입자물리학과 통일 이론 그리고 끈이론

입자물리학

모든 물질에 대한 생각은 B.C. 6세기부터 기본 입자로 구성되어 있다는 생각이 나왔습니다. 
원자론에 대한 철학적 교리와 소립자의 본성은 레우키포스, 데모크리토스, 에피쿠로스 등 고대 그리스 철학자들이 연구하기 시작했습니다. 카나다, 디그나가, 다르마키르티 등의 고대 인도 철학자, 이븐 알하이삼, 이븐 시나, 가잘리 등의 무슬림 과학자들, 가상디, 보일, 뉴턴 등의 근대 초기 유럽의 과학자들도 원자론에 대해서 연구했습니다. 빛의 입자설은 이븐 시나, 이븐 알하이삼, 뉴턴, 가상디 등이 지지했습니다. 이런 초기 아이디어들은 실제 실험이나 경험보다는 추상이나 철학 등에 가까웠습니다.

19c 돌턴은 자신의 이론인 화학양론을 이용하여 자연의 요소 각각이 고유한 한 종류의 입자로 구성되어 있다는 결론을 내렸습니다. 돌턴과 그의 동시대인들은 자연은 기본 입자로 구성되어 있다고 믿었습니다. 그리고 이름을 그리스어로 "나눌 수 없는"을 의미하는 'atomos'를 딴 'atoms'라고 지었습니다.
그러나, 19세기 후반에 물리학자들은 사실 원자가 가장 작은 기본 입자가 아니며 더 작은 입자가 있다는 것을 발견했습니다.
20세기 초 핵물리학 및 양자역학의 절정에 달할 때 1939년 마이트너가 한의 실험에 기반을 두어 핵분열을 증명하고, 같은 해 베테가 핵융합을 증명했습니다. 이 발견은 다른 원자로부터 한 원자를 만들어내는 산업을 활성화했고, 수익성은 없지만 크라에소포에아도 가능합니다. 또한, 이 같은 발견으로 핵무기 개발을 주도했습니다. 1950년대부터 60년대까지는 여러 충돌 실험을 통해 다양한 입자들이 발견되었습니다. 그 결과 동물원이라는 용어가 붙었습니다. 이 용어는 1970년대 많은 수의 입자가 상대적으로 적은 기본 입자로 설명할 수 있는 표준 모형이 발견되면서 사용하지 않게 되었습니다.

입자물리학은 물질과 방사선 등 자연의 기본 "입자"를 연구하는 학문입니다. 현재의 해석으로는 입자는 양자장을 가지고 있으며 역학에 따라 상호작용한다는 것입니다. 입자물리학은 우주의 기본 입자 물체를 연구하는 것을 의미합니다. 입자의 관찰 결과를 설명하고 정의하기 위해 필요하며, 다른 중요 분야와의 조합으로는 설명할 수 없는 분야입니다. 기본 장과 역학의 현재 설정은 표준 모형이라는 이론으로 요약되어 있으며, 입자물리학은 크게 표준 모형을 구성하고 있는 입자 연구와 가능한 확장 연구로 나뉩니다.

현대의 입자물리학 연구는 전자, 양성자, 중성자 같은 아원자 입자 연구와, 광자, 중성미자, 뮤온 뿐만이 아닌 넓은 범위의 이질적 입자의 방사성 감쇠와 산란 연구 등 두 가지에 초점을 맞추고 있습니다.

입자는 입자물리학이 양자역학의 지배 하에 있기 때문에 고전역학에서는 잘못된 용어입니다. 힐베르트 공간의 양자 상태벡터로 설명하며, 이 공간은 양자장론에서 처리하고 있습니다. 특정한 상황에서 파동이 입자 같은 성질을 띨 때와 같은 파동-입자 이중성 현상을 설명할 수 없습니다. 입자물리학의 규칙에 따라, "기초 입자"는 전자나 광자 같은 잘 알려진 유형의 입자만 아니라 파동 속성을 가지고 있는 입자도 포함되어 있습니다.

역사적으로 볼 때 탈레스의 질문에서 나온 생각인 '모든 것은 물이다'라는 명제가 구체적인 형태의 과학의 시작이라고 볼 수도 있지만 근대적인 의미에서의 과학은 갈릴레오 갈릴레이의 이론에서부터 시작했다고 할 수 있습니다.

모든 입자와, 그 입자와 상호작용하는 입자는 양자장론에 따라 기술되며 표준 모형 내에 있습니다. 표준 모형에는 총 61개의 기본 입자가 속해 있습니다. 표준 모형은 현재까지 거의 모든 실험에서 맞는 것으로 판단됩니다. 이 기본 입자들은 합쳐져서 상위의 입자가 될 수 있는데, 1960년대 이후에 이런 상위 입자들 수백 개가 발견되었습니다. 그러나, 대부분의 입자들은 자연적으로는 불완전하게 설명됩니다. 최근 중성미자의 질량 측정 결과 표준 모형과 실험적인 오차가 있는 것이 확인되었습니다.


통일장 이론

입자 물리학뿐 아니라 모든 물리 법칙은 복잡한 사실을 단순한 설명으로 묶는 작업입니다. 
이런 맥락에서 물리학은 통일 이론의 추구라고 할 수 있다. 
뉴턴 역학은 천체 물리학과 지표면의 낙하 운동이 합쳐진 통일 이론이고, 맥스웰의 전자기 이론은 전기와 자기를 통합한 통일 이론입니다. 
또한 표준 모형은 전자기력과 약한 상호작용을 통합한 이론이므로 전약력의 이론이라고도 한다.

현재 가장 큰 쟁점이 되고 있는 통일 이론은 대통일 이론이라고 불리는 것으로, 표준 모형의 모든 힘을 하나의 힘으로 통합하는 것입니다. 
표준모형의 기반이 리 대수의 변환 성질이므로 더 큰 단순 리 대수로 힘을 기술하는 작업이라 할 수 있습니다.

여기에 중력까지 통합하는 이론을 가칭 모든 것의 이론(Theory of Everything:TOE)라고 합니다. 이에 대한 후보로 끈이론이 있습니다.

끈이론은 이론의 기본 요소가 점, 원자가 아니라 길이가 있는 끈인 경우를 다루는 물리학 이론입니다. 끈이 시공간에서 어떻게 움직이며 서로 어떻게 상호작용하는지를 설명합니다.
더 넓은 의미로는 M 이론을 포함하여 끈을 기본 요소 중의 하나로 연구하는 이론적인 틀을 지칭하기도 합니다.

끈이론에 의하면 모든 물질은 궁극적으로 매우 작은 끈으로 이루어져 있다.
 ① 거시적인 물질 → ② 분자 → ③ 전자와 양성자, 중성자로 구성된 원자 → ④ 전자 → ⑤ 쿼크로 구성된 양성자와 중성자 → ⑥ 끈