중력의 비밀을 찾아 떠나는 여정...

중력 우주를 지배하는 힘 - 아인슈타인의 상대성이론부터 초끈이론까지 ㅣ 자연과학총서 2
오구리 히로시 지음, 박용태 옮김 / 지양사 / 2013년 10월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

아빠가 과학에도 관심이 조금 있단다. 그 중에서도 상대성 이론과 양자역학에 대해서는 잘 알고 싶어. 그래서 상대성 이론과 양자역학에 대한 책이 있으면 관심이 가게 되더구나. 몇몇 책을 읽으면서 상대성 이론은 좀 이해를 한 것 같기도 한데, 양자역학은 여전히 이해가 안 가더구나. 그래서 여전히 그런 책들을 만나면 또 집어 들게 된단다. 이번에 읽은 책도 평이 좋아서 알게 된 책이란다.

중력. 우주를 지배하는 힘. 이 책을 쓴 사람은 오구리 히로시라는 일본의 과학자란다. 자신을 중력을 연구하는 사람이라고 소개했단다. 일반 상대성 이론이 발표된 지 100년. 그 동안 많은 과학자들이 중력 연구를 했다고 하는구나. 그 연구 중에 가장 많은 연구가 바로 중력파에 대한 연구야. 아인슈타인은 중력도 다른 힘과 마찬가지로 그 힘을 전달하는 파동인 중력파라는 것이 있다고 예언을 했어. 그 중력파가 발견이 되면 우주를 더 많이 관측을 할 수 있고, 빅뱅 때 생긴 중력파를 관측하게 되면 우주 태생의 모습도 볼 수 있다고 했어.

이 책이 출간된 것이 2013년인데 그때는 중력파가 발견되지 않은 시점이라서, 이 책에서는 중력파가 발견되지 않았다고 이야기하고 있단다. 하지만 그 이후에 2016년 중력파가 발견되었다고 대서특필했던 것이 기억나는구나. 그리고 또 하나의 연구가 중력을 일으키는 에너지는 무엇인가라는 연구야. 그 힘을 내는 물질이 암흑물질이고, 그 물질이 갖는 에너지가 암흑에너지라고 생각했어. 그래서 그 암흑에너지를 측정하는 프로젝트가 이루어지고 있어.

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중력에는 7대 불가사의라는 것이 있대.. 사실 아빠도 처음 알았어.. 중력에 7대 불가사의가 있다는 것… 대단한 것인 줄 알았는데, 중력에 대한 상식적인 내용들이 대부분이구나. 중력이라는 것이 해나 달처럼 그냥 일상적인 것이라고 생각해서 그렇지, 곰곰이 생각해보면 신비한 것이라는 의미인 것 같아.

그 일곱 가지 불가사의는 다음과 같단다. 첫째 중력은 힘이다. 둘째 중력은 약하다. 뉴턴이 만유인력을 발견했지만 그것을 증명하지 못했어. 그 이유가 중력이 너무 약해서 증명을 할 수가 없었대. 뉴턴의 만유인력 발견 이후 100년 뒤 캐번디시라는 사람이 비틀림 천칭으로 증명을 했다는구나. 셋째 중력은 떨어져 있어도 작용한다. 그래, 이것도 곰곰이 생각해 보면 신비하구나. 멀리 떨어져 있어도 힘이 작용하니 말이야. 넷째 중력은 모든 물체에 똑같이 작용한다. 다섯째 중력은 환상이다. 여섯째 중력은 딱 적당하다. 중력이 지금보다 조금이라도 크거나 작으면 우주도 없었다고 하는구나. 일곱째 중력이론은 완성되지 않았다. 완성이 되려면 암흑물질과 암흑에너지의 정체가 밝혀져야겠지.

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1.

빛이야말로 우리가 늘 보고 있어서 흔하디 흔한 것이라고 생각하지만, 그 실체를 알면 알수록 신비한 것 같구나. 옛날에 맥스웰이라는 과학자가 위대한 발견을 했단다. 빛은 전자기파의 일종이라는 것과 빛의 속도는 일정하다는 일명 광속 불변의 법칙을 발견했어. 광속 불변의 법칙을 쉽게 설명해 볼게. 속도에는 상대 속대란 것이 있단다. 아빠가 50km/h 속도로 가고 있고 같은 방향으로 어떤 차가 100km/h로 가고 있을 때 아빠가 그 차를 보면 50km/h로 보이게 되는 거야. 그런 것이 바로 상대 속도란다.하지만 빛의 속도는 그런 법칙이 통하지 않는다는 것이 광속 불변의 법칙이야. 무슨 소린고 하니… 빛의 속도로 날아가는 비행기가 있다고 했을 때 그 비행기에서 봐도 빛의 속도는 정지하고 봤을 때의 빛의 속도와 같다는 거야. 이것을 맥스웰이 발견했고, 마이클슨과 몰슨이라는 두 사람이 실험으로 밝혀냈대.

이런 빛의 속도가 일정하다는 사실을 바탕으로 아인슈타인은 특수상대성이론을 내놓게 된단다. 등속운동을 하는 물체의 경우 시간이 변하고 길이가 변한다는 내용이란다. 시간이라는 것은 누구에게나 똑 같은 속도로 째깍째깍 간다고 생각했는데. 그것이 아니라는 것이야.. 빠르게 움직이고 있는 물체는 시간이 느리게 간다는 것이 특수상대성이론의 핵심이란다. 이것은 많은 자연 현상에 의해서 사실로 밝혀졌단다. 특수상대성 이론은 아빠가 예전이 읽은 책들을 통해서 여러 번 이야기했으니까. 오늘은 이렇게 간단하게 이야기하는 것으로 할게.

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특수상대성이론을 발표한 지 11년 뒤에 일반상대성이론을 발표하게 돼. 이것은 질량이 공간을 왜곡시켜 시간을 늘리거나 줄인다는 이야기야. 일반상대성이론까지 공간이라는 것은 균일한 것이라고 생각했어. 하지만, 일반상대성이론을 통해 질량이 공간을 왜곡시킨다고 것을 주장했단다. 중력은 수직방향으로 물체를 잡아 늘리고 수평방향으로 억누르는 성질이 있는데 그로 인해 지구의 바다에서는 달의 중력에 의해 밀물과 썰물이 생기는 것이라고 하는구나. 그런데 뉴턴이 일반상대성이론을 내놓기는 했는데, 한동안 그것을 증명하지 못했어. 그런데 다른 어떤 수학자가 그걸 증명할 수 있다고 이야기를 했대. 아인슈타인은 자신의 업적이 다른 사람에 의해 증명되는 것을 막기 위해 엄청나게 수학을 공부하고 우여곡절 끝에 증명에 성공했다는구나. 그러면서 물리학을 위해서는 수학도 잘해야 된다는 것을 새삼 알게 되었다는구나. 그 전까지 아인슈타인이 수학을 등한시했었대..

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이유는 모르겠지만, 뉴턴 이론에 의하면 천왕성 다음에 행성이 있어야 하고, 태양과 수성 안에 또 하나의 행성이 있어야 한다고 했어. 아무튼 뉴턴 이론으로 행성의 움직임을 설명하려면 그래야 했대. 다행히 천왕성 바깥에 해왕성이 발견되었어. 하지만 수성 안쪽에서는 발견이 안되었지. 그런데 아인슈타인의 일반상대성이론 방정식에 의하면 수성 안쪽에 또 다른 행성이 없어도 수성의 움직임을 설명할 수 있었대. 또 하나의 비밀이 풀리게 된 거야.

일반상대성이론을 한마디로 이야기하면 중력렌즈효과라고 이야기할 수 있는데 이것은 앞서도 이야기했지만 빛이 중력에 의해 휘어진다는 거야. 당시 사람들은 말도 안 된다고 했을 거야. 빛은 언제나 직진한다고 생각했거든. 아인슈타인의 말은 몇 년 뒤 영국의 에딩턴이라는 사람이 관측하여 실제로 검증을 했단다. 그리고 그런 중력을 이동시키는 중력파가 있을 거라고 아인슈타인은 예언을 한 것이지. 앞서도 이야기했지만 이 책이 출간될 당시에는 발견되지 않았고, 일반상대성이론을 발표한 지 100년 되던 2016년에 드디어 중력파가 발견된 것이란다. 중력파에 대해서 좀더 이야기해주고 싶지만, 아빠도 중력을 전달하는 매개체 정보로만 알고 있어. 잘 몰라. 그래서 중력파에 관한 책을 한 권 읽어봐야겠다고 검색해서 한 권을 사 두었단다. 조만 간에 그 책을 읽고 이야기를 해줄게.. (아빠가 그 책을 잘 이해할 수 있을까 걱정이 되긴 하지만…)

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아인슈타인의 특수상대성 이론과 일반상대성 이론은 기존의 과학을 뒤엎은 것이야. 누가 시간이 느려진다고, 빛이 휜다고 생각이나 했겠니.. 실제로 그럼 그런 현상을 우리가 느낄 수 있을까? 가장 대표적인 것이 GPS의 시간 느려짐 현상이라고 하는구나. 그것을 설명한 부분을 그대로 발췌해 보았어.

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(117-8)

특수상대성이론에 의하면 인공위성은 움직이기 때문에 지상에서 보면 시간이 천천히 흐르는 것처럼 보인다. 광속에 비하면 인공위성의 비행 속도가 느리기 때문에 얼마 안 되는 차이지만, 인공위성에 탑재된 시계는 지상의 시계보다 매일 7마이크로씩 늦어진다.

일반상대성이론에 따르면 중력이 강해질수록 시간이 천천히 흐르게 된다. ‘원주율=3.14……가 성립하지 않는 세계’인 우주정거장에서는 우주정거장이 빠르게 회전할수록, 즉 그 안의 인공중력이 강해질수록 시간이 더욱 천천히 흐른다. 때문에 지구의 지표에서 보면 지구의 중력이 약한 인공위성에 탑재된 시계는 더 빠르게 보인다. 그래서 하루에 46마이크로초씩 빨라진다. 여기에 특수상대성이론 효과에 의해 생겨난 인공위성 시간의 늦어짐(7마이크로초)을 빼면 하루 39마이크로초 만큼 인공위성의 시계는 빨라진다.

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2.

아인슈타인의 방정식에 따르면 이런 것을 생각해 볼 수 있어. 행성이 아주 무거워서, 즉 중력이 아주 크게 되면… 어떤 물체가 그 행성의 중력을 빠져 나오는데 필요한 속도, 즉 탈출속도도 엄청 빨라야 하는 거야. 그런데 초고밀도 행성이 있다면 빛의 속도로도 그 중력을 빠져 나오지 못하는 경우가 있다는 거지. 아인슈타인의 이런 추측은 후에 블랙홀이 발견되면서 사실로 밝혀졌단다. 실제로 초대형 블랙홀인 퀘이사도 발견이 되었다. 빛보다 빠른 중력장의 영역…. 그래서 빛도 빠져 나오지 못하는 영역.. 그 영역을 가르는 곳을 사건의 지평선이라고 한다는구나. 그런데 거대한 블랙홀인 퀘이사의 경우 오히려 밝게 빛이 난다고 하는데 그것은 블랙홀의 빛이 아니라, 블랙홀로 빨려 들어가는 가스들이 마찰력에 의한 것이라고 하는구나.

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(127)

그 후 계속된 연구로 퀘이사가 은하의 중심에 있는 초거대 블랙홀이라는 것이 알려졌다. 빛을 집어삼키는 블랙홀이 밝게 빛난다는 것은 이상한 일이지만, 그건 블랙홀 자체의 빛이 아니다. 블랙홀이 강혼 중력으로 주위의 가스를 빨아들이면 그 가스들이 맹렬한 기세로 블랙홀의 주변을 빙글빙글 돌게 된다. 그 가스가 마찰열에 의해 강하게 빛을 방출하는 것이다. 블랙홀에 삼켜지기 전에 지르는 비명 같은 것이라고 말할 수 있다.

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허블이라는 사람이 우주가 계속 팽창한다고 것을 발견했어. 우주불변성을 믿었던 아인슈타인은 이것은 믿지 않았다고 하더구나. 사실 자신의 방정식도 우주불변성을 만족하지 못해서 우주불변성을 만족시키기 위해서 자신의 방정식이 임의로 ‘우주항’까지 넣었대. 결국 나중에 자신도 직접 보게 되고 그 믿음을 접었다고 하는구나. 그런데 그 우주 팽창이라는 것이 점점 가속되고 있다고 했어. 점점 가속되고 있다는 것은 어떤 힘이 가해지고 있다는 거야.. 도대체 어떤 힘과 에너지에 의해 점점 가속이 될 수 있단 말인가? 그것을 설명하기 위한 것도 앞서 이야기했던 암흑물질과 암흑에너지란다. 아직 암흑물질의 정체는 밝혀지지 않은 것으로 알고 있어. 우주가 점점 가속이 된다고 하면 우주 어딘가는 빛의 속도보다 빠르게 팽창하고 있는 곳이 있을 거야. 그러면 거기는 관측이 어렵겠지… 그런 곳을 과학자들은 우주의 지평선이라고 이야기했단다.

3.

자, 이제 양자역학…. 이 책에서는 매크로 세계와 마이크로 세계라는 용어를 사용하고 있구나. 어떤 책에서는 거시 세계와 미시 세계라는 용어를 설명하기도 한단다. 거시 세계는 사람의 눈으로 볼 수 있는 세계이고, 미시 세계는 분자나 원자 같이 작은 입자들의 세계라고 생각하면 돼. 이 책에서는 매크로 세계 마이크로 세계라는 용어를 사용했으니 그 용어를 사용할 게 뉴턴 역학과 상대성 이론은 매크로 세계에서는 잘 들어맞는데, 마이크로 세계는 잘 안 들어맞는다고 했어. 그래서 그 마이크로 세계를 설명해주는 것이 바로 양자역학이라고 일단 생각하면 돼.

우주의 시작은 아주 작은 한 점에서 빅뱅에 의해 시작했다고 했잖아. 아주 작은 한 점… 바로 미시 세계인 거지.. 그래서 우주의 시작을 설명하기 위해서는 양자역학이 필요하다는 거야.

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토머스 영이라는 사람이 빛을 가지고 이중 슬릿 실험이라는 것을 했어. 종이에 가늘고 긴 슬릿을 2개 만들고 빛을 쏘이는 실험으로 누구나 쉽게 할 수 있단다. 나중에 우리도 한번 같이 해보자꾸나.. 그 동안 빛이라는 것은 입자라고 생각들을 했고, 입자임을 알려주는 현상들이 숱하게 있었기 때문에 사람들은 빛은 입자라고 생각했어. 그런데 토머스 영은 빛의 이중 슬릿 실험을 통해 빛이 파동임을 증명했단다. 그러니까 빛은 입자이기도 하면서 파동이기도 한 거야. 또 헤르츠라는 사람은 금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 광전효과를 발견했어. 이런 현상이 나오기 위해서는 파장이 짧은 빛만 가능하다고 했어. 왜냐하면 전자를 튀어나오게 하려면 에너지가 높아야 하는데, 파동은 짧을수록 에너지가 높거든..

잠깐 딴 이야기를 하나 하면… 방사선이 우리 몸에 안 좋다고 하잖아. 방사선들의 파장이 아주 짧단다. 즉 에너지가 엄청 크다는 거지. 그런 에너지가 큰 파장을 인체에 쏘니까 인체가 손상을 입게 되는 거야. 자외선과 적외선이 있잖아. 자외선은 파장이 짧고, 적외선은 파장이 커…. 자, 그럼 어떤 것이 에너지가 많고 그래서 어떤 것이 우리 몸에 좋지 않을지 알겠지?

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아인슈타인은 빛이 입자이면서 파장이 짧은 높은 에너지를 가지고 있다는 광자가설을 발표했단다. 아인슈타인은 상대성이론이 아닌 이 광자가설로 나중에 노벨상을 탔다고 하는구나. 이런 빛의 이중성이 양자역학을 설명하는 출발점이 되는 거야. 그럼, 양자란 무엇인가? 양자는 매우 작은 알갱이들이라고 생각하면 돼. 다시 한번 이야기하지만 빛은 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있다는 것… 명심하고… 양자역학은 코펜하겐에 있는 닐스 보어 연구소에서 하이젠베르크, 파울리 등 여러 과학자들이 이루어낸 성과라고 알려져 있어. 간단히 이야기하면 입자의 운동은 확률로 예측하고, 관측까지 결정되지 않는다는 것이 주 핵심적인 내용이란다.

이 양자역학에 대한 이야기는 아빠가 조만 간에 다른 독서 편지에서 자세히 이야기해볼게. 아빠가 이 책을 읽고 나서 <과학하고 앉아있네 3 – 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기>란 책을 읽었는데, 그 책의 독서편지에서 이야기해볼게… 그러니까 오늘은 조금 간단히 이야기하고 넘어갈게… 이해해주고 좀만 더 기다려줘.. 물론 그 책을 읽었어도 아직 양자역학은 제대로 이해하지 못하고 있지만 말이야.

4.

아빠가 앞서 이야기할 때 매크로 세계는 상대성 이론이… 마이크로 세계는 양자역학이 설명을 하고 있다고 했잖아. 과학자들은 통일된 하나의 법칙으로 모든 세상을 설명하려고 것을 좋아한대. 그래서 생겨난 것이 초끈 이론이라는 것이래. 지금까지 밝혀진 아주 작은 입자인 쿼크 등 소립자를 이루고 있는 더 작은 입자.. 그것을 초끈이라고 했어.

이 초끈 이론은 양자역학과 상대성이론을 모두 만족은 그런 이론이라고 하는구나. 그런데 아직 이론만 있고 실험을 통해 검증을 하지 못했는데, 그 실험을 하기 위해서는 우주만한 공간이 필요하다고 했던가.. 아무튼 엄청난 큰 공간이 필요해서 실험이 불가능하다고 했어. 그래서 이 초끈 이론을 인정하지 않는 과학자들도 많대.. 그래도 지금까지의 흐름을 보면 초끈 이론이 상대성이론과 양자역학의 융합을 해결할 수 있는 유일한 후보라고 하는구나. 지금까지의 모든 과학이론이 그렇듯이 이 초끈 이론도 언젠가는 검증이 될 거라고.. 지은이는 기대를 하면서 책 마무리를 했단다.

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(272)

다행스럽게 초끈이론은 소립자의 표준모형을 만들기 위해 필요한 요소를 전부 갖추고 있다. 그렇기 때문에 80년 넘게 해결되지 못했던 ‘상대성이론과 양자역학의 융합’이라는 곤란한 문제를 해결할 수 있는 유일한 후보가 된 것이다. 두꺼운 암반의 틈에서 새어나온 한줄기의 빛과 같은 이론인 것이다. 물론 실험으로 검증이 필요하다. 현재 이 분야는 이론이 앞선 만큼 그것을 검증하는 작업이 따르지 못하고 있다. 그렇기 때문에 ‘초끈이론을 검증 불가능한 것은 아닐까’하는 의문의 목소리도 들려오고 있다. 하지만 물리학에서는 이론을 검증하는 실험이 이루어지기까지 긴 시간이 걸린 경우가 적지 않다. 뉴턴역학도 이론으로서의 유효성은 곧바로 확립되었지만, 그 중력이 ‘만물에 존재’한다는 것이 캐번디시의 실험으로 검증되기까지는 100년이 넘는 세월이 흘렀다.

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이 책의 지은이는 일본 과학자라고 했잖아. 이 책의 중간중간에 중력을 비롯한 양자역학, 초끈 이론을 연구하는 일본과학자들을 소개해주었어. 상당한 업적도 냈다고 하는구나. 이런 기초과학의 연구는 나라의 지원이 없이는 안 될 거야. 그런 지원 덕에 일본이 과학에서 노벨상을 배출하는 것인가 싶더구나. 우리나라도 이런 기초과학에 많은 지원이 있어야 하는데, 들려오는 소식은 기초과학을 전공한 사람들의 높은 실업률 소식뿐이구나. 작년부터 제대로 된 나라로 뱃머리를 틀었으니… 언젠가는 기초과학분야도 지원이 늘어나겠지, 조심스럽게 기대를 해보면서 오늘 독서 편지는 마치도록 하마.

(40)

만약 중력의 크기가 조금이라도 달랐다면, 우주의 역사는 완전히 바뀌었을 것이라고 생각한다. 태어나자마자 순식간에 강한 중력으로 인해 무너져 버리든지, 반대로 앗 하는 사이에 팽창해서 완전히 식어 버려서 생명은커녕 별조차 만들어지지 못하고 어두운 허무의 세계가 영원히 지속되는 우주가 되었을 것이다. 우주가 긴 시간을 들여 별이나 은하를 만들고 생명체가 태어날 수 있게 된 것은 중력이 ‘딱 적당했기’ 때문이다.

(108-9)

관측 결과 별빛이 휘어지는 각도는 아인슈타인 이론에서 예측한 것과 거의 일치하였다. 여기서도 아인슈타인 이론이 승리한 것이다. 이 획기적인 발견은 대서특필되어 제1차 세계대전으로 지쳐 있던 유럽인들에게 오랜만에 밝은 소식을 안겨 주었다. 독일과 영국은 서로 전쟁중인 적대국 관계였다. 하지만 독일인 아인슈타인이 만든 이론을 영국인 에딩턴이 증명한 것이다. 이 관측은 차갑게 식었던 독일과 영국의 관계를 회복시켰다는 의미로도 사회적 큰 영향을 미쳤다.

(114)

그렇다면 무엇이 쌍성의 에너지를 가져가는 것일까. 그 ‘범인’으로 여겨지는 것이 중력파다. 휴대전화가 전자의 진동에 의해 전자기파를 발생시키는 것처럼 쌍성이 빙글빙글 회전하면 중력장이 진동하여 파동이 전해지게 된다. 파동이 전해지기 위해선 에너지와 필요하기 때문에 어디서든 그 에너지를 조달하지 않으면 안 된다. 그 때문에 쌍성의 공전운동의 에너지가 사용되고 있다고 생각하면 이치가 맞다.

(121)

18세가 끝날 무렵 영국의 존 미셸(납 구슬 사이의 중력을 측정한 캐번디시의 실험을 고안했음)과 프랑스의 피에르 시몽 라플라스(라플라스의 악마 이야기로 유명) 두 명과 과학자가 블랙홀을 예견하였다. 질량이 클수록 중력은 강해진다. 그렇다면 굉장히 질량이 큰 별이 있다면 그 별에서는 빛의 속도로도 탈출하지 못할 것이다. 즉 빛이 빠져나오지 못하기 때문에 그 별은 어두워서 보이지 않을 것이다. 그들은 이렇게 생각했다.

(262)

초전도란 금속의 등의 물질을 냉각시켰을 때 전기저항이 급격하게 0으로 되는 현상을 말한다. 가령 알루미늄은 절대온도 1도(섭씨 -272도)에서 초전도상태가 된다. 그런데 25년 전, 그때까지보다 훨씬 고온(현재는 절대온도 100도 이상)에서 초전도현상을 보여주는 물질이 발견되어 물리학계에 큰 충격을 주었다. 발견 직후 열린 미국 물리학회에 전 세계에서 수많은 연구자들이 몰려와, ‘물리학의 우드수탁’이라고 불릴 정도였다.(우드스탁:뉴욕의 베델에서 사흘 동안 열린 록 음악 축제-역주). 하지만 이 현상을 설명하는 이론은 아직까지 존재하지 않는다. 초전도를 이론으로 해명하기까지는 최초의 실험으로부터 47년이 걸렸기 때문에, 지금부터 20년이 더 걸린다 해도 이상한 일은 아닐 것이다. 하지만 홀로그래피 원리에 의한 연구가 순조롭게 진행된다면, 좀 더 빨리 고온 초전도의 구조를 밝힐 수 있을지도 모른다.