초끈이론 쉽게 설명하기 <앨러건트 유니버스>

엘러건트 유니버스
브라이언 그린 지음, 박병철 옮김 / 승산 / 2002년 3월

- 원제 : THE ELEGANT UNIVERSE : SUPERSTRINGS, HIDDEN DIMENSIONS AND THE QUEST FOR THE ULTIMATE THEORY
- 부제 : 초끈이론과 숨겨진 차원, 그리고 궁극의 이론을 향한 탐구 여행
 
2007년 12월에 저자의 <우주의 구조 The Fabric of the Cosmos >를 읽은 후, 이 책을 읽겠다고 마음 먹은게 엇그제 같은데 벌써 3년이 더 지나버렸다. 책을 구입한 때가 2008년 4월이니 책을 책꽂이에 꽂아놓고 방치한 지도 벌써 3년 가까이...ㅋㅋ 미루고 미루다가 결국 지난 설 연휴에 꺼내들었다. 처음 <우주의 구조>를 읽을 때 하루 4시간 이상 책에 몰입했음에도 일주일 가까이 걸렸던 것과 비교하면 이번에는 상당히 수월하게 책장이 넘어갔다. 그동안 수학과 물리학에 대한 교양을 조금은 쌓았나보다...^^
 
<우주의 구조>를 먼저 읽은 후에 이 책을 읽으니 감회가 새로웠다. 이 책과 <우주의 구조>의 가장 큰 차이점은 초끈이론에 대한 저자의 ’태도’인 것 같다. ’태도’라 함은 이 책에서만 보면 저자는 상대성이론과 양자역학을 통합하여 우주만물의 ’대통일이론’ or ’최종 이론’을 이끌어낼 물리학 이론은 초끈이론 밖에 없을 것이라고 큰소리 치고 있는데, <우주의 구조>(2005년에 발간)에서는 큰소리보다 물리학과 우주과학의 흐름과 발달과정, 그리고 21세기 현재 최종이론을 향한 과학자들의 다양한 노력과 이론을 소개하면서 많이 겸손해졌다는 것이다. 이 책(1999년에 발간)에서 저자는 "향후 5년 안에 초끈이론에 큰 성과가 있을 것"임을 예측했지만, 2005년까지 초끈이론을 연구하는 과학자들은 이렇다 할 실험결과나 관측결과, 또는 이론적인 성과를 만들지 못했다.
 
앞에서 이야기한 바와 같이 이 책은 초끈이론에 대한 대중적인 설명서라 할 수 있다. 저자는 500쪽이 넘는 분량을 주로 초끈이론을 설명하는데 할애했다. 물론, 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학에 대한 기본적인 소개는 요약하여 잘 설명한다. 그리고 두 가지 당대 최고의 물리학 이론이 서로 통합되지 못하고 충돌한다는 점을 거론한 뒤, 초끈이론에 대한 설명으로 들어간다.
 
상대성이론이란 무엇인가? 20세기 과학의 역사에서 가장 중요한 발견으로 불리우는 아인슈타인의 상대성이론은 그동안 절대적으로 알려졌던 아이작 뉴턴의 시간과 공간의 개념을 변화시켰다. 그리고 4차원 시공간을 통해 고정되고 절대적인 우주에서 변화하고 상대적인 새로운 우주관을 정립시켰다. 빛의 속도가 불변이라는 사실을 통해 운동을 통해 시간이 달라지고, 길이 역시 달라진다는 것이 이론의 핵심이다.
 
또한 20세기의 비슷한 시기에 상대성이론과 또 다른 차원에서 획기적인 이론이 발견되고 있었는데 그것은 인간의 눈으로는 도저히 볼 수 없는 극미세 영역을 탐구하는 양자역학이다. 100년이 지난 지금 양자역학은 역사상 유래를 찾아볼 수 없을 정도로 정확하다는 게 입증되었다. 양자역학은 직관적으로 이해할 수 없다. 플랑크스케일 이하에서 벌어지고 있는 전자들의 움직임은 거시세계에서의 움직임과는 본질적으로 다르기 때문이다.
 
하지만, 상대성이론은 원자 규모 이하의 물리학에서는 검증되지 못했고 양자역학은 우주 차원에서 적용되지 못한다. 하나의 자연과 우주를 설명하는데 거시 영역과 미시 영역이 각각 다른 이론으로 설명된다는 건 확실히 이상한 일이다. 자연 현상에 대한 빈틈없는 논리를 세워야 하는 물리학에 있어서 이것은 치명적인 약점이다.
 
이것을 해결하기 위해 등장한 것이 초끈이론이다. 초끈이론(Superstring Theory)이란 무엇인가? 초미세 공간 안에는 원자가 있고, 원자의 내부는 원자핵과 그 주위를 도는 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있다. 그런데 놀랍게도 그게 최소의 단위는 아니다. 전자의 내부에는 3쌍으로 움직이는 쿼크가 있는데 그것을 소립자라고 부른다. 초끈이론은 물질의 최소단위가 소립자가 아니라 1차원으로 이루어진 길이를 갖고 있는 진동하는 끈이라는 가설을 세우고 거기서부터 모든 이론을 전개한다. 물론 현재의 과학기술로 끈의 존재를 발견하는 건 불가능하다. 그러므로 이 모든 것이 이론물리학자의 상상에 불과할 수도 있지만, 시간이 지나면서 수학의 이론적 토대와 정밀한 실험과정을 거치면서 20세기 후반까지만 해도 가장 강력한 후보로 주목받았다. 초끈이론은 양자기하학, 대칭성, 공간찢기, 다중공간와 연결된다.







 
초끈이론에서 ’초(super)’란 ’초대칭성(supersymmetric)’의 줄임말로, 초대칭성이란 자연계에 존재하는 힘들 뿐 아니라 그 힘을 기술하는 수학체계까지 통일시키고자 하는 이론들이 가장 커다란 스케일의 대칭성을 갖고 있다는 의미다. 
  
[ 2011년 2월 13일 ]