우주이야기: 막Brane
샌타바버라Santa Barbara의 카블리 이론물리학연구소Kavli Institute of Theoretical Physics(KITP)의 종신회원이며 물리학자 조 폴친스키Joe Polchinski(1954~, 뉴욕 White Plains에서 태어났고 1980년에 버클리 대학에서 박사학위를 받았다)가 끈이론에 필수적인 막brane을 입증함으로써, 1995년 물리학계는 폭풍에 휩싸였다. p막은 몇 개의 차원이 무한히 멀리 확장된 막 같은 물체로 아인슈타인의 일반상대성이론에서 수학적으로 유도되었다. 막은 우주의 물리적 특성을 결정하고 궁극적으로 우리가 관측한 현상을 설명할 때 막중한 역할을 하게 될 것이다. 입자와 힘이 막이라는 저차원의 표면에 사로잡혀 있을 수 있기 때문이다. 물리학자들은 우리의 3차원 세계가 고차원의 3차원 단면이라고 생각하게 되었다. 막은 공간의 특정 방향으로만 펼쳐져 있는 시공의 특별한 영역으로 어떤 막은 3차원이지만 다른 막은 더 많은 혹은 더 적은 차원을 갖는다. 입자와 에너지가 막을 만난다는 것이다. 4차원 이상의 고차원 세계에서는 공간 전체를 벌크bulk라고 부르며 막은 벌크의 경계가 된다. 막이 벌크의 특정한 방향을 따라 경계를 이루고 있다면 벌크의 어떤 방향은 막과 나란하고 벌크의 다른 방향은 막으로부터 벗어나게 된다.
막에 도착한 입자와 에너지는 거울에 반사되는 빛이나 당구대 모서리에 부딪히고 튕기는 당구공처럼 다시 튀어나오게 된다. 물리학자들은 이를 반사경계조건reflective boundary condition이라 부른다. 그러나 막이 항상 벌크의 경계에 있는 것은 아니다. 막은 공간의 어디에나 있을 수 있다. 막은 현미경의 프레파라트preparat 위에 놓인 박테리아처럼 무엇인가를 낮은 차원의 표면에 붙잡아둔다. 입자나 끈은 4차원 이상의 세계 내부에 존재하는 3차원 막에 잡혀있을 수 있다. 막에 속박된 입자는 결코 막 바깥으로 뻗어있는 여분차원으로 나갈 수 없다. 그러나 모든 입자가 막에 잡혀있는 것은 아니다. 물리학자들이 말하는 막이란 3차원의 막이며, 3차원의 막은 4차원, 5차원 또는 그 이상의 차원을 가진 벌크에서 나타날 것이다. 입자와 힘이 3차원의 막에 속박되어 있다면 그 입자와 힘은 3차원에 있는 것처럼 움직일 것이다. 3차원 막 위의 빛은 3차원 우주에 있는 것처럼 움직일 것이다. 그리고 막에 속박된 힘은 막에 속박된 입자에게만 영향을 줄 수 있다. 핵이나 전자처럼 우리를 구성하는 입자들 그리고 이 기본 입자들 사이에서 상호작용하는 전기력과 같은 힘은 3차원 막에 갇혀있다.
모든 것이 하나의 막에 속박되어 있는 것은 아닌데, 중력이 그러하다. 일반상대성이론에 따르면 중력은 시간과 공간 구조 자체에 엮어 있다. 이는 중력이 모든 차원의 공간에 작용함을 의미한다. 중력이 벌크로 뻗어나가고 모든 것이 중력으로 상호작용하므로 막 세계는 여분차원과 연결된다. 벌크에는 중력 이외의 다른 입자나 힘이 존재할 수 있으며, 이런 입자들이 막에 속박된 입자나 힘과 상호작용하여 막 위의 입자를 더 높은 차원의 벌크와 연결해줄 것이다.
우리의 우주가 여분차원의 바다에 떠다니는 3차원 막에 수용되었다고 생각할 수 있다. 중력은 여분차원으로 퍼져나가지만 별, 행성, 사람 그리고 감각할 수 있는 모든 것은 3차원의 막에 속박되어 있을 것이다. 다중우주multiverse는 둘 이상의 막이 있다고 가정하는 이론에서 나온 용어이다. 다중우주는 상호작용하지 않거나 매우 약하게 상호작용하는 막들로 구성된 우주를 말한다. 우리가 살고 있는 막과 평행한 막이 존재해서 평행우주를 내포할 수 있다. 우리 막의 물질과 다른 막의 물질이 공유하고 있다고 확실하게 말할 수 있는 상호작용은 중력뿐이며 그 힘은 극히 미약하다.