지식보관소_ M 이론이 생기게 된 과정

 

 

혹시 여러분들은

내가 전혀 알지 못하는 내용을 들을 때

‘이거 좀 그럴 듯한데’라고 느끼는 건 언제인가요?

 

만약 뉴턴이 만유인력을 설명할 때

‘사과가 나무에서 떨어지니까

모든 물질은 서로 끌어당기는 성질이 있다’라고만 얘기했으면

설득력을 가지지 못했을 겁니다.

 

하지만 뉴턴은 사과가 나무에서 떨어지는 현상을 보고

-달이 지구를 돌고 있는 이유와

-지구가 태양을 돌고 있는 이유를 설명해 냈죠.

 

사과처럼 작은 물질에서 일어난 현상과

태양처럼 큰 천체에서 일어나는 현상이

모두 동일한 법칙에 의해서 생긴다.

이런 것을 물리학적으로는 [물리학적 대칭성]이라는 것입니다.

 

과학의 발전의 역사는

우리가 살고 있는 우주라고 하는 시스템이

얼마나 대칭성이 있느냐를 계속해서 증명해 온 과정입니다.

 

예를 들어

뉴턴 이전에는 땅과 하늘은 전혀 분리된 개념이었습니다.

땅과 하늘 사이에 아무런 대칭성이 없어서

땅에서 일어나는 현상과 하늘에서 일어나는 현상은

다른 규칙에 따라서 일어난다고 생각했습니다.

하지만 뉴턴에 의해서

사과가 땅으로 떨어지는 거나 지구가 태양을 돌고 있는 거나

똑같은 법칙으로 통합이 되었죠.

 

전에 초끈이론 편에서도 이야기한 것이지만

결국 자석이 끌어당기는 자기력이라는 힘과

전기를 만들어 내는 힘도

모두 같은 원자 안에 있는 전자 안에서 나온다는 것을 알아냈고

결국 아인슈타인과 하이젠베르크 같은 천재들에 의해서

상대성이론과 양자역학이라는

우리가 살고 있는 우주의 시스템을 동작시키기 위한

절대법칙 두 가지를 알아내는 데 이르게 됩니다.

 

이런 식으로 모든 과학적 현상이

우주 어느 곳에서나 같은 규칙으로 동작하려는 특성을 지닙니다.

예를 들어서

지구에서 치킨을 튀길 때

기름의 온도를 섭씨 175도로 맞춰서 8분간 튀겼을 때

그 치킨이 가장 맛이 있다면

저 우주 안드로메다에 있는 어떤 행성으로 날아가도

거기에서도 1기압에 완전히 동일한 물리 조건을 만들면

똑같은 치킨 맛이 나게 될 것입니다.

공간이 변한다고 해도

물리적인 현상이 바뀌지 않는 [공간적 대칭성]입니다.

 

이런 식으로 우주는 공간의 대칭성 같은

좌우대칭의 개념을 넘어서

우리가 생각지도 못하는 수준의 대칭성을 가지려는 속성을 지닙니다.

 

그런데 문제는 상대성이론과 양자역학이

서로 다른 방식으로 우주를 설명했기 때문에

이 두 이론을 합치지 않는 이상

완벽한 대칭성을 가지지 못했죠.

이것이 과학자들 입장에서는

굉장히 불편한 상황이었던 것입니다.

 

그래서 아인슈타인도 생전에

우주를 단 하나의 절대 법칙으로 설명하려는

[통일장이론]을 만들려고 했으나

살아생전에 완성하지 못하였죠.

 

그리고 이런 대칭성의 개념에서 등장한 것이

바로 [끈이론]입니다.

끈이론은 기존에 존재하는 함수 하나가

양자역학 이후 수십 년간의 노력 끝에 만들어진

강한 핵력을 설명하는 공식과

매우 유사하다는 신기한 현상으로 발견이 되었습니다.

 

그리고 이런 끈이론에 대한 이야기는

제 채널 초끈이론 기초편과

초끈이론 1편에서 5편까지 내용을 참고해 주시기 바라고요.

 

이제부터는 초끈이론 영상을 모두 다 보고 오셨다는 가정하에

이야기를 시작할 건데요.

 

문제는 초끈이론은 이렇게 대칭성을 가지면서

상대성이론과 양자역학을 통합할 수가 있었고

수학적으로는 모순이 없을 수 있는

모든 수학적인 공식을 포함합니다.

 

엄밀히 말해서 초끈이론은

사실상 100% 수학으로 이루어져 있고

실제로 초끈이론에서 많은 발전을 기여하신 분들의 상당수가

저명한 수학 교수님들이 많았습니다.

 

이런 이유 때문에 초끈이론을 설명하는 건 쉽지 않고

이런 건 불가능하고, 이런 건 가능하고

뭐 이런 식으로 내용이 전개가 되는데

수학 공식들을 보고 이해하지 않는 이상

왜 이거는 되고 저거는 안 되는지

이해하는 것 자체가 사실 불가능합니다.

 

뭐 이런 건 안 된다, 뭐 이렇게 이 이론에서 얘기하는 이유가

수학 공식으로 계산을 해보면 해가 없거나

해가 무한대로 나오거나

뭐 이런 식의 문제가 되는 것인데요.

 

그런데 슬슬 소름 돋는 얘기를 하자면

어쨌든 이런 특성 때문에

초끈이론의 발전 과정에서

당연히 무수하게 많은 초끈이론이 나오게 되는데

여러 개의 이론의 타입 중 일부는

수학적으로 오류가 발견이 되면서 정리되게 됩니다.

 

하지만 이게 모두 다 깔끔하게 정리가 돼서

딱 한 개의 이론만 남게 됐으면

굉장히 깔끔했을 텐데

문제는 끈 이론이 5개나 된다는 것이었죠.

 

이게 참으로 불편한 상황인 것인데요.

여기서 5개 중에 4개가 잘못되었다는 것으로 결론 나는 해피엔딩이면 좋았겠지만

아무튼 이 5개의 끈이론 때문에

끈이론의 한계가 드러나게 된 것이죠.

 

단 하나의 통일된 이론을 만들기는커녕

5개의 더 난잡한 이론이 되면서

끈이론은 폐기가 되어야 할

망한 이론으로 간주가 되기 시작합니다.

 

하지만 이후의 상황은

단순히 끈이론이 사라지거나

5개의 끈이론 중 4개가 정리되는 상황으로 간 것이 아니라

5개의 끈이론 모두가

하나의 동일한 이론이다 라는 결론으로 간 것인데요.

 

아니 5개의 이론이 단 하나의 이론이라니

이게 또 무슨 소리인가 싶으실 텐데요.

이게 무슨 소리냐면

10차원으로 가정했던 끈이론은

좀 더 높은 11차원에서 서술했을 때

11차원 초중력 이론과 5개의 끈이론은

모두 하나의 이론으로 통합될 수 있었던 것입니다.

 

그리고 10차원에서 끈이론이 5개가 나왔던 것은

11차원보다 1차원 낮은 차원에서 바라봤기 때문에 생긴 단면이었는데요.

예를 들어서

요리를 할 때, 3차원의 물체인 마늘을

어떻게 자르느냐에 따라서

마늘이 잘려 나간 2차원 단면의 모양이 제각각인 것처럼

초끈이론은 11차원에서 바라봐야 할 문제를

10차원에서 바라보면서 생기게 된

오류였다는 것을 알아낸 것입니다.

 

1995년 개최된 초끈이론 학회에서

위트는 완전히 폐기될 뻔한 끈이론을

11차원으로 이론을 설명하게 되면서

다시 이 이론을 부활시켰고

여기서 1차원의 끈이 2차원의 막

즉 membrane이 될 수 있다고 설명하게 되면서

membrane의 앞글자를 따와서 M-이론이라는 명칭이 붙게 됩니다.

 

아무튼 모든 물체를 이루는 기본 입자가 1차원으로 되어 있고

시공간은 10차원으로 되어 있다고 설명했다가

이제는 2차원 membrane으로 물체가 이루어져 있고

11차원 시공간으로 우주가 구성되어 있다고 주장하는 M-이론.

 

수학을 빼놓고 끈이론과 M-이론을 듣게 되면

대체 저렇게 왜 아무렇게나 막 갖다 붙인 것 같은 이론이

왜 대단한 이론으로 평가되는 거지?

라고 하면서 의아해하실 수도 있는데요.

 

그렇다고 필즈상을 수상한 수학자들조차

끈이론의 수학은 너무 어렵다고 혀를 내두른 만큼

우리가 끈이론을 수학적으로 이해할 수는 없겠지만

끈이론을 연구하는 학자들은

끈이론에 있는 대칭성과 수학이 너무나도 아름다워서

이것을 도저히 틀린 이론이라고 말할 수 없다라고 표현을 하는데요.

 

아무런 과학적인 증거를 제시할 수 없어서

운명의 기로에 놓인 M이론은 결국 어떻게 될지 매우 궁금하네요.

그럼 이만.