초끈이론
[엘러건트 유니버스] 브라이언 그린
꼭 이론물리학자들이 아니더라도 인류의 가장 큰 궁금증 중에 으뜸은 '이 우주가 어떻게 만들어졌나?'일 것이다. 빅뱅이후 이 우주의 시간과 공간은 시작이 되었고 빅뱅 이전은 현재 우주의 시간과 공간개념으로는 설명이 불가능한 차원의 일이 될 것이다.
과학자들은 이 같은 시간과 우주의 역사를 좀 더 근본적인데서 부터 설명해내길 원하고 있고 그 열쇠는 우주를 지배하는 네 가지 힘- 강한핵력(강력), 전자기력, 약한핵력(약력), 만유인력 -을 하나의 이론으로 명쾌하게 정리해내는 통합이론을 연구하는데 있다고 본다.
통합이론은 이 네 가지의 힘이 결국은 하나의 원리에서 비롯된다고 보고 그 물리적 관계를 기하학적으로 나타내는데 그 목적이 있다.
강한핵력과 약한핵력은 핵융합시 동시에 나오는 힘이며 전자를 잡아두는 전자기력도 핵융합에 의해 보다 높은 질량의 원자를 구성하는 과정 중에 필연적으로 발생하는 힘이 된다. 하지만 만유인력은 가장 약하기는 하지만 원자를 구성하는 힘과는 별개로 존재하는 힘이다. 따라서 통합이론의 핵심은 만유인력과 원자를 구성하는 나머지 세가지 힘들과의 관계를 규명하는 것이라 할 수 있다.
그래서 네 가지 힘이 처음으로 생겨났던 빅뱅 직후의 우주를 모델링함으로써 그 함수관계를 밝히고 입자가속기를 이용한 실험으로 그것을 규명하는 것이다.
일반상대성이론(만유인력)과 양자역학을 하나로 만들려는 통합이론은 초끈이론이 등장하면서 급물살을 타게 되었다. 초끈이론으로 전자기력과 중력이 결국 하나의 힘이라는 것을 멋지게 증명해낸 것이다. 우주는 원자나 쿼크가 아니라 고리모양의 ‘초끈’이라는 기초적인 물질로 구성이 되어있으며 초끈은 입자성과 더불어 고리의 진동수를 가짐으로써 파동성을 동시에 가진다. 이 진동수에 따라 입자의 성질이 정해진다는 것이다.
그리고 이런 초끈의 진동수에 의한 근본적인 접근은 양자역학과 일반상대성이론을 하나로 묶을 수 있는 단초를 마련한 것이며 이것이 실제로 증명이 된다면 말 그대로 ‘우주의 궁극의 이론’이 그 베일을 벗는 것이 될 것이다.
하지만 초끈이론에는 더 많은 것이 들어있었다. 빅뱅의 시작을 유추할 수 있게 해주었고 빅뱅의 시작은 점이 아니라는 것을 증명해냈다. 우주는 플랑크 길이 이하로는 존재할 수 없다는 사실은 플랑크 길이 이하의 양자요동에 주목하게 되었고 거기서 부터 우리의 시간과 공간을 넘어서는 새로운 차원의 존재를 탐구할 수 있게 되었다.
다차원세계, 다차원우주는 우주의 생성에 의문을 가지는 사람이라면 누구나 한번쯤은 떠올려 봤음직한 주제들이다. 우주는 한없이 넓다는데, 우리가 살고 있는 차원과 다른 차원도 분명 존재한다는데, 우리가 지각할 수 있는 제한된 시간과 공간은 우리의 사고의 장벽이 되었고 그 너머를 조금이라도 들여다보기 위해서 광대한 숫자를 떠올리거나 또 다른 차원의 요소를 힘들여 궁리해왔다. 이런 우리의 상상력이 이제 물리학적으로 규명되기 일보직전의 단계에 와있는 것이다.
뉴턴이 만유인력의 법칙을 발견할 때 중력과 가속도는 같은 것이라는 등가성을 발견하고, 아인슈타인이 특수상대성이론을 발표하고 난 뒤 일반상대성이론을 이끌어내기 위해 질량과 에너지는 같은 것이라는 등가성의 원리를 번개처럼 떠올렸던 것처럼 어떤 물리학자가 초끈이론과 양자역학을 기반으로 해서 차원과 우주의 비밀을 풀 어떤 명쾌한 논리를 떠올릴 순간이 머지않아 오게 될 것이다.
그것은 우리의 우주가 왜 이런 모습을 하고 있는지에 대한 해답을 알려주는 것이 될 것이고 앞으로 이 우주는 어떻게 될 것인가에 대한 대답도 내놓을 것이다. 더 나아가서 다른 차원에 있는 우주에 대한 설명을 해주게 될지도 모른다. 그 논리가 궁극의 이론이 되지 않을지도 모르지만 과학사에 있어 가장 위대한 발견이 될 것임은 의심의 여지가 없다.
아인슈타인의 이론으로 뉴턴역학을 모두 설명할 수 있지만 우리가 뉴턴역학은 쉽게 이해하고 아인슈타인의 이론을 어렵게 받아들이는 것은 우리의 속도가 빛의 속도에 비해서 너무나도 느리기 때문이다.
마찬가지로 아인슈타인의 이론을 모두 만족하는 초끈이론을 우리가 이해하기 어려운 것은 우리가 살고 있는 시공간 너머의 세계를 이야기 하고 있기 때문이다.
우리의 시공간은 과연 필연적인 잣대인 것인지 시공간을 넘어서는 차원은 어떻게 상상할 수 있는 것인지 이것을 궁금해 하지만 우리가 직접 이것을 관찰하거나 체험할 수는 없다. 간접적인 증거를 발견하기라도 한다면 굉장한 행운이고 가장 중요한 부분은 수학적인 이론으로만 남게 될 가능성이 훨씬 높다.
그렇다면 우리가 인지하지도 못하는 어떤 우주나 차원이 수학적인 이론으로만 존재하는 것이 어떤 의미가 있느냐에 대한 고민이 생긴다. 물론 실험적으로 규명이 불가능한 플랑크길이 이하의 영역은 우리의 생활에 어떠한 영향도 끼치지 않으며 실험적으로도 검출되지 않을 부분을 애써 이론상에서 문제를 만들 필요는 없을 수도 있을 것이다. 하지만 인간의 호기심은 그동안 인류가 가장 궁금해 해왔던 이 주제를 탐구하는 것을 그만두게 하지 않을 것이다.
