F(FATHER)이론

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> Issue 6-4. 
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> Science Issue로 
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> 초끈이론 개발한 존 슈바르츠 
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> 통일장이론이 최근 활발하게 연구되고 있다. 초대칭성이론이 등장하면서 초끈이론, 초중력이론, 면이론 등이 제기된 것이다. 자연은 물질도 힘도 아닌 끈과 면에 의해 설명될 수 있을까. 
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> 이론물리학의 궁극적 목표가 있다면 아마 그것은 통일장이론의 완성일 것이다. 통일장이론이란 한마디로 말하면 '모든 것을 설명하는 이론'(Theory of Everything)이다. 그런데 이 이론은 하나의 이론이라야 한다. 
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> 그러므로 이것은 궁극적인 최상의 이론이라고 할 수 있다. 그런데 이러한 이론은 존재할 수 있을까? 물론 장담할 수 없다. 
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> 그러나 한편으로 생각하면 이런 이론은 존재할 가능성이 많다. 조물주가 (만일 있다면) 이 우주를 만들 때 궁색하게 여러 이론으로 짜집기를 해서 만들지는 않았을 것이기 때문이다. 
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> 그러면 이러한 이론이 존재할 것이라는 현실적인 증거가 있는가? 물론이다. 현재 우리가 알기로는 이 자연계에는 4가지의 힘이 존재한다. 뉴턴의 만유인력을 설명하는 중력, 맥스웰의 전자기 법칙을 설명하는 전자기력, 물질의 붕괴를 설명하는 약력, 그리고 핵의 구조를 설명하는 강력이 그것이다. 
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> 그런데 사실은 전자기법칙이 나오기 전에는 전기와 자기는 완전히 다른 것으로 생각됐다. 이 서로 다른 전기와 자기 현상을 1867년 맥스웰이 하나의 이론인 전자기이론으로 통일함으로써 통일장이론의 가능성을 증명했다. 
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> 그후 1923년 칼루자가 중력과 전자기력을 5차원 중력이론으로 통합할 수 있다는 것을 보여주는 칼루자-클라인이론을 만들었다. 1967년에는 와인버그가 전자기이론과 약력이론을 전자기약력이론으로 통일한 공로로 노벨상을 받았다. 
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> 이상으로 볼 때 이론물리학의 역사는 바로 통일장이론의 역사라고 할 정도로 통일장이론의 추구는 이론물리학의 중심적 화두가 되어왔던 것이다. 그렇다면 통일장이론의 완성은 현재 어디까지 왔을까? 
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> 끈이론에서 면이론으로 
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> 현대 통일장이론은 두갈래의 뿌리에서 시작됐다. 하나는 1975년 필자와 몇몇 사람들이 시작한 것으로 약력 및 강력을 기술하는 게이지이론과 칼루자의 5차원 통일장이론을 보다 고차원적 중력이론으로 통일시킨, 이른바 고차원적 칼루자이론이다. 
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> 그러나 이 이론은 시간과 공간의 기하학적 성질에 바탕을 두고 있어, 아인슈타인의 일반상대론처럼 물질과 시공의 관계를 분명히 밝히지 못한 결점을 갖고 있었다. 
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> 좀더 구체적으로 말하면 자연계의 물질은 그 성질에 따라서 두 종류(보존과 페르미온)로 나눌 수 있다. 빛을 기술하는 광자나 중력을 기술하는 중력자 등이 보존에 해당하고, 전자나 쿼크 혹은 양성자 등이 페르미온에 해당한다. 이중 보존은 상호작용을 매개하는 물질을 기술하고, 페르미온은 그 작용의 원인이 되는 물질을 기술하고 있다. 
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> 칼루자의 이론은 상호작용에 대한 부분, 즉 보존에 대한 부분은 기하학적으로 잘 설명하고 있다. 그런데 나머지 반, 즉 페르미온에 대한 부분은 만족스런 설명을 못하고 있다. 이러한 문제는 초대칭이란 중요한 개념의 도입으로 보완된다. 
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> 초대칭성이란 막스플랑크연구소의 베스 박사와 캘리포니아 버클리 대학의 주미노 박사가 주장한 것으로 보존과 페르미온간의 대칭성을 기술하는 가설이다. 초대칭성에 따르면 자연계에는 보존과 페르미온이 절반씩 존재한다고 한다. 
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> 그러므로 고차원적 칼루자이론의 결점은 이 이론에 초대칭성을 접목시킬 경우 자연스럽게 해결된다. 이것이 바로 고차원적 초중력이론이다. 그 대표적 예가 11차원 초중력이론이다. 이러한 고차원적 초중력이론이 1980년 초기까지 현대 통일장이론의 주류를 이루었다. 
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> 또하나는 강력이론에서 시작됐다. 고차원적 통일장이론과는 별개로 1960년 후반 강력이론을 기술하기 위한 끈이론이 시카고대학의 남부 교수에 의해 제창됐다. 그러나 끈이론은 초대칭성이 도입되면서(사실 초대칭성은 끈이론에서 제일 먼저 도입되었다) 10차원 초끈이론으로 발전했다. 
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> 또한 끈이론이 중력을 설명할 수 있다고 알려지면서 끈이론은 강력이론이 아니라 통일장이론이 될 수 있다는 주장이 제기됐다. 나아가 1984년 런던대학의 그린 박사와 칼텍의 슈바르츠 박사가 초끈이론의 기술적인 문제들을 해결함으로써, 이른바 끈이론의 제1혁명이 일어났다. 
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> 이 결과 초끈이론은 초중력이론을 누르고 최근까지 프린스턴 고등연구원의 위튼 박사 등에 의해 이상적인 통일장이론으로 제기되고 있다. 
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> 그런데 10차원 초끈이론의 문제점은 어디서 시작하는가에 따라 다섯가지 서로 다른 형태의 이론이 나온다는 점이다. 
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> 따라서 이 가운데 어떤 것이 진짜 통일장이론이 될 것인가, 그리고 그렇다면 어떻게 우리가 원하는 출발점을 찾을 수 있는가하는 매우 어려운 문제에 봉착했다. 결국 초끈이론도 역사의 뒤안길로 밀려나는 것이 아니냐는 우려가 나오기 시작했다. 
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> 어머니이론과 아버지이론 
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> 그러나 1995년 말 이러한 다섯 가지 다른 형태의 끈이론이 모두 끈이론보다 차원이 하나 더 높은 곡면이론에서 나온다는 사실이 밝혀지면서, 제2의 혁명을 맞게 됐다. 이 제2의 혁명으로 참된 통일장이론은 끈이론이 아닌 2차원 면이론(membrane theory)이라는 주장이 제기됐다. 
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> 그 결과 그동안 무시됐던 11차원 초중력이론이 새로운 면이론으로 다시 각광을 받기 시작했다. 이른바 M이론(Membrane, Magic, Mystery, Matrix, 혹은 모든 이론의 Mother란 뜻)이라고 부르는 이 이론은 현재 가장 유력한 통일장이론으로 연구되고 있다. 
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> 여기서 과연 우리는 마지막 통일장이론을 발견했을까? 원래 끈이론은 자연계의 기본입자가 하나의 자유도를 갖는 점(point)이 아니라 무한한 자유도를 갖는 1차원 끈(string)으로 되어 있다는 가설에서 시작했다. 
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> 그러나 이제 M이론에 따르면 기본입자는 1차원 끈보다 두배의 자유도를 갖는 2차원 면으로 되어 있다고 볼 수 있다. 그렇다면 자연의 기본입자는 끈으로 되어 있을까, 혹은 면으로 되어 있을까? 불행히도 현재의 상황은 아직 우리에게 시원한 해답을 주지 못하고 있다. 
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> 사실 M이론에서는 2차원 면 이외에도 일반적으로 p차원 입자(p-brane)들이 나온다. 또한 이들이 서로 대칭성을 갖고 있기 때문에 기본입자가 몇차원 입자인가 하는 질문에 분명한 해답이 없을 수 있다. 
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> 더욱이 최근에는 M이론에서 한단계 더 나아간 12차원 F이론(모든 이론의 Father란 뜻)까지 나오고 있어 상황은 더욱 복잡해진다. 그러므로 궁극적 통일장이론으로 발전하기 위해서 우리는 앞으로도 수많은 혁명을 겪어야 될 것이 분명하다. 
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> 그러면 이러한 통일장이론으로부터 우리는 무엇을 배웠을까? 우선 자연계에는 우리가 아직 모르는 입자가 존재할 수 있다는 것이다. 각운동량이 영(0)인 중력자나 초대칭입자들이 바로 그것이다. 현대의 모든 통일장이론은 이러한 새로운 입자들을 예측하고 있다. 나아가 새로운 입자들은 새로운 현상의 존재를 예측한다. 
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> 예를 들면 모든 통일장이론에서 나오는 각운동량이 없는 중력자에 의한 제5의 힘이나, 혹은 초대칭입자들에 의한 초대칭 현상들이 그것이다. 사실 제5의 힘이나 초대칭성의 발견은 (만일 가능하다면) 20세기 이론물리학의 마지막 개가가 될 것이다. 그러므로 통일장이론의 연구는 이론물리학자들의 허망한 백일몽이 아니라 미지의 세계를 탐구하는 중요한 도구이다. 
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> 우리는 아마도 영원히 완벽한 통일장이론을 완성할 수 없을지 모른다. 그러나 통일장이론의 연구가 계속되어야 하는 이유는 분명하다. 통일장이론의 완성 없이는 우주와 자연의 신비에 대한 완전한 이해는 불가능하기 때문이다. 
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> 〈 조용민（서울대학교 물리학과 교수）〉 
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> 과학동아 97년 7월호 
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> 여기에도 F이론에 자세히 안나오지만.... 
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