통일장이론

물리학에서 기본력은 분리되어 있는 물체 사이에서 상호작용을 매개하는 장(場)으로 설명한다.

예를 들어 전기장에 의해서는 전하를 띠는 미세한 시험입자에 작용하는 힘을 시간과 공간의 모든 지점에서 알아낼 수 있다. 19세기에 영국의 물리학자 제임스 클럭 맥스웰에 의해 기본적인 전자기장 방정식이 발견되었는데 그는 정전기학과 자기학에서의 힘을 전자기장 텐서(tensor)라고 하는 하나의 기본적인 대상으로 통일했다. 알베르트 아인슈타인이 제안한 중력에 관한 뛰어난 이론인 일반상대성이론은 중력현상을 어느 지점의 공간과 시간의 기하학적인 특성을 나타내는 장과 서로 결부시켰다.

이후 아인슈타인을 비롯한 몇몇 과학자들은 중력과 전자기력처럼 명백하게 다른 종류로 보이는 힘을 통합하는 새로운 이론을 만들려고 했다.

그러나 원자·핵·입자 물리학의 발전에 의해 약력이나 강력과 같은 새로운 힘이 발견되어 통일장이론은 새로운 이 두 힘도 포함해야 했다. 약력은 베타 붕괴 방사성과 관련되어 있으며 전자기력에 비해서 매우 약한 힘이다.

이에 비해 강력은 원자핵을 서로 결속하고 있으며 핵간 거리에서는 전자기력을 능가하는 단거리 힘이다. 1960년대 초반에 물리학자들은 모든 물질이 2가지의 기본적인 물체, 즉 쿼크와 경입자로 구성됨을 인식하게 되었다. 쿼크는 모든 상호작용에 관여하고 있으며 경입자는 강력 이외의 모든 상호작용에 관여하고 있다.

이들 입자가 현대 양자 이론에서는 장에 의해서 서술되기 때문에 이들의 성질도 완전한 통일장 이론에 의해 설명되어야 한다.

이와 같은 통합을 향한 주요한 진보가 1960년대 후반과 1970년대 초반에 이루어졌다. 최초로 특정한 새로운 물리개념이 실제적인 통일장이론을 구성하기 위해서 이용되었다. 국소 게이지 불변성(local gauge invariance)이라고 알려져 있는 이 개념은 기본 장방정식이 서로 다른 시간과 공간에서 독립적으로 구현되는 대칭성을 가정하고 있다(→ 게이지 이론). 전자기학과 일반상대성이론에서는 이와 같은 대칭성이 포함되어 있는데 여기서 이루어진 중요한 단계는 좀더 많은 상호작용을 설명할 수 있는 일반적인 형태의 국소 게이지 대칭성을 채용한 것이다.

스티븐 와인버그와 아브두스 살람이 전자기와 약한 상호작용에 대한 통일된 표현을 최초로 제안했으며, 강력에 대해서 이와 유사한 이론인 양자색역학은 다른 사람에 의해 개발되었다. 1980년 중반 현재 이들 두 이론은 실험에 의해서 아직 검토되고 있는데 모든 결과는 이들 기본원리를 지지해주는 것으로 생각된다. 이 이론의 형식적인 수학적 구조는 매우 유사하여 강력·약력·전자기력의 상세한 수학적인 '대통일장이론'을 제안하는 것이 가능하게 되었다(게이지 이론, 와인버그-살람 이론).

이와 같은 대통일장이론은 실험적으로 검증할 수 있다는 예측이 가능하다.

이 이론 중의 다수는 이전에는 안정하다고 생각되던 양성자가 매우 느린 속도로 더 가벼운 입자로 붕괴한다고 예측하는데, 10³¹개의 양성자 중에서 1년 동안 1번의 비율로 붕괴한다. 그럼에도 불구하고 실험학자들은 우주선의 영향을 받지 않게 차폐되어 있는 지하 깊은 탄광에서 이와 같은 현상을 탐지하기 위해 노력하고 있다. 이 이론은 다른 방법으로는 검증하기 힘든데, 통일이론을 직접 관찰하는 데 필요한 에너지의 크기가 현재의 입자가속기 에너지 용량의 10¹²배나 되기 때문이다.

또한 이와 같은 이론은 불완전한데 이것은 이 이론이 현재까지는 중력을 포함하지 못하고 있기 때문이다. 현재 알려진 모든 자연의 힘을 하나의 통일된 물리이론으로 통합하는 문제는 전세계의 물리학자들이 연구하고 있다. 이와 같은 진보가 '초대칭'의 발명에 의해 이루어지고 있기는 하지만 궁극적인 성공을 위해서는 현재의 공간과 시간에 대한 근본적인 변경이 필요할지도 모른