솔리톤

이 개념은 1834년 존 S.러셀이 좁은 해협에서 바닷물이 어떤 특정한 파를 형성하여 오랫동안 변하지 않는 현상을 목격함으로써 처음 도입되었다. 이 파는 퍼지지 않고 안정된 성질을 가지고 있다. 이것은 1895년 D. J. 코트베그와 H. 드 브리스에 의한 2차원 비선형 유체역학의 솔리톤 해를 해석적으로 설명함으로써 성립되었다.

솔리톤은 크게 2가지 부류로 나누어지는데, 안정성의 원인에 따라 위상적 솔리톤과 비위상적 솔리톤으로 불린다.

위상적 솔리톤은 솔리톤의 존재가 공간의 위상적 성질에 의해 예견되고, 위상적으로 다른 곳으로 변환할 수 없으므로 안정성을 지닐 수 있는 경우를 말한다. 비위상적 솔리톤은 위상적 성질과 관계없이 어떤 특수한 비선형적 상호작용에 의해 솔리톤의 에너지가 그 계의 기본입자의 에너지보다 낮아 솔리톤의 존재가 안정된 경우를 말한다.

1970년대 비가역적 게이지 장론이 강작용과 약작용을 기술하는 근본이론으로 성립되었는데, 이 이론에는 일반적으로 위상적 솔리톤의 영역이 보여졌다. 자기단극(monopole)과 순간자(instanton)가 그 예로서, 자기단극은 우주론과 관계된 여러 문제를 야기시켜 새로운 우주론의 발전을 이룩했고, 순간자는 강작용의 근본 성질인 쿼크의 속박현상(confinement)을 설명해줄 것으로 여겨지며 저에너지의 강입자(hadron)들 현상에 깊은 관계가 있음이 알려지고 있다.

또한 1980년대에 들어서서 솔리톤에 의한 진공편극효과 등 여러 현상이 연구되었고, 핵자(nucleon)가 중간자들의 비선형적 상호작용에서 나오는 솔리톤이라 생각하는 이론으로 발전되었다. 이 솔리톤은 스키르미온(skyrmion)이라고도 불리는데, 양성자와 중성자 그리고 중간자와의 상호관계를 설명할 수 있는 중요이론으로, 비슷한 종류의 여러 모형이 연구되고 있다. 그러나 솔리톤에 의해 기술되는 여러 물리현상을 이해하기 위해서는 솔리톤의 양자적 성질과 실제 물리적 자유도 등 여러 문제들이 아직 남아 있다.