하나의 공간 차원이 작고 말려 있는 5차원 우주에 일반 상대성 이론을 적용하면, 4차원에서는 일반적인 일반 상대성 이론과 맥스웰 전자기학이 결합된 것처럼 보인다. 끈 이론의 또 다른 중요한 특징은 초대칭성으로, 추가 차원과 함께 표준 모형의 계층성 문제(중력이 다른 힘보다 훨씬 약한 이유)를 해결하기 위한 두 가지 주요 제안 중 하나이다.[26]

끈 이론은 블랙홀 정보 역설 해결, 블랙홀 엔트로피 계산[31][32], 위상 변화 과정 허용[33][34][35] 등 양자 중력의 핵심 질문을 다룰 수 있다는 장점이 있다. 그러나 가능한 4차원 우주의 수가 엄청나게 많다는 점(끈 이론 랜드스케이프)은 끈 이론의 또 다른 난제이다.

이러한 문제에 대한 해결책으로 인류원리가 제시되기도 한다. 인류원리에 따르면, 우리가 일반적으로 우주의 기본 상수로 생각하는 것은 이론에 의해 결정되는 것이 아니라 인류원리의 결과이다. 그러나 이는 끈 이론이 유용한 예측을 할 수 없다는 비판[36]으로 이어져, 끈 이론을 유사과학으로 간주하기도 한다.

5. 1. 실험적 검증의 어려움

모든 것의 이론을 만드는 데 어려운 점은 양자역학과 일반 상대성 이론을 결합할 때 나타나는데, 중력이 적용되면 양자역학의 방정식이 흔들리기 때문이다.This is because when gravity is applied, the equations of quantum mechanics start to shake.영어

모든 것의 이론을 만들려면, 가속기에서 플랑크 에너지를 만들어내어 초끈 이론을 검증해야 한다. 그러나 세계에서 가장 출력이 높은 거대 강입자 충돌기(LHC)조차도 플랑크 에너지의 약 1015분의 1 에너지밖에 만들어낼 수 없다.[58]

현재까지 초대칭 입자(超対称性粒子)는 발견되지 않았다. 발견되지 않은 이유는 초대칭 입자가 표준 모형의 보통 입자보다 훨씬 무거워 가속기로 생성하기 어렵기 때문으로 여겨진다. LHC라면 초대칭 입자를 발견할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

5. 2. 이론적 난제

양자역학과 일반 상대성이론의 통합은 현대 물리학의 가장 큰 난제 중 하나이다. 표준 모형은 중력을 포함하지 못하고, 암흑 물질, 암흑 에너지, 중성미자 질량 등 설명하지 못하는 현상들이 존재한다.

끈 이론은 우리 우주의 4차원 외에 이론의 일관성을 위해 7개의 추가 차원이 필요하다는 특징을 갖는다. 이는 칼루차-클라인 이론의 영향을 받은 것으로, 칼루차-클라인 이론에서는 하나의 공간 차원이 작고 말려 있는 5차원 우주에 일반 상대성 이론을 적용하면, 4차원 관점에서는 일반적인 일반 상대성 이론과 맥스웰 전자기학이 결합된 것처럼 보인다. 끈 이론의 또 다른 중요한 특징은 초대칭성으로, 추가 차원과 함께 표준 모형의 계층성 문제(중력이 다른 어떤 힘보다 훨씬 약한 이유)를 해결하기 위한 두 가지 주요 제안 중 하나이다.[26]

끈 이론에 대한 연구는 다양한 이론적 및 실험적 요인에 의해 촉진되었다. 실험적 측면에서 중성미자 질량으로 보충된 표준 모형의 입자 내용은 SO(10)의 스피너 표현에 들어맞는데, 이는 E8의 부분군으로, 이종 끈 이론[27] 또는 (때로는 동등하게) F-이론에서와 같이 끈 이론에서 일상적으로 나타난다.[28][29] 끈 이론에는 페르미온이 3개의 계층적 세대로 나타나는 이유와 쿼크 세대 간의 혼합률을 설명할 수 있는 메커니즘이 있다.[30] 이론적 측면에서는 양자 중력의 핵심 질문 중 일부, 예를 들어 블랙홀 정보 역설을 해결하고, 올바른 블랙홀 엔트로피를 계산[31][32]하고, 위상 변화 과정을 허용하는 것과 같은 질문을 다루기 시작했다.[33][34][35]

1990년대 후반, 이러한 노력의 주요 장애물 중 하나는 가능한 4차원 우주의 수가 엄청나게 많다는 점이었다. 작고 "말려 있는" 추가 차원은 엄청난 수의 다양한 방법으로 컴팩트화될 수 있는데(10500 정도로 추산됨), 각각은 저에너지 입자와 힘에 대한 다른 특성을 초래한다. 이러한 모델의 배열을 끈 이론 랜드스케이프라고 한다.

이에 대한 해결책으로 제시된 것 중 하나는 이러한 가능성의 상당수 또는 전부가 엄청난 수의 우주 중 하나 또는 여러 개에서 실현되지만, 그중 소수만이 거주 가능하다는 것이다. 따라서 우리가 일반적으로 우주의 기본 상수로 생각하는 것은 궁극적으로 이론에 의해 결정되는 것이 아니라 인류원리의 결과라는 것이다. 이는 끈 이론에 대한 비판으로 이어졌는데,[36] 끈 이론이 유용한 예측을 할 수 없다고 주장하며, 끈 이론을 유사과학으로 간주하기도 한다.

6. 모든 것의 이론에 대한 철학적 논쟁

라플라스의 도깨비처럼, 주어진 시간에 모든 입자들의 속력을 알 수 있다면, 충분히 강력한 사고(思惟)는 자연의 법칙을 통해 모든 입자들의 위치를 계산할 수 있다는 주장이 있었다. 현대 양자역학으로 인해 고전역학에서 예측하던 물리량에 불확실성이 존재하지만, 많은 물리학자들은 '통합된 공식'이 있을 것이라고 믿는다.

물리학적인 만물이론은 철학적인 논쟁에 대해 개방적이다. 예를 들어, 만약 물리학주의가 사실이라면, 물리학적 만물이론 역시 철학적인 만물이론에 부합될 것이다. 아리스토텔레스, 플라톤, 게오르크 빌헬름 프리드리히 헤겔, 알프레드 노스 화이트헤드 등 여러 철학자들이 모든 경계를 아우르는 체계를 구상하려 시도했었다. 그러나 다른 사람들은 이러한 가능성에 대해 극도로 회의적이었다.

"모든 것의 이론"이라는 용어는 초기에는 지나치게 일반화된 여러 이론들을 풍자적으로 언급할 때 사용되었다. 예를 들어, 1960년대 스타니스와프 렘의 공상과학 소설 시리즈에 등장하는 이용 티히의 할아버지는 "모든 것의 일반 이론"을 연구하는 것으로 알려져 있다. 물리학자 하랄트 프리츠슈는 1977년 바레나 강의에서 이 용어를 사용했다.[9] 물리학자 존 엘리스는[10] 1986년 ''네이처''지에 실린 논문에서 "TOE"라는 약어를 전문 문헌에 도입했다고 주장한다.[11] 시간이 지남에 따라 이 용어는 이론물리학 연구의 대중화 과정에서 자리 잡게 되었다.

모든 것의 이론을 찾기 위한 집중적인 연구와 병행하여, 여러 학자들은 그 이론의 발견 가능성에 대해 논쟁을 벌여왔다. 현재까지 어떤 물리 이론도 정확하다고 여겨지지 않는다. 대신 물리학은 점점 더 넓은 범위의 현상에 대해 점점 더 정확한 예측을 허용하는 일련의 "점진적 근사"를 통해 발전해 왔다. 따라서 일부 물리학자들은 이론적 모델을 현실의 참된 본질과 혼동하는 것은 잘못이며, 근사의 연속은 결코 "진실"에 도달하지 못할 것이라고 생각한다.[53] 알베르트 아인슈타인 자신도 때때로 이러한 견해를 표명했다.[54]

6. 1. 괴델의 불완전성 정리와의 관계

괴델의 불완전성 정리는 모든 것의 이론이 수학적으로 불완전할 수밖에 없다는 주장의 근거로 제시되기도 한다. 여러 학자들은 이 정리를 근거로 모든 것의 이론 구성 시도가 실패할 것이라고 주장한다.[45]

스티븐 호킹은 원래 모든 것의 이론을 믿었으나, 괴델의 정리를 고려한 후에는 얻을 수 없다고 결론지었다. 그는 유한한 수의 원리로는 궁극적인 이론을 공식화할 수 없을 것이라고 언급했다.[47]

위르겐 슈미트후버는 괴델의 정리가 계산 가능한 물리학과는 무관하다고 주장하며 이러한 견해에 반대했다.[48] 그는 2000년에 한계 계산 가능하고 결정론적인 우주를 명시적으로 구성하여 모든 것의 형식 이론을 방해하지 않음을 보였다.[49]

프리먼 다이슨은 괴델의 정리로 인해 물리학도 무한하다고 주장했다. 물리 법칙은 유한한 규칙 집합이며 수학을 하는 규칙을 포함하므로 괴델의 정리가 적용된다는 것이다.[46]

솔로몬 페퍼먼 등은 라이프 게임을 예로 들어 기본 규칙은 단순하고 완전하지만, 게임의 행동에 대한 형식적으로 결정 불가능한 질문이 있음을 지적하며 관련 비판을 제기했다.[50][51]

6. 2. 환원주의와 창발성

라플라스의 도깨비처럼, 주어진 시간에 모든 입자들의 속력을 알 수 있다면, 충분히 강력한 사고(思惟)는 자연의 법칙을 통해 모든 입자들의 위치를 계산할 수 있다는 주장이 있었다. 현대 양자역학으로 인해 고전역학에서 예측하던 물리량에 불확실성이 존재하지만, 많은 물리학자들은 '통합된 공식'이 있을 것이라고 믿는다.

물리학계 내에서는 만물이론이 우주의 ''기본 법칙''인지에 대한 철학적 논쟁이 있다.[55] 만물이론이 기본 법칙이고, 우주의 다른 모든 이론은 만물이론에서 비롯된다는 강력한 환원주의적 입장이 있다. 반면, 복잡계에서 나타나는 창발 법칙, 예를 들어 열역학 제2법칙이나 자연 선택 이론과 같이, 복잡하거나 살아있는 시스템을 설명하는 창발 법칙은 저수준의 미시적 법칙과 독립적이며, 만물이론만큼 기본적이라는 주장도 존재한다.[56]

참조

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[55] 서적 Weinberg (1993), Ch 2. Weinberg (1993)
[56] 서적 Superstrings, P-branes and M-theory
[57] 서적 Weinberg (1993) p. 5 Weinberg (1993)
[58] 서적 神の方程式　「万物の理論」を求めて NHK出版 2022-04-30


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