[비센의 재미있는 과학 이야기] 초끈 이론(Superstring theory)
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일15-03-02 16:30 조회2,183회 댓글0건관련링크
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인류가 앞으로 풀어야 할 '초끈 이론' 연구 활발해
오랜 세월, 물리학자들은 우주를 지배하는 하나의 궁극적인 법칙을 찾아내기 위해 노력해 왔고, 지금 현재까지도 많은 과학자들이 그 비밀을 풀기 위해 연구에 매진하고 있습니다.
1900년대 초 아인슈타인도 상대성이론을 발표한 후 자신의 생이 다할 때까지 궁극적인 통합 이론을 정립하고자 노력했지만 결국 이루어내지 못하고 생을 마감하였습니다. 1980년대 이 후 대두되어 현재까지 “통합 이론”으로 가장 이론적으로 잘 정립되었다고 보여지는 이론이 바로 초끈이론(Superstring theory)입니다.
현재까지 알려진 바에 의하면 중력(Gravity), 전자기력(Electromagnetic Force), 약력(Nuclear Weak Force), 그리고 강력(Nuclear Strong Force)이라는 네가지 힘에 의해서 이 우주의 모든 것들은 서로 상호작용을 하며 존재합니다. 하지만, 일부 과학자들은 이러한 네가지 힘을 아우르는, 아직은 모르지만, 통일된 하나의 힘이 있을 것이라 생각하는데, 이것이 바로 모두의 이론(Theory of Everything, TOE)라는 가상의 이론입니다. 그리고 이 분야의 선두주자가 초끈이론이라고 볼 수 있습니다.
모든 물질은 원자로 이루어져 있고, 이 원자는 전자와 원자핵으로, 또 원자핵의 내부에는 중성자와 양성자라는 입자들로 구성되어 있습니다. 그리고 양성자와 중성자는 쿼크(quark)라는 더 작은 입자들로 이루어져 있습니다. 여기까지가 현재 실험적 증명으로 검증된 이 세상을 이루고 있는 기본입자들 입니다.
초끈이론은 여기서 한 발 더 들어가 쿼크나, 전자와 같은 렙톤(lepton) 등의 기본입자들은 그 내부에 초끈(superstring)이라고 불리는 진동하는 에너지 고리로 이루어져 있다고 설명합니다. 이는 각각의 기본입자들의 특성에 의해서 그들의 상호작용이 다르게 나타나고, 그로 인해 앞서 말씀드린 네가지 각각의 힘의 상호작용으로 세상이 이루어져 있다고 설명하고 있는 현재의 표준모델(Standard Model)을 뛰어 넘는 이론으로서, 겉으로 보이는 것은 달라 보이지만, 단지 겉으로 그렇게 보일 뿐 그 내부의 초끈이 모든 것을 가능케 하는 궁극적인 에너지, 즉 우주의 기본이라고 설명합니다. 그렇다면 이 세상에 아직은 우리가 모르는 궁극적인 하나의 진리가 존재하는 것이고, 만약 그것을 바로 이 초끈이라는 것으로 설명될 수 있다면, 이는 실로 엄청난 과학적 발견이 될 것입니다. 하지만, 초끈이론은 아직까지는 실험적으로 증명되지 못하였고, 철저히 이론적인 계산에 의해서만 정립된 이론입니다. 그렇다면 이 초끈이론에서 이야기하는 초끈이라는 것이 왜 실험적으로 증명되기가 어려운 것일까요?
초끈이론이 과연 현실적으로 정말 가능한 이론인가라는 질문은 우리가 직시할 수 없는 ‘차원’으로부터 시작됩니다. 초끈이론을 뒷받침하는 이론적 계산은 무려 11차원이라는 시공간을 가정하고서 이루어집니다. 그럼 이러한 다차원은 과연 가능한 것일까요? 이에 대한 답은 다시 아인슈타인의 시공간의 아이디어로 돌아가게 됩니다.
중력(Gravity)의 현상들은 뉴튼(Sir Isaac Newton)에 의해서 정리가 되었지만, 그 원리에 대해서는 1900년대가 되어서야 아인슈타인에 의해서 설명되었습니다. 아인슈타인은 중력이라는 힘을 전달하는 매개체가 바로 공간 자체라고 생각을 했습니다. 이를 쉽게 설명하자면 어떤 물질도 존재하지 않는 공간은 양탄자와 같이 잘 펴져있는 상태인데, 빈 공간에 널려있는 양탄자 위에 무거운 볼링공과 같은 물체를 올려 놓으면 양탄자가 아래쪽으로 늘어지듯이 태양과 같은 무거운 별이 존재하면 그 주변의 공간이 양탄자처럼 휘어지게 되고, 그 휘어짐의 영향력 안에 위치한 지구와 같은 행성들이 그로부터 중력을 느끼게 된다는 설명입니다.
이는 그 전세대의 과학자들은 절대로 생각할 수 없는 획기적인 아이디어로 오랜 수수께끼였던 중력의 비밀을 설명하였을 뿐만 아니라, 이 후 많은 과학자들이 세상을 바라보는 시선의 틀을 깰 수 있게 해 준 중요한 계기가 되었습니다. 이에 영향을 받은 독일의 수학자이자 과학자였던 테어도어 칼루자(Theodor Kaluza, 1885-1954)는 중력 외에 다른 힘들도 중력과 비슷하게 휘어지는 차원에 의해 매개된다는 가설을 이용하여 설명을 해보고자 시도를 하였습니다. 하지만 이미 4차원(3차원 공간과 시간 차원)은 중력의 매개체로 설명이 되었기 때문에, 매우 이상하게 들리지만, 우리가 인지할 수 없는 다른 차원이 있다는 가정을 하고, 그 차원이 다른 상호작용의 매개체가 된다고 연결하여 이론을 정립할 수 밖에 없었습니다.
어쨋든 칼루자는 이를 바탕으로 이루어진 차원에 대한 계산을 해본 결과, 가장 낮은 4차원과 연결된 부분에서는 중력에 대한 식을, 그리고 추가적으로 가정된 차원으로부터는 예전부터 잘 알려져 온 전자기력(Electromagnetic Force)에 대한 식을 유도해 낼 수 있었습니다. 이는 실제로 전자기력을 전달하는 매개체가 우리가 느낄 수 없는 다른 차원에 의해 연결된 것일 수도 있다는 것을 이론적으로 보여준 것으로 물리학에 있어서 다중차원에 대한 중요한 인식을 갖게 해준 놀라운 계산 결과였습니다.
초끈 이론 물리학자들은 칼루자의 계산처럼 다차원의 세계가 우리 세상에 실제로 영향을 줄 수 있다고 생각하며, 우리 주변에 존재하지만 우리가 느낄 수 없는 미시적 차원들이 이러한 다차원의 정체라고 설명합니다. 즉, 가느다란 실을 따라 개미가 지나가고 있다면, 우리들이 보기에는 직선을 따라가는 1차원적인 운동을 하고 있는 것이지만, 개미의 시선으로 보자면 커다란 원통형 다리를 지나가며 좌우로도 움직일 수 있고, 원통을 빙글빙글 돌면서 갈 수도 있을 것입니다. 즉, 우리에겐 1차원으로 보이는 것이지만, 그 내부에 보이지 않는 차원들이 더 많이 존재한다는 것입니다.
그럼 이런 다차원이 존재하고 이 차원들을 넘나드는 초끈이라는 것이 실제로 존재한다는 것을 실험적으로 증명할 수는 있을까요? 초끈 이론 물리학자들은 입자가 엄청난 에너지로 충돌을 하여 작은 기본입자들로 깨져 나갈 때, 몇몇의 입자들이 충분한 에너지를 갖는다면 계산식 상에 존재하는 다른 차원으로 튕겨져 나갈 수 있다고 주장합니다.
이는 충돌 전후의 에너지를 측정해 봄으로써 다른 차원으로 넘어가버린 입자들이 존재하는지를 확인해 볼 수 있다고 예상하고 있습니다. 아쉽게도 아직까지 가장 높은 에너지를 낼 수 있는 입자 충돌기인 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)로 행해진 실험들에서도 초끈이론을 뒷받침해줄 만한 증거는 찾지 못했습니다.
지난 2000년 초반서부터 앞으로 10여년내에 LHC로부터 초끈이론을 뒷받침할 수 있는 증거를 실험적으로 볼 수 있을 것이라고 흥분해 있었던 초끈 이론 물리학자들은 지금까지도 그 증거를 찾을 수 없자 조금은 초조해지기 시작하는지 작년말 이 계통의 유명한 한 물리학자가 ‘초끈이론은 이론자체로 너무나도 아름답고 완벽해 보이는 것이기에 굳이 실험적으로 증명될 필요는 없다’라는 글을 네이처지에 기고했다가 지금까지도 많은 물리학자들로부터 실험적 증명의 필요성을 부정하는 것은 ‘물리학자이기를 근본부터 부정하는 것’이라며 뭇매를 맞고 있기도 합니다.
과연 초끈이론은 이 세상을 설명할 수 있는 완벽한 이론임에도 불구하고, 아직은 인간의 능력 부족으로 받아들여지지 못하고 있는 것인지, 아니면 처음부터 초끈이라는 것은 존재하지 않는 것인데, 이론학자들의 계산으로만 성립되어진 허구의 이론인지 멀지 않은 미래에 발전된 물리학으로 수수께끼가 풀릴 것을 기대해 봅니다.
석준영 비센학원장
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