지식보관소_ 초끈이론이 이런입자가 존재하는 이유를 설명한다고? 초끈이론 1편

 

 

당연히 과학자들은

원자핵이 무엇으로 이루어져 있는지

너무나 궁금했을 텐데

이 경우 과학자들이 사용한 방법은

사실 우리들이 여친한테 선물을 받았을 때 하는 방법과

크게 다르지 않았습니다.

 

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남자분들 만약에 여친이 선물을 줬는데

선물이 포장지 속에 꼭꼭 감춰져 있다면

어떤 생각이 드시나요?

“포장지 이쁘네, 직접 이렇게 포장한 건가?”

뭐 이런 생각하시나요?

아니잖아요.

그런 거 관심 없고 그냥 내용물이 궁금하신 거 다 알고 있습니다.

 

20세기 초반 원자는

이런 여친이 준 선물과도 같은 상태였는데요.

내용물을 알고 싶었는데

전자기력과 강한 핵력으로 꼭꼭 쌓여 있어서

도무지 그 내용물을 알 수가 없는 상태였습니다.

 

물론 전자의 경우 어떻게든 원자에서 떼어낼 수 있었지만

문제는 원자핵은 도무지 무엇으로 이루어져 있는지 알 수가 없었다는 거죠.

 

당연히 과학자들은

원자핵이 무엇으로 이루어져 있는지 너무나 궁금했을 텐데

이 경우 과학자들이 사용한 방법은

사실 우리들이 여친한테 선물을 받았을 때 하는 방법과 크게 다르지 않았습니다.

 

여친한테 선물을 받고

무식하게 포장지를 갈기갈기 찢어서

여친이 굉장히 삐진 경험이 있으실 텐데요.

 

마찬가지로 과학자들이 사용한 방법도

원자핵을 무식하게 빠르게 가속시켜서

서로 충돌시켜보는 것이었습니다.

 

이런 식으로 입자를 가속시켜서 충돌시키는 장치를

입자가속기라고 부르고

현존하는 가장 강력한 입자가속기는

스위스 CERN에 위치한 강입자충돌기 LHC입니다.

 

아무튼 이렇게 무식하게 원자핵이라는 포장지를

갈기갈기 뜯는 실험을 점점 터프하게 하다 보니

드디어 이 원자핵의 구성 성분을 알 수 있게 되었는데요.

 

원자핵은

중성자와 양성자로 이뤄져 있고

이 중성자와 양성자는

그보다 훨씬 더 작은 입자들로 이뤄져 있었던 겁니다.

과학자들은 중성자와 양성자를 구성하는 이 소립자에

쿼크라고 하는

간지나는 이름을 붙여주었습니다.

 

아무튼 현재까지는 이 쿼크들도

종류가 6개나 밝혀졌는데

왜 6개나 되는지는 초끈이론에 의해 설명되기 때문에

좀 이따가 설명하기로 하고

아무튼 이런 식으로 우주는 원자로 이루어져 있고

그 원자들은 원자핵과 전자로 구성되어 있는데

그중 원자핵은 중성자와 양성자로 되어 있고

중성자와 양성자들은 업쿼크와 다운 쿼크의 조합에 따라

중성자와 양성자로 나뉩니다.

 

이렇게 끝나면 우주의 물질은

쿼크와 전자로 이루어져 있다 라고 아주 심플하게 끝날 테지만

문제는 현실은 그렇지 않았다는 겁니다.

 

물론 안정적인 원자만 따지고 들면

이는 틀린 말이 아닙니다.

만약에 수돗물에 있는 물 H2O에서 수소, H만 떼어내서

그 수소 원자를 관찰한다면

그냥 업쿼크와 다운쿼크로 구성된

원자핵을 가진 전자가 돌고 있는 것이기 때문이죠.

 

그런데 이런 소립자들에

점점 강한 에너지를 가해서 충돌하다 보면

이런 자연적이지 않은 입자들이 나온다는 겁니다.

 

그러니까 아주 아주 쉽게 설명하면

쿼크 같은 경우는

양성자를 10의 에너지로 충돌시켜

업쿼크와 다운쿼크가 발견된다면

100의 에너지로 충돌시키자

각각 업쿼크나 다운쿼크와 성질은 비슷하지만

다른 에너지, 그러니까 다른 질량을 가진 입자들이

발견이 된다는 거였죠.

 

그런데 무슨 세트 메뉴도 아니고

무려 3세트씩이나 존재해서

현재까지 알려진 쿼크는 총 6개나 됩니다.

 

그리고 이런 세트 메뉴는 전자까지 포함이 되는데요.

전자 또한 가속기로 충돌하다 보면

3개의 세트가 존재해서

강한 에너지로 가속시켜서 충돌시키면

전자, 뮤온, 타우라는

이렇게 새로운 입자들이 발견된 것이었습니다.

 

과학자들은 혼란스러울 수밖에 없는 게

기본 입자들은 업쿼크, 다운쿼크, 전자

이 3개의 입자만 있으면 우주의 모든 물질을 구성할 수 있는데

굳이 인위적으로 엄청나게 높은 에너지에서

참쿼크, 스트렌지쿼크, 뮤온

그리고 그거보다 더 높은 에너지에서는 탑쿼크, 바텀쿼크, 타우

이렇게 무슨 RPG 게임, 2차전직 3차전직 마냥

레벨1 말고도 레벨2, 3가 있는 것처럼

에너지에 따라 동일한 입자들이

이렇게 세 세트가 있었다는 겁니다.

 

그럼 대체 어쩌다가 우주의 입자들은

3차전직까지 할 수 있게 되었을까요?

그리고 이렇게 계속 우리가 연구하다 보면

4차전직도 업데이트 될까요?

 

이게 굉장히 혼란스럽지만

결국 현재까지 정립된 표준 모형에 의하면

우주는 중성미자까지 포함해서

4개 입자 한 세트로

3차전직까지 총 12개의 입자들과

전자기력이나 강한 핵력 같은 에너지들을 매개하는 총 4개까지 해서

16개의 소립자로 구성되어 있고

이 모든 소립자의 질량을 부여해 주는 입자를

힉스 입자라고 해서

총 17개로 구성되어 있다는 게

표준 모형이고 학계의 정설입니다.

 

아무튼 다 이해한다고 쳐도

물질을 구성한 입자들이

3차전직까지 있는 이유를 설명할 수 있는 이론 따윈

이 세상에 존재하지 않았습니다.

 

그런데 이제 슬슬 소름돋을 준비하시고요.

그런데 말입니다.

입자들이 3차전직까지 있는 이유를

가장 그럴 듯하게 설명하는 이론이 등장하고 마는데요.

그 이론은 증명이 불가능한 이론임에도

수많은 물리학 난제의 모순을 해결해서

엄청나게 유명해진 이론, 바로 초끈이론입니다.

 

사실 초끈이론이 대단한 건 증명이 불가능한 이론이

이렇게까지 유명해지기가 쉽지가 않은데

그러니까 제가 만약

“아니다 이런 거 다 틀렸고

우주의 소립자는 광자보다도 훨씬 더 작은 뽀로로로 구성되어 있다.

너무 작은 뽀로로라서 관측이 안 될 뿐이지

우주는 사실 뽀로로다”

뭐 이렇게 주장한다고 해도

말이 안 되는 건 아니지만

당연히 이런 게 대세 이론이 될 수는 없을 겁니다.

 

그런데 초끈이론이 유명해질 수 있었던 이유 중 하나가 이것인데요.

예전에 제가 올렸던 초끈이론 기초 영상에서

초끈이론에 대해서 수박 겉핥기식으로 간단하게 설명해 드렸던 것처럼

초끈이론은

우주의 모든 물질이 1차원의 끈으로 이루어져 있다고 설명하는 이론입니다.

 

여기까지는 마치 제가 우주의 모든 물질은

뽀로로로 이루어져 있다라고 하는 거랑 똑같은데요.

재미난 건 초끈이론은

아까 말한 물질 3종 세트

그러니까 업쿼크, 다운쿼크, 전자 같은 것들도

모두 같은 단 하나의 물질로 이루어져 있다고 주장을 하는 겁니다.

 

아니 다 똑같은 물질로 이루어져 있는데

어떻게 다른 특성을 가질 수 있지? 라고 생각할 수 있겠지만

생각해 보면

한글도 자음과 모음으로 이루어져 있고

그 자음과 모음들도 결국 직선과 곡선으로만 이루어져 있다고 생각하면

결국 지금 이 영상의 자막뿐 아니라

이 세상에 있는 모든 책이나 이야기는

직선과 곡선으로 표현할 수 있다는 겁니다.

 

그리고 직선과 곡선이라는 것 또한

1차원의 선이 휘어지냐, 안 휘어지냐로 나타낼 수 있으므로

결국 애초에 우리가 쓰는 한글도

1차원의 선으로만 이루어진 정보 전달 체계인 것이죠.

 

끈 이론이 주장하는 부분이

바로 이런 부분인데

우주의 모든 소립자는 1차원의 끈으로 이루어져 있고

이 끈의 형태가 어떤가에 따라

쿼크가 되기도 하고, 전자가 되기도 한다라고 주장하는 겁니다.

 

마치 이 직선들의 형태가 어떠냐에 따라

‘ㄱ’ 모양이 될 수도 있고

‘ㅇ’ 모양이 될 수도 있는 것처럼 말이죠.

 

그러니까 예를 들어

이 직선이 ‘ㄱ’ 모양이 되면 전자가 되는 거고

‘ㅇ’ 모양이 되면 쿼크가 된다라고 이해하면 되는 겁니다.

이거 참 신박한 아이디어죠.

 

그런데 여기서 더 소름 돋는 내용이 나오니까

갈아입을 팬티를 준비하시고요.

여기서 더 나아가서 초끈이론은

‘질량이란 무엇인가’ 하는 질문에 대한 답을 제시합니다.

 

그러니까 아까 말한 물질 구성 3종 세트에서

2차전직인 참쿼크, 스트렌지쿼크, 뮤온

그리고 3차 전직인 탑쿼크, 바텀쿼크, 타우의 차이는

사실상 질량이었는데요.

 

끈이론의 해석에 의하면

우주를 구성하고 있는 소립자인 이 끈이

진동을 하느냐 안 하느냐에 따라

소립자의 질량이 부여된다는 겁니다.

 

그래서 광자 같은 경우 정지 질량이 없는 이유가

이렇게 끈이 진동을 하지 않는 경우라면

아까 표준 모형에서 1차전직은

이 광자가 1개의 파장으로 진동하는 경우를 말하는 겁니다.

 

여기에서 1회의 파장으로 진동한다는 건

이런 식으로 진동한다.

이때 이런 식으로 1개의 파장으로 진동하는 끈의 모양에 따라

업쿼크냐 다운쿼크냐 전자냐 중성미자냐가

결정이 된다는 겁니다.

그리고 끈의 형태가 동일했을 때

진동하는 횟수가 두 번을 진동하게 되면

참쿼크, 스트랜지쿼크, 뮤온이 되는 것이고,

세 번 진동하게 되면 탑쿼크, 바텀쿼크, 타우가 된다는 겁니다.

 

그러니까 이거 소름 돋지 않나요?

이걸 요약하면

이런 원리로 우주의 소립자들은

1차원의 끈이 4개의 형태를 가지고 있고

그 형태를 유지한 채로 몇 번 진동하느냐에 따라서

진동을 안 하는 광자에서

한 번 진동하는 전자

두 번 진동하는 뮤온

세 번 진동하는 타우

그리고 아직 발견 안 됐을 네 번 이상 진동하는 입자들

이런 식으로 된다는 얘기입니다.

 

그러니까 우주의 모든 소립자가

1차원의 끈으로 구성돼 있다는 전제 하나로

표준 모형에 있는 16개 입자가

왜 16개가 있는지 근거를 제시해 버린 겁니다.

 

이거 정말 신기하지 않나요?

더 엄청난 건 지금 한 이야기는

앞으로 제가 해드릴 초끈이론 이야기에 아주 극히 일부라는 겁니다.

 

왜 그럼 이 4가지 형태의 끈의 모양으로 진동하는지

그리고 어떻게 진동하는지는

우주에 존재하는 차원에 대한 이야기가 되는데

이거는 다음 편에 이어서 하겠습니다.