[Science Cookie] 초끈이론 간단 설명! [Feat. 지식인미나니]

 

 

 

 

우리가 사는 세상에는 보이진 않지만

서로가 서로에게 작용하는 4가지의 힘이 존재합니다.

 

질량을 가진 물체가 서로를 끌어당기는 힘인 중력

전하의 상태에 따라 서로 끌어당기거나 반발하는 힘인 전기력과

자성에 의해 발생하는 힘인 자기력이 합쳐진 전자기력

중성자가 양성자로 붕괴되면서 개입하는 힘인 약한 상호작용력과

페르미 길이라고 불리는 10⁻¹⁵m의 아주 작은 공간에서 발생하는 강력이

바로 그것들이죠.

 

이러한 4가지의 힘은 조건과 상황에 따라 우리가 알고있는 힘들인

마찰력, 수직항력, 양력, 부력 등

여러 형태를 만들어줍니다.

 

다시 말해 이 4가지 힘들은

세상에 존재하는 모든 물질들의 상호작용을

이해하는데 쓰인다는 의미이기도 하죠.

 

여기에서 좀 더 이 힘들을 연구하는 학문에 대해서 살펴본다면

전자기력은 현재 특수상대성이론과 양자장론에 의해

양자전기역학이라는 학문으로 연구가 진행되었습니다.

 

강하고 약한 상호작용력, 이 2가지의 힘은

양자색역학이라는 학문으로 그 비밀이 어느정도 해결이 되었죠.

 

이 큰 2가지 이론을 총체적으로 설명하는 모형이 바로

'Standard Model', 즉 '표준 모형'이라고 불리는 모형입니다.

 

그리고, 마지막으로 중력을 설명하는 아인슈타인의 역작

일반상대성이론이 있습니다.

 

이러한 힘의 근본에 관한 연구와 그 힘들을 하나로 묶으려는 시도는

세상을 설명하기 위한 단 하나의 방정식을 찾고자 하는

물리학자들의 영원한 염원이 담긴 시도인데요.

 

이러한 이론을 우리는 'TOE', Theory of Everything

모든 것을 설명하는 이론이라고 칭합니다.

 

이러한 염원 속에서 탄생한 이론이

이제는 문화와 예술 속에서도 자주 등장하는 단어

Superstring theory, 초끈이론이라고 불리는 이론이죠.

 

이 이론은 세상을 9차원의 공간과 1차원의 시간이 결합된

즉, 10차원의 시공간으로 설명하며

끈의 끝부분이 처음 부분과 맞닿아 있는 닫힌 끈과

끈의 처음 부분과 끝부분이 어떠한 면에 붙어 진동하는 형태인 열린 끈이

모든 입자들의 근원 상태라고 서술합니다.

 

이 도무지 무슨 말인지 알 수 없는 이야기를 쉽게 설명하자면

끈이 자신의 특정한 상태에서 만들어 낼 수 있는 여러 진동의 형태로

진동하면서 나타나는 형태가

우리가 살고 있는 세상에서 입자로 표현된다는 뜻입니다.

 

이러한 진동의 형태는 항상 정해져 있다고 보고 있고

우리는 그러한 특정한 진동들을 분류할 수 있는데

이렇게 분류된 진동들을 특정한 진동을 가지는 모드라고 해서, '진동모드'라고 부릅니다.

 

자동차 기어에서 P,R,N,D 모드로

기어를 조절했을 때 차가 특정한 상태로 바뀌는 것처럼

진동이 일정한 진동 모드로 스위칭되면서

새로운 입자의 형태로 표현된다는 뜻입니다.

 

이러한 두 종류의 끈이 만들어 내는 상태는

그 이론에 쓰인 수학에 따라서 5가지의 상태로 분류되는데

그것마저도 1차원을 추가해서 남은 차원을 1차원 안에 넣은

M-theory라고 하는 이론이

지금 우리가 알고있는 11차원의 초끈이론입니다..

 

이쯤되면 슬슬 머리가 아플 여러분을 위해서

대체 왜 초끈이론이 왜 이 세상에 등장했는지 같이 알아보도록 할게요.

 

앞서 설명드린 TOE 있죠?

모든 것을 설명하는 이론!

현재까지 물리학은 전자기력과 강,약력을 통합하는 표준모형을 제시했습니다.

그러니 이 표준모형이 설명할 수 없는 단 하나의 힘

중력을 포괄할 수 없다는 치명적인 한계를 가지고 있죠.

 

그러나, 이 초끈이론을 통해 표준모형의 근간인 양자역학의 방법을

중력에 적용하여

중력까지 양자화시킬 수 있게 됩니다.

다시 말해, 표준모형과 일반상대성이론을 통합시킬 수 있게 되는 것이죠.

 

이렇게 되면, 세상에 존재하는 모든 근원적인 힘들이

단 하나의 모형으로 설명이 가능해지는 놀라운 일이 일어나게 됩니다.

즉, 인간이 '신의 영역'으로 발을 들이는

최초의 한걸음이 된다는 의미이지요.

 

이 궁극적인 염원으로서의 희망이

바로 이 초끈이론의 존재 이유입니다.

정리하자면 표준모형에 일반상대성이론을 통합시키기 위한 연결다리인 것이죠.

 

그러나 이 초끈이론은 치명적인 단점을 가지고 있기 때문에

물리학계 내에서 지금 상당히 논란의 여지가 많습니다.

 

이 단점을 소개해 드리기 이전에

먼저 물리학계가 추구하는 이상적인 이론의 형태가

어떤 것인지 간략하게 소개해 드리도록 할게요.

 

물리학은 체계 안에서의 참과 거짓, 논리적 증명을 따지는 수학과는 달리

어느 특정한 현상을 설명하거나 예측해야만 한다는 특성을 반드시 가져야만 합니다.

또한 이론물리학적으로 발견된

다시말해 수학적인 방법으로 발견된 이론일지라도

그 이론을 증명할 수 있는 실험적인 근거가 있어야

이론으로서 가치를 가지게 되죠.

 

아인슈타인의 일반상대성이론이

에딩턴의 일식 관찰을 통해 입증된 것처럼 말이에요.

...

 

/만약에

두 사진 사이에 "간격"이 있으면

우리 태양느님의 중력장이 별들의 위치를 바꿨다는 거고,

그러면,

새로운 중력이론이 맞다는 거 동의할 거지?

"간격" 있음 ㅇㅇ./

 

이러한 물리학의 특징에서 미루어 볼 때

초끈이론은 심각한 단점 3가지를 끌어안고 있는데

 

그 첫째는, 초끈이론은 방정식이 존재하지 않기 때문에

아무것도 계산하지 못하고,

 

다음으로, 역시나 방정식의 부재 때문에

아무것도 예측하지 못하며

 

마지막으로, 어떠한 실험적 증거도 없으며

그것을 구현할 수 있을 만한 능력을

앞으로도 영원히 보유하는 것이 불가능하다는 것입니다.

 

 

초끈이론을 실험적으로 구현하기 위해서는

현재 유럽입자물리학연구소가 보유한

원형 가속기보다도 연구소가 보유한 원형 가속기보다도

훨씬 더 큰 크기를 필요로 하게 되는데

그 크기는 대략 태양계 전체를 감쌀 정도의 크기로 추정하며

그 기계에 투입되는 에너지의 양은 LHC를 가동하는 데 들어가는 에너지의 양에

무려 10의19승배 정도로 추산됩니다.

다시 말해 영원히 불가능하다는 뜻이죠.

 

초끈이론은 과연 이론 물리학인가?, 아니면 실험수학인가?

이러한 논란이 지속되면서

물리학계가 굉장히 냉담한 시선을 내리꽂는 도중에

최근에 LHC가 다시 가동되면서

그 실험의 결과 때문에 초끈이론을 포함하여 초대칭이론 전체의

어떤 심한 균열이 생기게 되어버렸어요.

그래서 이 학문의 어떤 페러다임이

지금 싸그리 무너질 위기에 처해있어요.

 

이러한 특징 때문인지 일각에서는 이러한 초끈이론을

유사과학으로 취급하는 그런 과학자 부류도 있습니다.

 

하지만 모든 과학이 그랬듯 가능성을 찾아서

진보하려고 하는 그 노력 자체를 비난할 수는 없겠죠?

 

또한 초끈이론은 연구 과정에서

그 초끈이론에 쓰였던 수학적 도구의 연구와 같이 진행이 되었기 때문에

수학의 발전에도 지대한 영향을 미쳤어요.

이 또한 초끈이론의 실질적 의의들 중에 하나로 꼽을 수 있겠네요.

 

여러분의 생각은 어떠신가요?

세상의 모든 힘을 통합할 수 있을 만한 실마리를 제공한

이 초끈이론을 계속 연구 해야 할까요?

아니면 아무것도 설명할 수 없는 이 이론에 대한

시선을 다른 방향으로 돌려야 될까요?

과연 앞으로 과학계는 어떤 진로를 선택하게 될까요?

그리고 정말로 머지않아 인류는 모든 것을 설명할 수 있는

TOE를 만들어 낼 수 있을까요?

그 이론의 발견에 여러분의 이름이 새겨질 수도 있지 않을까요?

 

과학 쿠키 였습니다!

감사합니다.