아인슈타인의 꿈
아인슈타인은 자연에 존재하는 네 가지 힘, 만유인력, 전자기력, 강한 상호작용, 약한 상호작용을 통합하고자 하는 꿈이 있었다. 하지만 그는 이 위대한 꿈을 이루지 못한 채 세상을 떠나고 말았다. 흔히 이를 대통일 이론이라 부르는데 아인슈타인의 사후 수많은 물리학자들이 이를 이루기 위해 모든 노력을 다했다. 브라이언 그린의 <엘러건트 유니버스>는 이러한 꿈을 이룰 수 있는 가장 중요한 이론인 초끈 이론에 대한 책이다.
“초끈이론은 시공간과 물질의 근원을 기존과는 전혀 다른 시각에서 바라보기 때문에 우리가 이 이론을 별 불편 없이 받아들이려면 어느 정도 시간이 지나야 할 것이다. 이론적 배경과 주된 논리를 숙지한 상태에서 바라보면, 초끈이론은 지난 100년 동안 익을 대로 익은 물리학이 드디어 터지면서 탄생한 20세기 물리학의 결정체 바로 그 자체이다. 사실 지난 한 세기를 돌아볼 때 두 개의 이론이 서로 충돌하는 사건은 양자역학과 일반상대성이론이 처음이 아니었다.”
초끈이론의 가장 중요한 핵심은 우주를 이루고 있는 물질들의 근본이 우리가 그동안 알고 있었던 원자와 같은 입자가 아닌 끈으로 이루어져 있다는 것이다. 대통일 이론에서 문제가 되는 것은 바로 현대 물리학의 양대 산맥이라 할 수 있는 양자역학과 상대성이론을 합치시키는 것이다.
“끈이론은 초미 세계를 서술하는 기존의 이론들과 화끈하게 다른 체계를 갖고 있다. 이 이론에 의하면 우주를 구성하고 있는 최소 단위는 점같이 생긴 입자가 아니다. 끊임없이 진동하는 매우 가느다란 끈이 모든 만물의 최소 단위를 이루고 있다. 그러나 여기서 개념상 주의해야 할 점이 있다. 우리가 흔히 보는 일상적인 끈들은 원자와 분자들로 이루어진 집합체이지만 끈이론에 등장하는 끈은 더 이상의 세부 구조를 갖고 있지 않다. 다시 말해서 끈이론이 말하는 끈이란 물질을 이루는 가장 궁극의 최소 단위인 것이다. 하지만 이 끈은 길이가 너무도 짧기 때문에 최첨단의 관측 장비를 동원한다 해도 마치 점입자처럼 보인다.”
초끈이론은 그동안 우리가 당연하다고 가정했었던 물질의 기본 단위를 완전히 다르게 보는 것이기에 쉽게 받아들일 수 없었다. 게다가 실제로 우주가 끈으로 이루어져 있는지 실험으로 증명할 수 있는지가 커다란 의문이었다. 이러한 끈은 너무나 작아서 세부 구조조차 가지고 있지 않아 현재의 기술로는 관측조차 하기 어렵다는 문제가 있다.
“끈이론은 만물의 최소 단위를 점입자에서 끈으로 대치시켰을 뿐이지만 그 여파는 상상을 초월할 정도이다. 끈이론의 가장 뛰어난 특징은 그것이 일반상대성이론과 양자역학의 충돌을 무마시킬 수 있는 가능성을 지녔다는 점이다. 끈이라는 것은 점입자와 달리 공간상에서 어떤 특정 길이를 갖고 있다. 바로 이러한 사실이 두 이론을 조화롭게 묶는 데 결정적인 장점으로 작용한다. 끈이론의 두 번째 특징은 모든 물질과 힘들을 하나의 근본적인 단위, 즉 진동하는 끈으로부터 설명하기 때문에, 통일된 물리법칙을 이끌어 내는 데 매우 적절한 이론이라는 점이다. 끈이론은 시공간에 대한 우리의 개념에 또 한 번의 혁명적인 변화를 가져왔다.”
우주의 근본을 입자에서 끈으로 바꾸어 놓자 대통일 이론에서의 가장 어려운 문제인 상대성이론과 양자역학의 충돌을 해결할 수 있는 가능성을 보였다. 이로 인해 끈이론은 지난 세기말 폭발적인 관심을 끌며 수많은 천재 물리학자들의 연구 분야가 되어 왔다. 새로운 과학의 혁명이 될 것이라는 예상으로 이론 물리학계에서는 엄청난 흥분으로 기대를 모았다.
“끈이론은 자연의 법칙을 하나로 통일시켜 줄 유력한 후보로 각광받고 있다. 물질을 이루는 모든 소립자들과 힘을 전달하는 모든 매개 입자들은 특정한 진동 패턴을 자신의 신분증처럼 간직하고 있다. 우주 내에서 일어나는 모든 사건들과 물리적 과정들은 가장 궁극적인 단계에서 입자들 사이에 작용하는 힘으로 설명될 수 있으므로 끈이론은 물리적 우주를 통일된 관점에서 서술하는 만물의 이론의 자질을 충분히 갖고 있다. 물리학자들은 극미의 세계와 거시 세계에 적용되는 물리법칙이 일맥상통해야 한다는 확고한 신념을 가진 채 만물의 이론을 찾기 위해 필사의 노력을 기울여 왔다.”
끈이론 외에도 대통일 이론을 위한 다른 이론들도 덩달아 발전하기 시작했다. 이러한 노력들은 어느 정도의 결실을 맺게 되기에 이르렀다. 하지만 아직까지 최종적인 이론은 성공하고 있지 못한 상황이다. 최근에 이르러서는 끈이론에 대한 부정적 시각도 많은 것이 사실이다.
아인슈타인의 꿈은 정말 현실이 되어 이루어질까? 아직 해결해야 할 많은 문제들이 있지만 지금도 많은 물리학자들이 이를 위해 새로운 아이디어와 방법으로 그 꿈을 이루기 위해 열정을 다해 노력하고 있다. 이제 아인슈타인의 꿈은 모든 물리학자들의 꿈이 되었고 언젠간 그 꿈이 이루어질 날이 올 것이라 믿고 있다.
