지식보관소_ 상대성이론과 양자역학이 충돌한 이유. 초끈이론 2편

 

 

이렇게 끈이론은

이전 편에서 설명했던 기존 입자들을

끈의 진동으로 설명했을 뿐만 아니라

상대성이론과 양자역학을 통일할 수 있는 가능성을 보여주면서

유명해지기 시작하는데요.

 

 

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이전 편에서 설명한 것처럼 끈이론은

이 세상 만물이

아주 작은 진동하는 1차원의 끈으로 이루어져 있다고 이야기합니다.

 

그런데 왜 하필 끈일까요?

끈이론이 탄생한 배경은

상대성이론과 양자역학을 하나로 합치는 과정에서 시작되었습니다.

 

그런데 문제는 실생활에서 상대성이론은 오류 없이 동작했고,

양자역학은 원자 단위의 작은 단위에서 일어나는

물리적 현상을 정확히 설명했지만

문제는 이 두 이론을 하나로 합치려고 하면

모순이 발생한다는 것이었습니다.

 

정확히는 초미세 영역에서

상대성이론에 중력방정식을 적용시키는 게 불가능했던 것인데요.

이렇게 되면

‘에이, 그럼 둘 중 하나는 틀린 이론이네’ 하고 결론을 내면 간단하겠지만

초끈이론이 말하는 결론은

두 이론 모두 다 옳다는 것이었습니다.

 

어떻게 그게 가능할까요?

이건 마치 a와 b한테 철수 집이 어디냐고 물어봤더니

a는 동쪽으로 가라고 하고

b는 서쪽으로 가라고 한 거랑 비슷한 상황인 것인데요.

 

그런데 끈이론은 둘 다 맞다고 주장을 한 것입니다.

일반상대성 이론에 의하면

질량이 있는 물체는 시공간을 휘어지게 만듭니다.

그런데 양자역학에 의하면

매우 작은 시공간에서는 양자요동이 일어납니다.

 

바로 이 양자요동이 문제아였습니다.

미시세계에서 일어나는 이 양자요동으로 인해

상대성이론의 방정식으로는

미시세계의 시공간이 매끄럽게 휘어지지 않았던 것입니다.

 

아무튼 이렇게 매끄럽게 휘어지지 않는 시공간을 매끄럽게 만드는 방법은 뭘까?

생각을 하다가

과학자들은 이 시공간을 매끄럽게 만드는 방법을 생각하게 됩니다.

바로 물질의 최소 크기가

이 양자요동이 일어나는 크기보다 크다면

양자요동은 무시할 수 있다는 것이었는데요.

 

이 말은 우리가 사용하는 컴퓨터 프로그램을 살펴보면 알 수가 있습니다.

아시다시피 컴퓨터 파일의 사진은

작은 하나의 픽셀들로 이뤄져 있습니다.

 

만약 여행 가서 찍은 사진을 확대하고 확대하고 또 확대하면

결국 무수히 작은 네모난 점들이 모여서

우리가 찍은 하나의 사진을 이룬다는 걸 알 수 있습니다.

 

그런데 만약 이 작은 픽셀 안에서

빨간색과 파란색으로 된 픽셀들이 양자요동을 이룬다면 어떻게 될까요?

당연히 컴퓨터는 하나의 픽셀보다 작은 픽셀은 존재하지 않기 때문에

이 픽셀은 빨간색과 파란색이 혼합된

보라색의 픽셀로 표현이 될 겁니다.

 

다시 양자역학과 상대성 이야기로 돌아와 보면

시공간이 매끄럽게 휘어지지 않아서 모순이 생기는 이유는

우주의 모든 물질은 크기가 무한히 작은

하나의 점으로 이루어져 있다고 생각한 부분이었습니다.

 

이제 슬슬 소름 돋는 이야기를 하자면

하지만 끈이론은 물질의 크기를 부여한 것입니다.

우리가 물질을 관측한다는 건

무언가를 물질에 부딪혀서 다시 되돌아오는 것으로 관측을 합니다.

 

하지만 세상에서 가장 작은 것이 끈이기 때문에

끈보다 작은 물질은

우주의 모든 방법을 사용해도 관측이 될 수 없고

관측이 물리적으로 불가능하다는 것은

존재하지 않는다는 것과 같은 의미가 됩니다.

 

그러니까 컴퓨터에 JPG 파일에 1개 픽셀의 크기가 존재하는 것처럼

물질도 최소한 끈의 길이만큼의 크기가 존재하는 것이고

이 끈의 길이보다 짧은 크기는 존재하지 않는다는 것이었죠.

이 길이를 바로 플랑크길이라고 부릅니다.

 

그러자 상대성이론과 양자역학의 문제가 해결이 됩니다.

플랑크길이에서 일어나는 양자요동은

플랑크길이 내에서 평균값으로만 나타내면 되는 것이었기 때문이죠.

 

무슨 얘기냐면 더 쉽게 얘기하자면

100이라는 크기가 플랑크 크기라고 했을 때

이 안에서 1이라는 크기 안에서 발생하는 양자요동 때문에

시공간이 너무 크게 요동쳤다면

이제는 100이라는 크기가 우주의 1픽셀이라는 것을 알았으니

100이라는 공간 안에서 생기는 시공간의 변화를 평균으로 만들면

방정식의 수학적 문제가 해결되었던 겁니다.

 

그러니까 한마디로 우리가 살고 있는 이 우주라는 공간이

무한히 확대하면

더 작은 공간이 존재하는 아날로그적인 공간이 아니라

일정 크기 이하는 존재하지 않는

플랑크길이를 1개의 픽셀로 구성하고 있는 공간이라는 의미인데요.

 

끈이론 이전까지는 우주를 만들었던 빅뱅은

무한히 작은 하나의 점으로 시작했다고 생각했지만

끈이론 덕분에 빅뱅의 최소 크기는

플랑크길이라는 사실을 알 수가 있게 된 것입니다.

 

한마디로 우주를 최대한 작게 수축시켜도

플랑크길이 이하로는 수축시키는 게 불가능하다는 것이죠.

 

이렇게 끈이론은

이전 편에서 설명했던 기존 입자들을

끈의 진동으로 설명했을 뿐만 아니라

상대성이론과 양자역학을 통일할 수 있는 가능성을 보여주면서

유명해지기 시작하는데요.

 

그런데 끈이론이 더 놀라운 것은

끈이론은 왜 우주가 플랑크길이 이하로 수축이 불가능한지에 대한

문제에 대한 해답을 제시했다는 겁니다.

 

이건 다음 편에서 이어가서 하겠습니다.

그럼 이만.