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1. 개요
모든 것의 이론(theory of everything, ToE)은 중력, 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용의 네가지 힘의 근원이 하나임을 규명하여 통합적으로 설명하려는 이론이다. 모든 형태의 통일장 이론은 해당 이론의 후보에 들어간다.'모든 것의 이론'이란 용어 자체는 대통일 이론에서 상정하는 핵전자기력이 증명되었을 때, 그것과 중력을 연결하여 우주와 자연 법칙의 모든 것을 하나로 설명하는 통일장 이론이 나올 수 있다는 시사점으로부터 제시되었다. 물론 용어의 유래가 그렇다는 것이고 현재는 앞서 말한 대통일 이론의 확장된 형태 역시 모든 것의 이론 후보 중 하나로 여겨질 뿐이다. 다른 후보들로는 루프 양자 중력 이론[1], 초끈 이론 등이 있다. 초끈 이론의 경우 고전적인 장이론에서 벗어난 설명을 취하기에 모든 것의 이론 후보기는 해도 통일장 이론은 아니다.
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
인류는 자연계가 약한 상호작용, 강한 상호작용, 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[2]과 양자역학[3]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 이론이 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, 약한 상호작용, 강한 상호작용 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 부분이 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. 그나마 입자와 기본 상호작용을 끈의 진동으로 설명하려는 초끈 이론이 나오고 계속 새로운 가설이 만들어지고 있는 중이다. 다만 초끈 이론 문서를 보면 알겠지만 해당 이론은 태생부터 한계가 많은 이론이라서 전망이 좋지 않다.
어쨌든 모든 것의 이론은 예로부터 물리학의 궁극적인 난제이자 최종적인 목표라고 할 수 있다. 이렇게 그나마 근접했다는 초끈 이론도 지금은 사실상 학계에서 신뢰도를 잃은 상황이니, 대통일 이론의 시도가 좌절되고 양자역학과 상대성이론의 관계를 개연성 있게 설명하는 것도 요원한 지경인데 모든 것의 이론에 도달하는 건 말 할 것도 없다. 또 만약 미래에 양자역학을 넘어 또다른 세계가 발견되어 그것을 설명하는 이론이 나온다면, 그 이론까지 포함해서 모든 현상을 해석할 수 있어야 '모든 것의 이론'이라 할 수 있을테니 더욱 난이도가 높아질 것이다.
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. 현재로서는 사실상 손 대기도 어려운 수준이며 미래 세대 물리학의 과제로 미뤄두고 있는 처지이다.
하여튼 지금으로서는 불가능에 수렴하는 일이다. 지금까지 이루어진 통합도 300년 간 물리학자들이 머리 싸맨 결과물이니 만큼 다음 단계로 가는 데까지 얼마나 걸릴지는 그 누구도 모른다. 일단 중력이 지배하는 거시계와 입자의 파동 운동이 중심축이 되는 미시계의 통합부터 저 먼 나라 이야기처럼 여겨지는데, 모든 것의 이론에는 얼마나 시일이 걸릴지 모른다. 현대 물리학계의 최고 천재였던 아인슈타인마저 정복하지 못한 것이 이 이론이다.[4]
확실한 것은 단신으로 모든 것의 이론을 완성하는 데 성공하는 사람이 등장하면, 그 인물은 노벨상은 물론이고, 뉴턴과 아인슈타인을 뛰어넘는 인류 역사상 최고의 천재 과학자[]물리학은 모든 과학의 기초이므로 절대 과장이 아니다. 모든 것의 이론은 물리학뿐만 아니라 과학이란 학문 자체가 완성되는 길의 단초를 제공하기 때문이다.]이자 물리학계의 전설 반열에 오를 것이며, 모든 것의 이론을 창시한 사람으로서 과학의 새로운 패러다임을 열게 된다는 점이다. 농담이 아니라, 그는 인류 문명의 수준을 비약적으로 끌어올린 영웅이 된다고 해도 과언이 아니다.
3. 후보
현재 가장 모든 것의 이론에 그나마 근접했다고 평가받는 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, 약한 상호작용, 강한 상호작용의 관계를 설명해 낼 수 있다. 하지만 사실 따지고 보면 서로의 이론을 제대로 정립하지도 않고 뭉뚱그려 합쳐놓은 이론이라 한계가 많다. 에드워드 위튼이 처음 제안하였다.
11차원의 M이론을 넘어 12차원 F이론(모든 이론의 Father이란 뜻)까지 나오고 있는데다 초끈 이론의 특성상 얼마든지 더 높은 차원이 나올 수 있으니[6] 여전히 만물 이론에 근접하려면 더욱더 머리가 아파오는 상황이다. 하지만 과거를 생각해 보면 1800년대 전까지 전기력과 자기력은 하나의 이론으로 통일될 수 있다는 견해가 대다수였고 제임스 클러크 맥스웰이 전자기학을 정립함으로써 실제로도 그렇게 되었다. 현대의 통일장 이론이라 불리는 M이나 F이론들도 자연계의 제5의 힘의 가능성을 항상 열어두며 꾸준히 연구되고 있다. 그러니 이런 이론들은 마냥 허무맹랑한 이론들로 치부될 게 아니라 언젠가 모든 것의 이론에 도달하기 위한 중요한 과정으로 여겨져야 할 것이다.
[1]
다만 이건 거시게계의 중력 자체에만 초점을 맞춘 이론이라 기본입자에 대한 설명은 부족하다.
[2]
항성, 은하와 같은 거시세계(매우 큰 질량, 매우 큰 크기)를 설명
[3]
소립자의 운동, 성질과 같은 미시세계(매우 작은 질량, 매우 작은 크기)를 설명
[4]
물론 당시 나이가 말년이었던 건 감안해야겠으나 아인슈타인은 끝까지 양자역학 등 학계의 새로운 동향을 인정하지 않았기에 새로운 쟁점을 발견할 수는 있을지언정
통일장 이론에 도달하지는 못했을 것이라는 게 중론이다. 참고로
알베르트 아인슈타인이 주장한
통일장 이론에는 4가지 힘 중 약한 상호작용과 강한 상호작용이 제외되어 있다. 그 당시에는 약한 상호작용과 강한 상호작용에 대해서 잘 알려지지 않은 상태였고 아인슈타인은
양자역학을 기반으로 한
입자물리학의 결과에 대해서 그다지 관심을 두지 않았었기 때문이다.
[]
[6]
사실 이렇게 수학적으로 얼마든지 끼워맞출 수 있다는 특성이 바로
초끈 이론의 핵심적인 문제점 중 하나다. 자세한 건 문서 참조.