만물론

Theory of everything
이 글은 가상적인 신체적 개념에 관한 것입니다.기타 용도는 만물 이론(동음이의)을 참조하십시오.
표준 모델을 넘어서
강입자 제트와 전자로 붕괴하는 양성자를 충돌시켜 생성된 힉스 보손을 모사한 대형 강입자 충돌기 CMS 입자 검출기 데이터
표준모델
증거
이론들
초대칭
양자중력
실험

모든 것의 이론(TOE), 최종 이론, 궁극 이론, 통일장 이론 또는 마스터 이론은 우주의 모든 측면을 완전히 설명하고 연결하는 가상적이고 단일하며 포괄적이며 일관성 있는 물리학의 이론적 틀입니다.[1]: 6 모든 것의 이론을 찾는 것은 물리학에서 주요 미해결 문제 중 하나입니다.[2][3]

지난 몇 세기 동안, 함께, 모든 것의 이론과 가장 유사한 두 가지 이론적 틀이 개발되었습니다.모든 현대 물리학이 지탱하는 이 두 이론은 일반 상대성 이론과 양자역학입니다.일반상대성이론은 행성, 별, 은하, 은하단 등 규모가 크고 질량이 큰 지역에서 우주를 이해하기 위한 중력에만 초점을 맞춘 이론적 틀입니다.한편, 양자역학은 아원자 입자, 원자, 분자 등 매우 작은 규모와 낮은 질량의 영역에서 우주를 이해하기 위한 세 가지 비중력에만 초점을 맞춘 이론적 틀입니다.양자역학은 관측된 모든 기본 입자뿐만 아니라 강한 핵력, 약한 핵력, 전자기력의 세 가지 비중력을 설명하는 표준 모델을 성공적으로 구현했습니다.[4]: 122

일반 상대성 이론과 양자 역학은 서로 다른 관련 분야에서 반복적으로 검증되었습니다.일반상대성이론과 양자역학의 일반적인 적용 영역이 매우 다르기 때문에 대부분의 상황에서는 두 이론 중 하나만 사용해야 합니다.[5][6][7]: 842–844 두 이론은 블랙홀 내에 존재하거나 우주의 초기 단계(즉, 빅뱅 직후의 순간)에 존재하는 플랑크 규모와 같이 매우 작은 규모의 영역에서 양립할 수 없는 것으로 여겨집니다.비호환성을 해결하기 위해서는 중력을 다른 세 가지 상호작용과 통합하는 더 깊은 근본적인 현실을 드러내는 이론적 틀이 발견되어야만 일반상대성이론과 양자역학의 영역을 조화롭게 완전한 것으로 통합할 수 있습니다: 모든 것의 이론은 원칙적으로 다음과 같은 포괄적인 이론으로 정의될 수 있습니다.이플은 이 우주의 모든 물리적 현상을 설명할 수 있을 겁니다

이를 위해 양자중력은 활발한 연구의 한 분야가 되었습니다.[8][9]한 가지 예로 끈 이론이 있는데, 이 이론은 모든 것에 대한 이론의 후보로 발전했지만 단점이 없는 것은 아닙니다. (가장 주목할 만한 것은 현재 테스트 가능한 예측의 명백한 부족입니다.)끈 이론은 우주가 시작될 때(빅뱅 이후 최대 10초−43), 네 가지 기본 힘은 한때 하나의 기본 힘이었다고 가정합니다.끈 이론에 따르면, 우주의 모든 입자는, 가장 극미량의 수준(플랑크 길이)에서, 선호되는 진동 패턴을 가진 진동 끈(또는 가닥)의 다양한 조합으로 이루어져 있습니다.끈 이론은 또한 독특한 질량과 힘의 전하를 가진 입자가 생성되는 것은 이러한 특정한 끈의 진동 패턴을 통해서라고 주장합니다(즉, 전자는 한쪽 방향으로 진동하는 끈의 한 종류인 반면 위 쿼크는 다른 방향으로 진동하는 끈의 한 종류입니다).끈 이론/M 이론은 10차원 또는 11차원 시공간에 대한 4개의 공통 차원 외에 6차원 또는 7차원의 초공간을 제안합니다.

이름.

처음에, 모든 것의 이론이라는 용어는 다양한 지나치게 일반화된 이론들을 아이러니하게 언급하며 사용되었습니다.예를 들어, 1960년대 스타니스와프 렘의 공상과학 소설에 등장하는 등장인물인 이존 티치의 할아버지는 "모든 것에 대한 일반 이론"을 작업한 것으로 알려져 있습니다.물리학자 하랄드 프리츠쉬(Harald Fritzsch)는 1977년 바레나(Varenna)에서 열린 강연에서 이 용어를 사용했습니다.[10]물리학자 존 엘리스는 1986년 네이처의 한 기사에서 "TOE"라는 두문자를 기술 문헌에 도입했다고 주장합니다[11].[12]시간이 지나면서 이 용어는 이론 물리학 연구의 대중화에 고착되었습니다.

역사적인 선례

고대부터 19세기까지

바빌로니아 천문학자들과 인도 천문학자들과 같은 많은 고대 문화들은 별들을 배경으로 일곱 개의 신성한 등기구들/고전 행성들의 패턴을 연구했고, 그들의 관심은 천체의 움직임을 인간의 사건들과 연관시키는 것입니다.목표는 시간 측정에 대한 이벤트를 기록함으로써 이벤트를 예측한 다음 반복 패턴을 찾는 것입니다.시작과 영원한 주기를 가진 우주 사이의 논쟁은 고대 바빌로니아로 거슬러 올라갈 수 있습니다.[13]힌두 우주론은 현재의 우주가 선행되고 무한한 수의 우주가 뒤따르는 순환적인 우주를 가지고 시간이 무한하다고 가정합니다.[14][15]힌두 우주론에서 언급된 시간 척도는 현대 과학 우주론의 시간 척도와 일치합니다.그 순환은 우리의 평범한 낮과 밤에서 브라마의 낮과 밤으로 진행됩니다. 86억 4천만 년의 길이입니다.[16]

원자론의 자연철학은 몇몇 고대 전통에서 나타났습니다.고대 그리스 철학에서 소크라테스 이전의 철학자들은 관찰된 현상들의 겉보기 다양성이 원자의 운동과 충돌과 같은 단일한 유형의 상호작용 때문이라고 추측했습니다.데모크리토스가 제안한 '원자'의 개념은 자연에서 관찰되는 현상을 통일하려는 초기의 철학적 시도였습니다.'원자'의 개념은 고대 인도 철학의 냐야-바이시카 학파에서도 나타났습니다.

아르키메데스는 아마도 공리 (또는 원리)로 자연을 묘사하고 그것들로부터 새로운 결과를 추론한 최초의 철학자였을 것입니다.모든 "모든 것에 대한 이론"도 마찬가지로 공리에 기초하여 관찰 가능한 모든 현상을 추론할 것으로 기대됩니다.[17]: 340

이전의 원자론적 사고에 따라, 17세기의 기계 철학은 모든 힘이 궁극적으로 원자들 사이의 접촉력으로 감소될 수 있고, 그리고 나서 작은 고체 입자로 상상될 수 있다고 가정했습니다.[18]: 184 [19]

17세기 후반, 아이작 뉴턴의 중력에 대한 묘사는 자연의 모든 힘이 물체와 접촉하는 것에서 비롯되지 않는다는 것을 암시했습니다.뉴턴의 자연철학의 수학적 원리는 이 문제를 통일의 또 다른 예로 다루었는데, 이 경우 지구 중력, 케플러의 행성 운동 법칙, 조수 현상에 대한 갈릴레오의 연구를 하나의 법칙, 즉 만유인력의 법칙 아래 거리를 두고 설명함으로써 통합했습니다.[20]

1814년 라플라스는 이 결과를 바탕으로 충분히 강력한 지성을 가진 사람이 특정 시간에 모든 입자의 위치와 속도를 알고 자연의 법칙과 함께 다른 시간에 어떤 입자의 위치를 계산할 수 있다는 것을 제안했습니다.[21]: ch 7

어떤 순간에 자연을 움직이는 모든 힘, 그리고 자연이 구성된 모든 항목의 모든 위치를 알 수 있는 지성, 만약 이 지성 또한 이러한 데이터를 분석에 제출할 만큼 충분히 방대하다면,그것은 우주의 가장 큰 물체들과 가장 작은 원자들의 움직임들을 하나의 공식으로 수용할 것입니다; 그러한 지성은 아무것도 불확실하지 않을 것이고 과거와 같은 미래가 그것의 눈 앞에 있을 것이기 때문입니다.

— Essai philosophique sur les probabilités, Introduction. 1814

따라서 라플라스는 중력과 역학의 결합을 모든 것의 이론으로 생각했습니다.현대의 양자역학은 불확실성이 피할 수 없다는 것을 암시하며 따라서 라플라스의 비전은 수정되어야 합니다. 모든 것의 이론은 중력과 양자역학을 포함해야 합니다.양자역학을 무시하더라도 혼돈 이론은 충분히 복잡한 기계적 또는 천문학적 시스템의 미래를 예측할 수 없다는 것을 보장하기에 충분합니다.

1820년, 한스 크리스티안 외르스테드는 전기와 자기 사이의 연관성을 발견했고, 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 이론에서 1865년에 절정에 달한 수십 년간의 연구를 촉발시켰습니다.19세기와 20세기 초반에, 접촉력, 탄성, 점성, 마찰, 그리고 압력과 같은 힘의 많은 일반적인 예들이 물질의 가장 작은 입자들 사이의 전기적인 상호작용에서 비롯된다는 것이 점차 명백해졌습니다.

1849년에서 1850년까지의 그의 실험에서 마이클 패러데이는 중력과 전기와 자기의 통일을 처음으로 연구했습니다.[22]하지만, 그는 아무런 연관성도 찾지 못했습니다.

1900년에 데이비드 힐버트는 수학문제의 유명한 목록을 발표했습니다.힐베르트의 여섯 번째 문제에서, 그는 모든 물리학에 대한 공리적인 근거를 찾도록 연구자들에게 도전했습니다.따라서 이 문제에서 그는 오늘날 모든 것의 이론이라고 불리는 것을 요구했습니다.[23]

20세기초

1920년대 후반, 새로운 양자역학은 원자들 사이의 화학적 결합이 (양자) 전기력의 예라는 것을 보여주었고, 디랙은 "물리학의 상당 부분과 화학 전체의 수학 이론에 필요한 기초적인 물리 법칙이 완전히 알려져 있다"고 자랑했습니다.[24]

1915년 알베르트 아인슈타인이 중력 이론(일반 상대성 이론)을 발표한 후, 중력과 전자기학을 결합한 통일장 이론에 대한 연구는 새로운 관심으로 시작되었습니다.아인슈타인의 시대에, 강한 힘과 약한 힘은 아직 발견되지 않았지만, 그는 중력과 전자기라는 두 개의 다른 별개의 힘의 잠재적인 존재가 훨씬 더 매력적이라는 것을 발견했습니다.이것은 그가 소위 "통일된 장 이론"을 찾기 위해 40년의 항해를 시작했고, 그는 이 두 힘이 정말로 하나의 거대하고 근본적인 원칙의 발현이라는 것을 보여주기를 희망했습니다.그의 삶의 마지막 몇 십 년 동안, 이 야망은 아인슈타인을 물리학의 나머지 주류로부터 멀어지게 했고, 대신에 주류가 양자역학의 새로운 틀에 대해 훨씬 더 흥분했기 때문입니다.아인슈타인은 1940년대 초 친구에게 "저는 양말을 신지 않아 주로 알려져 있고 특별한 경우에 호기심으로 전시되는 외로운 노인이 되었습니다"라고 썼습니다.저명한 공헌자로는 군나르 노르드스트룀, 헤르만 바일, 아서 에딩턴, 데이비드 힐버트,[25] 테오도르 칼루자, 오스카 클라인(칼루자-클라인 이론 참조), 알베르트 아인슈타인과 그의 협력자들이 있습니다.아인슈타인은 본격적으로 통일 이론을[26]: ch 17 찾았지만 결국은 발견하지 못했습니다. (아인슈타인-맥스웰-디랙 방정식 참조)

20세기 후반과 핵 상호작용

20세기에 들어 중력과 전자기력 모두 다른 강한 핵력과 약한 핵력의 발견으로 통일이론의 모색이 중단되었습니다.또 다른 장애물은 모든 것의 이론에서 양자역학은 아인슈타인이 바라던 것처럼 결정론적 통일 이론의 결과로 나타나기보다는 처음부터 통합되어야 한다는 수용이었습니다.

중력과 전자기력은 고전적인 힘의 목록에서 항목으로 공존할 수 있지만 수년 동안 중력은 다른 기본 힘과 통합되기는커녕 양자 프레임워크에 통합될 수 없는 것처럼 보였습니다.이러한 이유로, 20세기의 대부분 동안 통일에 대한 연구는 양자역학에 의해 기술된 세 가지 힘, 즉 전자기력과 약하고 강한 힘을 이해하는 것에 집중했습니다.1967년부터 1968년까지 셸던 글래쇼, 스티븐 와인버그, 압두스 살람이 전기약력으로 결합했습니다.[27]약한 힘을 전달하는 입자인 W 보손과 Z 보손은 0이 아닌 질량(각각 80.4 GeV2/c와 91.2 GeV2/c)을 가지고 있는 반면, 전자기력을 전달하는 광자는 질량이 없기 때문에 전자기력과 약한 힘은 낮은 에너지에서 뚜렷이 나타납니다.높은 에너지에서 W 보손과 Z 보손은 쉽게 생성될 수 있고 힘의 통일된 특성이 명백해집니다.

입자 물리학의 표준 모델 아래에서 강한 힘과 약한 힘이 공존하지만, 그들은 여전히 뚜렷합니다.따라서 모든 것에 대한 이론을 추구하는 것은 성공적이지 못했는데, 라플라스가 '접촉력'이라고 불렀을 강한 힘과 약한 힘의 통일은 물론 중력에 의한 이러한 힘의 통일도 이루어지지 않았습니다.

현대물리학

일반적인 일련의 이론

모든 것에 대한 이론은 중력, 강한 상호작용, 약한 상호작용, 그리고 전자기력과 같은 자연의 모든 기본적인 상호작용을 통합할 것입니다.약한 상호작용은 기본입자를 한 종류에서 다른 종류로 변형시킬 수 있기 때문에, 모든 이론은 또한 가능한 모든 종류의 입자를 예측해야 합니다.일반적으로 가정된 이론의 경로는 다음 그래프에 제시되어 있으며, 여기서 각 통일 단계는 그래프의 한 단계 위로 이어집니다.

만물론
양자중력
공간 곡률전자핵력 (대통합이론)
우주론 표준모형입자물리학 표준모형
강한 상호작용
SU(3)		전기약 상호작용
SU(2) x U(1)Y
약한 상호작용
SU(2)		전자기학
U(1)EM
전기자력

이 그래프에서 약 100 GeV에서 약전약통일이 일어나고, 10 GeV에서16 대통일이 일어날 것으로 예측되며, 플랑크 에너지인 약 1019 GeV에서 중력에 의한 GUT 힘의 통일이 예상됩니다.

전자기력과 약한 힘과 강한 힘을 통합하기 위한 몇 가지 대통합이론(GUT)이 제안되었습니다.대통일은 전자핵력의 존재를 의미합니다. 전자핵력은 현재 실현 가능한 입자 가속기가 도달할 수 있는 것보다 훨씬 큰 1016 GeV의 에너지로 설정될 것으로 예상됩니다.비록 가장 단순한 대통합 이론들이 실험적으로 배제되었지만, 대통합 이론의 아이디어는, 특히 초대칭과 연관되었을 때, 이론 물리학계에서 여전히 인기 있는 후보로 남아 있습니다.초대칭 대통일 이론은 이론적 "아름다움"뿐만 아니라 자연스럽게 많은 양의 암흑 물질을 생성하기 때문에 그리고 팽창력이 대통일 이론 물리학과 관련이 있을 수 있기 때문에 그럴듯해 보입니다.그러나 대통합 이론은 분명히 최종 답이 아닙니다. 현재 표준 모델과 제안된 모든 GUT는 합리적인 답을 얻기 위해 재규격화의 문제적인 기술이 필요한 양자장 이론입니다.이는 일반적으로 매우 높은 에너지에서만 관련된 중요한 현상을 생략하고 효과적인 현장 이론이라는 신호로 간주됩니다.[6]

그래프의 마지막 단계는 일반 상대성 이론과 동일하게 양자역학과 중력 사이의 분리를 해결해야 합니다.수많은 연구자들이 이 특정 단계에 그들의 노력을 집중하고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 양자 중력에 대한 어떤 인정된 이론도, 따라서 모든 것에 대한 인정된 이론은 관찰 증거와 함께 나타나지 않았습니다.대개 만물의 이론이 대통합 이론의 남은 문제도 해결할 것이라고 가정합니다.

그래프에 나와 있는 힘을 설명하는 것 외에도, 모든 것에 대한 이론은 현대 우주론이 제시한 최소한 두 개의 후보 힘, 즉 팽창력과 암흑 에너지의 상태를 설명할 수도 있습니다.게다가, 우주론적 실험은 또한 암흑 물질의 존재를 암시하는데, 아마도 표준 모델의 체계 밖에 있는 근본적인 입자들로 구성된 것으로 추정됩니다.그러나 이러한 힘과 입자의 존재는 증명되지 않았습니다.

끈이론과 M이론

물리학의 미해결 문제:

끈이론, 초끈이론, 혹은 M이론, 혹은 이 주제에 대한 어떤 다른 변형, 혹은 "만물이론"으로 가는 길에 들어선 것일까요, 아니면 그냥 맹목적인 골목일까요?

(물리학에서 풀리지 않은 더 많은 문제들)

1990년대 이후 에드워드 위튼과 같은 일부 물리학자들은 섭동 초끈 이론 5개 중 하나에 의해 어떤 한계에서는 설명되고 또 다른 한계에서는 최대 초대칭 11차원 초중력에 의해 설명되는 11차원 M 이론이 모든 것의 이론이라고 믿습니다.이 문제에 대해서는 광범위한 합의가 이루어지지 않고 있습니다.

끈/M 이론의 한 가지 주목할 만한 특성은 이론의 일관성을 위해 우리 우주의 4차원 위에 7개의 추가 차원이 필요하다는 것입니다.이와 관련하여 끈 이론은 칼루자-클라인 이론의 통찰력을 바탕으로 한 것으로 볼 수 있는데, 이 이론에서 일반 상대성 이론을 5차원 우주에 적용하는 것은 공간 차원이 작고 둥글게 말려 있는 것이 맥스웰의 전기역학과 함께 일반적인 일반 상대성 이론과 같은 4차원 관점으로 보인다는 것이 밝혀졌습니다.이는 게이지와 중력 상호작용을 통합하고 추가적인 차원을 통합한다는 아이디어에 신뢰를 주었지만, 세부적인 실험 요구 사항을 다루지는 못했습니다.끈 이론의 또 다른 중요한 특성은 초대칭인데, 여분의 차원과 함께 표준 모델의 계층 문제를 해결하기 위한 두 가지 주요 제안이며, 이는 왜 중력이 다른 힘보다 훨씬 약한지에 대한 질문입니다.추가적인 차원의 해결책은 중력이 다른 차원으로 전파될 수 있도록 하는 동시에 다른 힘이 4차원 시공간에 국한되도록 하는 것을 포함하는데, 이는 명백한 끈질린 메커니즘으로 실현된 아이디어입니다.[28]

끈이론에 대한 연구는 다양한 이론적, 실험적 요인에 의해 장려되어 왔습니다.실험 측면에서, 중성미자 질량으로 보충된 표준 모델의 입자 함량은 이질적 끈 이론[29] 또는 F-이론에서 (때로는 동등하게) 나타나는 끈 이론에서 일상적으로 나타나는 E8의 하위 그룹인 SO(10)의 스핀 또는 표현에 들어맞습니다.[30][31]끈 이론은 페르미온이 왜 세 계층적 세대로 들어오는지 설명하고 쿼크 세대 사이의 혼합률을 설명할 수 있는 메커니즘을 가지고 있습니다.[32]이론적인 측면에서는 블랙홀 정보 역설을 해결하고 블랙홀의[33][34] 정확한 엔트로피를 세고 위상 변화 과정을 허용하는 것과 같은 양자 중력의 핵심 질문들을 다루기 시작했습니다.[35][36][37]또한 게이지/스트링 이중성으로 인해 순수 수학과 일반적으로 강하게 결합된 게이지 이론에서 많은 통찰력을 얻었습니다.

1990년대 후반, 이 시도의 주요 장애물 중 하나는 가능한 4차원 우주의 수가 엄청나게 많다는 것입니다.작은 "구불구불한" 여분의 차원들은 각각 저에너지 입자와 힘에 대한 서로 다른 특성으로 이어지는500 엄청나게 많은 다른 방식으로 압축될 수 있습니다.이 모델 배열을 끈 이론 풍경이라고 합니다.[17]: 347

한 가지 제안된 해결책은 이러한 가능성들 중 많은 혹은 모든 것들이 하나 혹은 다른 우주에서 실현되지만, 오직 소수의 우주만이 거주할 수 있다는 것입니다.따라서 우리가 보통 우주의 기본 상수로 생각하는 것은 이론에 의해 지시되기 보다는 궁극적으로 인류 원리의 결과입니다.이것은 끈이론이 유용한(즉, 독창적이고, 반증 가능하고, 검증 가능한) 예측을 할 수 없다고 주장하고 그것을 의사과학/철학으로 간주하는 [38]비판으로 이어졌습니다.다른 사람들은 동의하지 않으며 [39]끈 이론은 이론 물리학에서 활발한 연구 주제로 남아 있습니다.[40]

고리양자중력

고리양자중력에 대한 현재의 연구는 결국 모든 것의 이론에서 근본적인 역할을 할 수 있지만, 그것이 주요한 목표는 아닙니다.[41]루프 양자 중력은 또한 가능한 길이 척도에 대한 하한을 도입합니다.

루프 양자 중력이 표준 모델과 유사한 특징을 재현할 수 있다는 최근의 주장들이 있었습니다.지금까지 정확한 패리티 특성을 가진 1세대 페르미온(렙톤 및 쿼크)만 선댄스 빌슨-톰슨이 시공간의 땋음으로 구성된 프레온을 구성 블록으로 사용하여 모델링했습니다.[42]그러나 그러한 입자의 상호작용을 설명하는 라그랑지안의 유도는 없으며, 그러한 입자가 페르미온이라는 것을 보여줄 수도 없고, 표준 모델의 게이지 군 또는 상호작용이 실현된다는 것도 가능하지 않습니다.양자 컴퓨팅 개념을 사용하여 입자가 양자 변동에서 살아남을 수 있음을 증명할 수 있었습니다.[43]

이 모델은 전기 및 색상 전하를 위상학적 양(고정 전하를 위한 꼬임의 변형으로 개별 리본 및 색상에 전달되는 꼬임의 수 및 키랄리티)으로 해석하게 합니다.

빌슨톰슨의 원래 논문은 이러한 구조의 명시적인 구성이 주어지지 않았지만 더 복잡한 땋음으로 고세대 페르미온을 나타낼 수 있다고 제안했습니다.이러한 페르미온의 전하, 색, 패리티 특성은 1세대와 동일한 방식으로 발생합니다.이 모델은 빌슨톰슨, 해켓, 카우프만 및 스몰린의 2008년 논문에서 무한한 세대와 약한 힘 보손(광자나 글루온에는 해당하지 않음)을 위해 명시적으로 일반화되었습니다.[44]

기타시도

모든 것에 대한 이론을 발전시키려는 다른 시도 중에는 인과 페르미온 시스템 이론이 있으며,[45] 현재의 두 물리 이론(일반 상대성 이론과 양자장 이론)을 제한 사례로 제공합니다.

또 다른 이론은 인과적 집합이라고 불립니다.위에서 언급한 몇몇 방법들처럼, 그것의 직접적인 목표는 반드시 모든 것의 이론을 성취하는 것이 아니라, 결국 표준 모델을 포함하고 모든 것의 이론의 후보가 될 수 있는 주로 양자 중력의 작동하는 이론입니다.시공간은 기본적으로 이산적이며 시공간 사건들은 부분적인 순서에 의해 연관된다는 것이 그것의 기초 원리입니다.이 부분 순서는 상대적인 과거와 미래를 구분하는 시공간 사건 사이의 인과관계의 물리적 의미를 갖습니다.

인과적 동적 삼각측량은 기존의 아레나(차원 공간)를 가정하지 않고 시공간 직물 자체가 어떻게 진화하는지 보여주려 합니다.

다른 시도는 ER=EPR과 관련이 있을 수 있는데, 이는 얽힌 입자들이 웜홀(또는 아인슈타인-로젠 다리)로 연결되어 있다는 물리학의 추측입니다.

현재여부

현재 입자물리학과 일반상대성이론의 표준모형을 포함하고 동시에 미세구조상수나 전자의 질량을 계산할 수 있는 모든 것의 후보이론은 없습니다.[2]대부분의 입자 물리학자들은 진행 중인 실험의 결과인 큰 입자 가속기와 암흑 물질에 대한 연구가 모든 이론에 대한 추가적인 정보를 제공하기 위해 필요할 것으로 예상합니다.

에 대한 반론

모든 것에 관한 이론을 집중적으로 연구하는 것과 병행하여, 다양한 학자들은 그것의 발견의 가능성에 대해 논의해왔습니다.

괴델의 불완전성 정리

많은 학자들은 괴델의 불완전성 정리가 모든 것에 대한 이론을 구성하려는 시도가 실패할 수밖에 없다는 것을 암시한다고 주장합니다.괴델의 정리는 공식 이론에서 도출될 수 없는 참된 진술이 존재한다는 점에서 기초적인 산술적 사실을 표현하기에 충분하고 증명될 수 있을 정도로 충분히 강력한 형식 이론은 일관성이 없거나(문언과 그 이유는 형식 이론에서 도출될 수 없는 참된 진술이 존재한다는 점입니다.

스탠리 자키는 1966년 저서 물리학의 관련성에서 "모든 것의 이론"은 분명 일관성 있는 사소한 수학적 이론이 될 것이기 때문에, 그것은 틀림없이 불완전할 것이라고 지적했습니다.그는 이 운명이 모든 것에 대한 결정론적 이론을 탐색한다고 주장합니다.[47]

프리먼 다이슨은 "괴델의 정리는 순수한 수학은 무한하다는 것을 암시합니다.아무리 많은 문제를 풀어도 기존의 규칙 안에서는 해결할 수 없는 다른 문제가 항상 있을 것입니다.[…] 괴델의 정리 때문에 물리학도 지칠 줄 모릅니다.물리 법칙은 유한한 규칙 집합이며, 수학을 하는 규칙을 포함하여 괴델의 정리가 그 규칙에 적용됩니다."[48]

스티븐 호킹은 원래 만물 이론의 신봉자였지만, 괴델의 정리를 고려한 후 하나는 얻을 수 없다는 결론을 내렸습니다."어떤 사람들은 유한한 수의 원리로 공식화될 수 있는 궁극적인 이론이 없다면 매우 실망할 것입니다.예전에 그 캠프에 속해 있었는데 마음이 바뀌었습니다."[49]

위르겐 슈미드후버(1997)는 이 견해에 반대하는 주장을 했는데, 그는 괴델의 정리가 계산 가능한 물리학과 무관하다고 주장했습니다.[50]2000년, Schmidhuber는 결정할 수 없는 괴델과 유사한 중단 문제에 기초한 의사 무작위성은 탐지하기 매우 어렵지만 극소수의 정보에 의해 설명될 수 있는 모든 것의 공식 이론을 방지하지 않는 한계 계산 가능한 결정론적 우주를 명시적으로 구성했습니다.[51]

솔로몬 페퍼만[52] 등이 이와 관련된 비평을 내놓았습니다.더글러스 S로버트슨은 콘웨이의 인생 게임을 예로 들고 있습니다.[53]기본 규칙은 간단하고 완전하지만, 게임의 행동에 대한 결정할 수 없는 질문들이 공식적으로 있습니다.마찬가지로, 물리학의 기본 규칙을 유한 개의 잘 정의된 법칙으로 완전히 진술하는 것은 가능할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있지만, 그러한 기본 법칙에 기초하여 공식적으로 결정할 수 없는 물리계의 행동에 대한 의문은 거의 없습니다.

대부분의 물리학자들은 기본 규칙의 진술이 "모든 것의 이론"의 정의로 충분하다고 생각하기 때문에, 대부분의 물리학자들은 괴델의 정리가 모든 것의 이론이 존재할 수 없다는 것을 의미하지 않는다고 주장합니다.[citation needed]한편, 괴델의 정리를 제기하는 학자들은 적어도 어떤 경우에는 기본 규칙이 아니라 모든 물리계의 행동을 이해할 수 있는지에 대해 언급하는 것처럼 보입니다. 호킹이 블록을 직사각형으로 배열하여 소수의 계산을 물리적 질문으로 바꾼다고 언급할 때 말입니다.[54]이러한 정의의 불일치는 연구자들 간의 불일치를 설명할 수 있습니다.

정확도의 근본적인 한계

지금까지 어떤 물리적 이론도 정확하다고 믿어지지 않습니다.대신, 물리학은 일련의 "연속적인 근사"에 의해 진행되어 더 넓고 광범위한 현상에 대한 더 많은 정확한 예측을 가능하게 합니다.일부 물리학자들은 따라서 이론적 모델과 실제의 본질을 혼동하는 것은 실수라고 믿고 있으며, 일련의 근사치는 결코 "진실"에서 끝나지 않을 것이라고 주장합니다.[55]아인슈타인 자신도 가끔 이런 견해를 나타냈습니다.[56]

기본법의 정의

모든 것에 대한 이론이 우주의 기본 법칙이라고 불릴만한지에 대해 물리학계 내에서 철학적 논쟁이 있습니다.[57]하나의 견해는 모든 것의 이론이 근본적인 법칙이며 우주 안에서 적용되는 모든 다른 이론들은 모든 것의 이론의 결과라는 강경한 환원주의적 입장입니다.또 다른 견해는 복잡한 시스템의 행동을 지배하는 신흥 법률도 마찬가지로 기본적인 것으로 보아야 한다는 것입니다.새로운 법칙의 예로는 열역학 제2법칙과 자연선택이론이 있습니다.출현의 옹호자들은 출현한 법들, 특히 복잡하거나 살아있는 시스템들을 설명하는 법들은 낮은 수준의 미시적인 법들과는 독립적이라고 주장합니다.이 관점에서 볼 때, 신흥법은 모든 것의 이론만큼이나 기본적인 것입니다.

그 논쟁들은 쟁점의 요점을 명확하게 밝히지 못합니다.아마도 유일하게 문제가 되는 문제는 "근본적"이라는 높은 지위의 용어를 각각의 연구 대상에 적용할 수 있는 권리입니다.이에 대한 잘 알려진 논쟁이 스티븐 와인버그와 필립 앤더슨 사이에서 일어났습니다.[58]

계산불가능성

와인버그는[59] 지구 대기권에서 실제 발사체의 정확한 움직임을 계산하는 것은 불가능하다고 지적합니다.그렇다면 우리가 발사체의 움직임을 설명하기에 적절한 이론을 가지고 있는지 어떻게 알 수 있을까요?와인버그는 우리가 빈 공간에 있는 행성의 운동과 같이 간단한 예를 들어 충분히 "잘" 작동하는 원리(뉴턴의 운동과 중력의 법칙)를 알고 있다고 제안합니다.이러한 원리는 간단한 예에서 매우 잘 작동하여 보다 복잡한 예에서 작동할 것이라고 합리적으로 확신할 수 있습니다.예를 들어, 일반 상대성 이론은 정확한 해를 가지고 있지 않은 방정식을 포함하지만, 정확한 해를 가진 방정식은 모두 실험적으로 검증되었기 때문에 이 이론은 타당한 이론으로 널리 받아들여지고 있습니다.마찬가지로, 모든 것의 이론은 물리학의 모든 상황에서 효과가 있을 것이라고 합리적으로 확신할 수 있는 방법으로 다양한 간단한 예에서 작동해야 합니다.양자역학과 일반상대성이론을 결합할 때 모든 것의 이론을 만드는 데 어려움이 종종 나타나기 시작하는데, 중력이 양자역학에 가해지면 양자역학의 방정식이 흔들리기 시작하기 때문입니다.

참고 항목

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