[Kurzgesagt] 초끈 이론 – 현실의 본질은?

 

 

우주의 본질은 무엇일까요?

이 질문에 대답하기 위해 인류는

세계를 설명하는 여러 이야기를 만들었습니다.

우리는 이 이야기들을 시험해 버릴 건 버리고 남길 건 남깁니다.

하지만 아는 게 많아질수록

이 이야기 들은 더 복잡하고 이상하게 변해 갑니다.

몇몇은 너무 복잡하고 이상해져서 무슨 말을 하는 건지 알기 어렵습니다.

끈 이론 같은 것 말이죠.

 

모든 것의 본질에 대한 유명하고 논란이 많은 이론으로

종종 오해를 많이 불러일으킵니다.

왜 이 이론이 개발됐으며 이는 과연 옳은 이론일까요?

아니면 버려야 할 아이디어에 불과할까요?

 

 

 

현실의 실체를 이해하려고 물질을 자세히 들여다보았을 때

우리는 깜짝 놀랐습니다.

작은 먼지 안에 펼쳐진 놀라운 세상.

기괴한 생명체들과 복잡한 단백질 로봇들.

모두 분자 구조로 구성되어 있었고

분자는 더 작은 수많은 원자로 이루어져 있었죠.

 

현실을 구성하는 가장 작은 단위인 줄 알았지만

정말 어렵게 이것들을 부숴보니

더 이상 나눌 수 없는 것들을 발견했습니다.

소립자입니다.

 

그런데 문제가 생겼습니다.

너무 작아서 볼 수가 없었습니다.

생각해 보세요.

본다는 게 뭔가요?

 

뭔가를 보려면 빛이 필요합니다.

빛은 전자기파죠.

이 파는 물체의 표면을 맞추고 반사되어 눈으로 들어옵니다.

물체에 대한 정보를 전달해 우리 뇌는 그걸 바탕으로 영상을 만듭니다.

그러니 상호작용 없이는 그 어떤 것도 볼 수 없습니다.

 

보는 것은 만지는 것입니다.

수동적이 아니라 능동적인 과정이죠.

 

대부분의 경우 이건 문제가 아닙니다.

하지만 이 입자들은 너무너무 너무 작습니다.

너무 작아서 우리의 시각에 사용되는 전자기파가

이들을 건드릴 수도 없습니다.

가시광선은 이들을 그냥 통과합니다.

 

전자기파의 파장을 줄여 더 많은 파동을 보내서

이 문제를 해결해 볼 수도 있겠죠.

하지만 파장을 줄이면 에너지가 커집니다.

 

높은 에너지를 가진 파동으로 입자를 건드리면

이 입자가 변형됩니다.

입자를 봄으로써 변화시키는 겁니다.

 

그래서 소립자를 정확하게 측정하는 게 불가능합니다.

이 문제는 너무 중요해서 이름도 붙어있습니다.

[하이젠베르크 불확실성 원리]라고 합니다.

모든 양자 물리학의 근간이 되는 원리죠.

 

그럼 입자는 어떻게 생겼을까요? 그 본질은요?

알 수 없습니다.

 

정말 자세히 살펴보면 흐릿한 구체 형태의 영향권이 보일 뿐이고

입자 자체는 보이지 않습니다.

존재한다는 것만 압니다.

 

그렇다면 어떻게 그런 것들로 과학 이론을 발전시킬 수 있을까요?

바로 인간이 잘 하는 것

즉 이야기를 통해서 발전시켰습니다.

수학적 소설을 쓴 거죠.

점 입자 이야기라고 부를 수 있겠네요.

 

입자가 공간 안의 점이라고 생각하기로 했습니다.

모든 전자는 특정 전하량과 질량을 갖는 점입니다.

그 자체로는 다른 전자와 구분되지 않습니다.

 

이 방식으로 물리학자는 입자들을 정의하고

상호작용을 계산할 수 있습니다.

이것을 양자장 이론이라고 합니다.

이걸로 많은 문제가 해결됐습니다.

 

입자 물리학 표준 모형의 기반이 되었고

많은 현상을 매우 정확하게 예측합니다.

예를 들어

전자의 몇몇 양자적 속성을 시험해 봤더니

0.0000000000002%까지 정확했습니다.

그러니 입자들이 점은 아니지만 점이라고 가정할 때

우리는 우주를 꽤 정확하게 이해할 수 있습니다.

 

이 아이디어로 과학이 발전한 것은 물론이고

우리가 매일 쓰는 많은 기술이 여기서 나왔습니다.

 

하지만 거대한 문제가 있습니다.

중력입니다.

양자역학에서 모든 물리력은 특정 입자에 의해 전달됩니다.

 

하지만 아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면

중력은 우주의 그 어떤 힘과도 다릅니다.

우주가 연극이라면 입자는 배우지만 중력은 무대입니다.

 

간단히 말해 중력은 기하학 이론입니다.

시공간 그 자체의 기하학입니다.

 

여기서는 완벽한 정확도로 거리를 잴 수 있어야 합니다.

양자세계에서는 정확한 측정이 불가능하니

우리의 중력 이야기는 양자물리학 이야기와 맞지 않습니다.

 

물리학자들이 중력을 설명하는 새 입자를 넣어 봤지만

수학적으로 맞지 않았습니다.

이건 큰 문제입니다.

 

중력을 양자물리학과 표준모형에 더할 수만 있다면

모든 것의 이론을 얻을 수 있습니다.

 

그래서 천재들은 새 이야기를 지어냈습니다.

이런 질문을 한 거죠.

점보다 복잡한 것은 선이죠.

끈이라고 할 수도 있겠네요.

그렇게 끈 이론이 탄생했습니다.

 

끈 이론이 멋있는 건

여러 소립자를 끈의 진동 모드로 표현하기 때문입니다.

 

바이올린 줄을 다르게 진동시켜 다른 음을 만들 수 있는 것처럼

끈 하나로 여러 입자를 만들 수 있습니다.

가장 중요한 것은 여기에 중력이 포함된다는 겁니다.

 

끈 이론은 우주를 이루는 모든 힘을 통합할 수 있다고 약속했습니다.

사람들은 엄청나게 흥분하고 열광했습니다.

얼마 지나지 않아 모든 것의 이론 후보가 됐습니다.

 

일관성 있는 끈 이론에 사용되는 대부분의 수학은

3차원 공간과 1차원 시간으로 이뤄진 우리 우주에서 쓸 수 없습니다.

끈 이론에는 10차원이 필요합니다.

 

그래서 끈 이론 학자는 모형 우주에서 계산했습니다.

그리고 남는 6개 차원을 없애

우리 우주를 설명하려 했죠.

 

그러나 지금까지 모두 실패했고

끈 이론으로 한 예측은

어떤 것도 실험으로 증명되지 않았습니다.

끈 이론으로 우주의 본질을 밝히는 데 실패한 거죠.

그러니 끈 이론은 별 쓸모가 없다고 말할 수도 있습니다.

 

과학은 실험과 예측이 다라고 할 수 있죠.

그게 안 되면 끈 이론이 무슨 소용이냐고요.

 

사실 중요한 건 어떻게 쓰는지입니다.

물리학은 수학에 기반합니다.

2 더하기 2는 4죠.

누가 어떻게 생각하든 변하지 않습니다.

끈 이론은 수학적으로 맞습니다.

 

그래서 끈 이론은 아직 유용합니다.

크루즈선을 만들고 싶은데 작은 나룻배 설계도만 있다고 생각해 보세요.

차이가 크겠죠.

엔진부터 자재 크기까지.

하지만 본질은 같습니다.

바로 물에 뜬다는 겁니다.

 

따라서 나룻배 설계도를 공부하면

크루즈선 건조에도 결국 어느 정도 도움이 됩니다.

끈 이론으로 우리는 학자들을 수십 년 괴롭혀 온

몇 가지 양자중력 문제에 대한 답을 찾아볼 수 있습니다.

블랙홀의 원리와 정보 역설 같은 것 말이죠.

 

끈 이론은 옳은 방향을 가르쳐줄지 모릅니다.

이렇게 사용했을 때

끈 이론은 이론 물리학자에게 귀중한 도구가 되고

양자세계의 새로운 모습과

수학의 아름다움을 발견하도록 도와줄 수 있습니다.

 

끈 이론이 모든 것의 이론은 아닐 수 있습니다.

그러나 점 입자 이야기처럼

엄청나게 유용한 이야기일지 모릅니다.

 

아직 현실 세계의 본질이 무엇인지 우리는 모릅니다.

하지만 계속 이야기를 만들 겁니다.

바라건대 언젠가 그 모든 걸 알게 될 순간을 위해서요.