5차원과 암흑물질을 알게 된다면
초끈 이론은 해낼 것인가?
우리가 사는 세계를 흔히 3차원이라고 말한다. 하지만 4차원이다! 4차원은 가상의 뜬구름같은 존재나 엉뚱한 소녀를 지칭할 때 쓰는 표현이 아니었던 것이다. 현재 물리학을 지배하고 있는 아인슈타인의 상대성 이론은 4차원을 기반으로 한다. 바로 3차원의 공간과 1차원의 시간. 상대성 이론에 따라 공간은 시간에 따라 달라지기 때문에 둘은 따로 생각할 수 없다고 했고, 그리하여 우리는 4차원 시공간에 살고 있다고 말할 수 있다.
*짚고 넘어갈 것
(3차원 공간 + 1차원 시간 = 4차원 시공간)이 아닌, '4차원 공간'은 실재하는가?
3차원 공간에서 중력은 거리의 '제곱'에 반비례하고 2차원 공간에서 중력은 거리의 '1제곱'에 반비례하는데, 이러한 법칙으로 보면 우리가 사는 공간이 3차원이어야만함을 알 수가 있다. 그렇지 않으면 중력이 너무 약하거나 강해져 공간은 흩어져 버리거나 한 점으로 모여 버릴 것이기 때문이다. 하지만 4차원이상의 공간이 존재한다면 그 또한 우리의 존재와 모순되지 않는 특별한 4차원 공간일 것이다. 엄청 작든가, 어떤 물질도 왕래할 수 없든가.
5차원 가설의 등장
4차원이 이세계(異世界)의 것인줄로만 알았던 무지했던 나는 오늘도 또 한 번 나의 무지에 경탄한 사건이 있었는데, 그것은 바로 5차원의 가설, 모델, 연구가 이미 존재한다는 것이었다.
1919년 독일 수리물리학자 테오도어 칼루차(Theodor Kaluza)는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 공간 차원의 수를 3에서 4로 늘려보았고, 거기서 새로 발견한 항은 '전자기력'을 설명하는 맥스웰 방정식 그 자체인 것을 발견했다. 일반 상대성 이론이 4차원 이상에서도 성립한다는 것을 발견한 것이다.
아인슈타인은 이를 보고 그렇다면 그 이상, '즉 제5차원은 어디에 존재하는가?' 라는 의문을 제기했으며
1926년 스웨덴 이론물리학자 오스카르 클라인은 '제5차원은 3차원 공간의 각 점에 작게 뭉쳐져 있다. 크기가 너무 작아 누구도 알아차리지 못한다.'고 말했다.
초끈이론의 등장
칼루차의 실험은 모순으로 밝혀져 실패로 끝났지만, '차원의 추가'라는 그의 제안이 다시 반세기만에 주목받게 되었는데, 그것은 바로 1984년 등장한 '초끈 이론'이다. 초끈 이론은 물질과 힘을 구성하는 기본 입자의 모습을 점이 아니라 '끈'으로 생각하는 이론이다. 이론에 모순이 생기지 않기 위해서는 10차원의 시공이 필요하다.
My Favorite Character 셸든 쿠퍼 of 빅뱅이론초끈이론, 우리는 '막'에 살고 있다?
1990년대 더욱 발전한 초끈 이론은 끈뿐만 아니라 '브래인(brane)'을 우주의 기본 요소로 생각하게 되었다.
우리는 고차원 공간에 떠 있는 막, 즉 브래인 월드(4차원 시공간)에 살고 있다는 것이다. 브래인 월드 밖을 5차원이라고 가정하고, 그곳은 우리가 왕래할 수 없다. 마치 수면 위의 공처럼 튀어오를 수도, 물 속에 가라앉을 수도 없다. 하지만 브래인에서 5차원으로 이동할 수 있는 딱 하나의 물질이 있으니, 그것이 바로 '중력자'이다. 즉 중력은 5차원으로 전해질 수 있다. 그 이유는 중력자 만이 닫힌 끈이고 광자, 위크보손, 글루온은 열린 끈이기 때문이다. 열린 끈의 양끝은 브래인에 붙어 자유로이 움직일 수 없고, 중력자는 닫힌 끈, 즉 고리의 모양으로 차원을 자유로이 움직일 수 있다.
휘어진 잉여 차원 모델
1999년 미국 하버드 랜덜 교수는 '휘어진 잉여 차원 모델'을 발표하고 많은 주목을 받게 된다. 우리가 사는 세상을 위와 같이 브래인이라 가정 후 두 가지 큰 특징을 설정한다.
1) 또 하나의 브래인, 평행 우주를 상정한다.
2) 제5차원은 휘어져 있다.
두 브래인 사이는 휘어진 5차원으로 이어져있고, 중력이 약한 브래인에서 휘어진 5차원을 통과하면 중력이 강해진 브래인으로 이동하게 된다. (실제로는 이동 불가능)
-> 왜 이 2가지 특징을 설정했는가? 이는 네 가지 힘(중력자, 광자, 위크보손, 글루온) 중 중력만이 아주 약한 이유(계층성 문제)를 훌륭히 설명할 수 있기 때문이다.
초끈이론, 양자역학과 상대성이론을 통합하다?
그동안 과학자들은 자연계에는 4가지 힘이 존재한다고 보았다. 중력, 전자기력, 강력, 약력. 이 힘들을 매개하는 입자들을 중력자, 광자, 위크보손, 글루온이라고 하는데, 이 중 중력자만이 규명되지 않았었다. 하지만, 세상을 가장 작은 입자를 점이 아닌 끈으로 가정한다면 이 중력자를 설명할 수 있었다 ..! 휘어진 5차원을 통해서 중력이 새어나간다고 보는 것이다!
LHC(Large Hadron Collider), 대형 하드론 충돌 가속기에서의 실험
LHC는 양성자의 광속의 99.9999991%까지 가속시킨다. LHC실험을 통해 기대할 수 있는 것은 다음과 같다.
1) 초대칭성 입자의 발견으로 암흑 물질의 후보를 알 수 있을지도?
2) 빅뱅 때 우주가 어떤 상태였는지 알 수 있을지도?
3) 제5차원, 아니 6, 7, 8 ... 차원의 실증을 확인할 수 있을지도?
- 충돌로 생긴 입자의 에너지를 서로 합한 수치가 충돌 전의 양성자의 수치보다도 적으면, 충돌에 의해 고차원 공간으로 에너지가 새어 나갔다는 것! 또한 작은 '인공 블랙홀'의 생성과 증발을 확인하면 잉여 차원을 알 수 있다!
하지만 아직 5차원, 암흑물질에 대해 실험으로 증명된 것은 없다고 한다 ..................................
European Organization for Nuclear Research (CERN) 에서 운영하는 LHC(Large Hadron Collider) 사이트를 참고해보세요. https://home.cern/
5차원을 알게 되면 우리가 절대로 알 수 없는 것에 대해 알게 되었다고 할 수 있을까?
암흑물질은 우주의 96%이다. 암흑물질을 알게 되면 인간은 어떻게 될까?
난 그것이 무척 궁금하다.