지식보관소_ 우주가 10차원인 이유와 초끈이론의 문제. 초끈이론 3편

 

 

우주가 단 하나의 근본적인 힘으로 구성되어 있다가

어떤 이유로 이 힘들이 깨져서 현재의 우주가 된 거라면

한 가지 넘어가야만 할 벽이 존재했는데요.

 

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요즘 날씨가 많이 더워져서 에어컨 없이는 살기가 힘든데요.

날씨가 덥다는 뜻은 온도가 올라갔다는 뜻입니다.

그리고 온도가 올라갔다는 건 재미있게도

입자들의 운동 에너지가 늘어났다는 겁니다.

 

무슨 얘기냐면

온도라는 건 작게 보면 소립자들의 운동 에너지입니다.

예를 들어

물이 들어 있는 냄비에 물 입자들이 운동 에너지가 커져서

이렇게 분자들끼리 붙잡고 있는 에너지를 넘어서게 되면

서로 떨어지게 되는데

이걸 ‘물이 끓는다’라고 표현을 합니다.

그리고 그렇게 되면 물은 ‘수증기’가 되겠죠.

 

그리고 입자들은 운동 에너지가 일정 수준을 유지할 때

우주에 존재하는 모든 힘들을

단 하나의 힘으로 통합하게 됩니다.

이게 갑자기 무슨 소리인가 싶으실 텐데요.

 

19세기 물리학자 맥스웰은

중력, 전자기력, 강한 핵력, 약력

이 네 가지 힘을 하나로 통합하려고 시도하는데요.

물론 당시에 이 네 가지 힘을 하나로 통합하는 건 쉽지가 않았습니다.

 

하지만 시간이 지나 물리학자들은

입자들이 일정 거리 이상으로 가까워지면

중력을 제외한 3개의 힘이

하나로 통합된다는 걸 알게 되었는데요.

 

그러면 가까워져서 3개의 힘이 하나로 통합이 된다는 건 어떤 의미일까요?

중력, 전자기력, 강한 핵력, 약력

4가지 힘은 전혀 다른 힘이지만

입자들 사이의 거리에 따라 힘의 크기가 달라지게 됩니다.

 

그리고 중력을 제외한 3개의 힘은

입자들끼리 엄청나게 가까운 거리가 되면

힘의 크기가 완전히 동일해 지는 지점이 생기는데요.

그 거리는 알기 쉽게 cm로 표현하자면

10^-29cm입니다.

 

이는 소수점 뒤에 0이 29개가 붙은 숫자인데요.

그러니까 한마디로 말도 안 되게 가까운 거리인 거죠.

 

입자들이 이런 거리를 유지하기 위해 필요한 온도는

약 10^28도인데

이런 온도가 되려면

이것도 마찬가지로 말도 안 되게 높은 온도입니다.

 

그런데 현대의 빅뱅 이론에 의하면

우주는 처음에 작은 하나의 점에서 시작됐습니다.

하지만 그 하나의 점에 물질이 10^-29cm 간격으로 붙어 있는 거리이자

우주의 온도가 10^28도가 되는 상태였다면

우주에 존재하는 모든 힘은

중력을 제외하고

모두 단 하나의 힘으로 우주가 구성이 되었다는 겁니다.

 

‘우주는 단 하나의 근본적인 무엇인가로 되어 있다.’

이것이 바로 통일장 이론입니다.

 

우주가 단 하나의 근본적인 힘으로 구성되어 있다가

어떤 이유로 이 힘들이 깨져서 현재의 우주가 된 거라면

한 가지 넘어가야만 할 벽이 존재했는데요.

바로 중력도 다른 힘들과 마찬가지로 통합을 시켜야만 했습니다.

 

하지만 중력의 문제는 나머지 3개 힘들처럼

간단하게 해결되지 못했습니다.

따라서 아인슈타인도 중력을 통합시키지 못해서

통일장 이론 정립에는 실패하게 되는데요.

 

슬슬 소름도들 준비하시고요.

그러다가 1968년 강력을 설명하는 공식을 정립하던 도중

오일러라는 수학자가 만든 함수인 오일러 베타 함수와

핵력을 설명하는 공식이 매우 비슷하다는 사실을 알게 됩니다.

 

다들 아시다시피 이게 바로 끈이론의 시초인데요.

여기서 가장 중요한 부분이 있습니다.

초끈이론이 궁금해서 찾아보신 분들은

우주가 10차원이니 11차원이니 하는 이상한 얘기들 들으셨을 텐데요.

끈이론이 중력까지 하나로 통합하기 위해서는

우리가 살고 있는 이 세상이 4차원 시공간이면 안 된다는 것이었죠.

 

특수상대성 이론이 생기기 전까지

시간과 공간은 전혀 다른 분리된 개념으로 생각했으나

특수상대성 이론으로 인해

시간과 공간이 동일한 4차원의 시공간이라는 게 설명이 됩니다.

 

그리고 중력이라는 현상을 설명하기 위해

시공간이 질량 때문에 휘어진다는 개념이 필요했으므로

휘어지는 방향으로 하나의 차원이 더 필요하게 됩니다.

 

이처럼 새로운 개념을 설명하기 위해서는

차원이 하나가 더 필요하기도 했는데요.

끈이론은 중력과 중력을 제외한 나머지 힘들의 차이를

이 차원의 차이로 설명하려고 했습니다.

 

만약 너무나도 작은 크기지만

이동할 수 있는 초미세 차원이 있다면

우리처럼 큰 물체들은

그 차원 방향으로 움직이지 못할 것입니다.

 

하지만 물질의 가장 작은 단위인 끈은

이 방향으로 움직일 수 있다면

우리 눈에 보이지 않는 초미세 차원으로

끈이 움직일 수 있다는 뜻이 됩니다.

 

그러니까 초끈이론 1편에서 설명한 것처럼

끈이론은 끈의 주파수와 진동 패턴에 따라 상태가 결정이 되고

이런 진동 패턴이

우리가 알고 있는 기본 입자들을 만든다는 건데요.

 

이 진동이 우리가 알고 있는

가로세로 높이의 3차원의 방향뿐만이 아니라

우리 눈에 보이지 않는 더 많은 방향으로

끈이 진동하는 게 가능하다는 의미입니다.

 

이런 식으로 우리가 알고 있는 차원보다

높은 고차원에서 우주의 4대 힘을 설명하려고 하는 것을

고차원 초중력 이론이라고 하는데요.

이렇게 우주를 고차원으로 가정하고 만든 방정식들이

4대 힘을 수학적으로 정리하는 데 매우 유용했기 때문에

더 많은 관심을 얻게 됩니다.

 

그리고 가장 중요한 사실은

기존의 상대성이론과 양자역학을

하나의 방정식으로 합치려고 할 때 생겼던 오류를

끈이론이 해결하게 되는데

두 방정식이 완전히 참이 되기 위해서는

초끈이론의 설명으로는

끈이 진동할 수 있는 방향이

총 9개여야 한다는 것이었죠.

 

그러니까 사실상 초끈이론이 10차원이라고 주장한 것은

10차원일 때 중력과 나머지 힘을 통합할 수 있을 뿐만이 아니라

초끈이론이 오류가 없어야 되기 때문인데요.

 

문제는 이 초미세 차원이

과학적으로 증명이 불가능하다는 것과

왜 하필 10차원인지를 설명하지 못해서

초반에 주장한 획기적인 아이디어와

기본 입자를 모두 설명하고 양대물리학 이론을 합칠 가능성을 보여줬음에도

아직까지도 불안정한 이론으로 평가받고 있다는 것은 사실입니다.

 

하지만 끈이론은 여기서 끝나지 않았는데요.

이후에도 M이론 등으로 발전하며

이 이론에 대한 이야기는

아직도 현재 진행 중인 최첨단 이론입니다.

 

 

이후에도 지금까지 미처 못한 얘기나

입자 물리학과 소립자와 관련된 콘텐츠는

계속해서 진행할 예정입니다.

 

그리고 앞으로

M이론이 나온 역사와 배경에 대해서도

설명할 기회가 있으면 설명하도록 하겠습니다.

그럼 이만.