초끈 이론 : 우주만물의 질서에 대한 새로운 탐구

초끈이론: 아인슈타인의 꿈을 찾아서 ㅣ 살림지식총서 126
박재모.현승준 지음 / 살림 / 2004년 9월

 지구를 벗어나 우주로 눈을 돌리게 되면, 그리고 현재까지 밝혀진 많은 사실들을 읽다보면, 결국 우주만물의 질서나 규칙에 대한 근원적인 질문들을 다시 만나게 됩니다. 그리고 거기에 대한 대답으로 우리가 물리시간에 배웠던 내용들이 하나 둘 다시금 얼굴을 내밀며, 베일에 싸인 우주에 대한 설명을 위하여 단상에 등장합니다. 고전적인 뉴턴의 중력이론을 시작으로 20세기를 화려하게 수놓았던 아인슈타인의 상대성 이론, 양자역학과 불확정성의 원리 등에 이르기까지 여러 물리학적인 성과들이, 관찰된 우주에 대한 설명을 위하여 등장합니다. 뉴턴의 중력이론이 우리의 일상적인 환경에서 느끼고 관찰하며 살던 세계에 대한 명확한 설명을 담고 있다면, 아인슈타인의 상대성 이론은 사람들이 체험하거나 생각하기 어려운 매우 빠른 속도 (빛처럼)로 움직이는 거시세계에서 관찰되는 시간과 공간등의 세계와 중력이 작용하는 세계에 대한 설명들을 멋지게 해냅니다. 양자역학은 눈에 보이는 거시세계와는 반대편의 미시세계 (원자와 전자, 소립자 등)에서 일어나는 일들에 대한 설명입니다. 상대성 이론과 양자역학으로 대표되는 현대 물리학은 각각의 분야에서는 세상에 대한 성공적인 설명을 통하여 확고한 이론으로서 자리를 잡은 듯 하지만, 만물의 질서를 탐구하는 물리학자들의 관심이 거기에서 그치지 않고, 거시세계와 미시세계의 규칙을 동시에 설명할 수 있는 통합 이론에 대한 탐구로 옮겨가게 되는 것은 너무도 당연한 것이라고 하겠습니다. 더더구나 상대성 이론과 양자역학을 통일한 양자중력이론은 곧 우주에 존재하는 중력과 전자기력, 강력과 약력이라는 네 힘을 통일적으로 기술할 수 있다는 것을 말하고, 그것은 멋지게 이 우주만물의 신비를 벗겨낼 마법의 반지같은 역할을 해 줄지도 모르니, 호기심과 탐구욕이 넘치는 과학자들이 가만 있질 않겠지요.....^^

 초끈 이론이란 기존의 물리학에서는 질량을 가지는 점으로 생각하던 소립자를 끈이 진동하면서 만들어내는 특별한 파동으로서 생각하는 데서 시작됩니다. 중력을 매개하는 중력자도 끈의 진동에서 나오는 것으로 설명합니다. 끈의 크기가  10^-31 cm 정도로 작아서 지금까지의 물리학이 그러한 끈을 소립자로 관찰한 것이 무리는 아닐 것이고, 초끈 이론의 '초'가 뜻하는 것은 자연계에 존재할 것이라고 생각되는 중요한 대칭성의 하나인 '초대칭'을 갖는 끈이론이라는 의미라고 합니다. 이 책은 현재 상대성 이론과 양자역학을 통합한 양자중력이론의 유력한 후보로 생각되고 있는 이 초끈 이론에 대한 일반인을 위한 대중서라고 할 수 있을 것 같습니다. 초끈이론이 탄생한 배경에서 시작하여, 초끈 이론의 구조와 이론적 결과들, 끈이론의 기본적인 개념들과 난해하게 얽혀있던 여러 물리학의 난제들을 유용하게 해결한 경우, 그리고 끈이론이 해결해야 할 과제들에 대한 쉽고 간단한 내용을 담고 있습니다. -물론 일반인들에게는 쉽고 간단한 것이 아니라는 것은 말하지 않아도 아실 겁니다.....^^  

 초끈 이론에서 자연에 존재하는 끈은 열린 끈 (open string)과 닫힌 끈 (closed string)이 있고, 각각의 진동모드에 따라 다양한 형태의 양자로 존재하게 되고, 중력자의 경우는 닫힌 끈의 모드 중 하나라고 하는데..... 이해가 쉽지 않아 그려려니 넘어갑니다.^^ 양자적 정합성을 요구할 경우, 끈이론은 오직10차원의 공간에서 존재할 수 있고, 또한 10차원의 공간에서는 서로 다른 초끈 이론 다섯가지가 존재한다고 합니다. 이 다섯가지 형태의 초끈이론은 11차원의 M 이론에 의해 모두 설명된다는 사실이 밝혀지기도 했다지만, 물리학자들도 그 자세한 내용에 대해서는 아직도 탐구중(?)이라고 하는 것이 맞는 말인 듯 합니다. 뒤에 이어지는 초끈이론을 통한 블랙홀의 엔트로피 문제의 해결 등을 설명하는 부분은 물리적 지식이 바닥 수준인 내겐 너무 어려웠다-는----.

 우연히 아이들의 우주에 대한 호기심 담긴 책을 읽다가, 우주의 여러가지 사실들을 설명하기 위해서 사용된 무수한 과학적인 지식들을 대하게 된 것이, 초끈 이론이라는 생소하고 난해한 분야에 대한 관심을 가지게 된 계기가 되었습니다. 실제 상대성 이론까지는 들은 풍월이 있었지만, 초끈이론이니 M이론이니 하는 말들은 처음에는 생소한 용어들이었고, 그런만큼 호기심도 컸다고 해야겠습니다. 이 책도 그러한 관심의 표현으로 시작한 것인데..... 솔직히 일반인이 대상이라고는 하지만, 기본적인 개념이나 지식이 많지 않기에, 읽고 이해하기는 상당히 난해하다는 생각이 듭니다. 하지만 우주 만물의 질서에 대한 탐구의 여정이 물리학적으로는 뉴튼 역학에서 상대성 이론과 양자역학, 그리고 이제는 초끈이론이라는 분야로 확장되고 있다는 사실과 초끈이론이 말하는 끈이 무엇인지, 그 특성이 무엇인지에 대해 조금 더 지식을 더 한 것만으로도, 내가 좀더 세상을 이해하게 되었다는 즐거움을 가질 수 있는 시간이었습니다. 또한 비록 아직까지는 초끈이론이 많은 풀어내고 설명해야 할 부분이 남은 이론일 뿐이지만, 우주 만물의 질서에 대한 인간의 탐구는 그 너머로도 계속될 것이고, 어느 단계에서 멈춰선 대단치 않은 내 지식에 계속되는 그러한 탐구에 대한 관심의 이음새를 하나 만들었다는 것만으로도 내겐 두고두고 의미있는 일이 될테니 말입니다.....^^  '세상은 끈으로 이루어져 있다'