궁극의 이론을 찾아서

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

우리가 사는 세상에 네 가지 힘이 존재한다. 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이다. 중력은 질량을 가진 물질들이 서로 끌어당기는 힘이다. 여기서 퀴즈. 네 가지 힘 중에 가장 약한 힘을 무엇일까. 하나 찍어보시라. 대부분 사람은 ‘약한 핵력’을 고를 것이다. ‘약한(weak)’이라는 단어가 있으니까 말이다. 하지만 정답은 중력이다. 중력이 약하다 보니 중력을 전하는 파동인 중력파(gravitational wave)의 효과도 약할 수밖에 없다. 그래서 2015년에 중력파의 실체가 알려지기 전까지 과학자들은 중력파를 검출하지 못해 고전했다.

전자기력은 전기력과 자기력을 합친 힘이다. 서로 다른 힘으로 생각됐던 전기력과 자기력을 전자기력으로 통합한 사람은 스코틀랜드의 물리학자 맥스웰(Maxwell)이다. 강한 핵력은 원자핵을 구성하는 입자인 양성자(proton)와 중성자(neutron)를 만드는 힘이다. 양성자와 중성자는 쿼크(quark)라는 소립자로 이루어져 있다. 강한 핵력은 쿼크를 결합한다. 약한 핵력은 강한 핵력의 역할과 반대로 작용하는데 원자핵을 붕괴시킨다.

맥스웰은 전기의 힘과 자석의 힘을 ‘전자기력’으로 통일하는 데 성공했다. 1967년에 전자기력과 약한 핵력을 통일한 이론이 발표되었고, 1974년에 강한 핵력까지 통일한 이론이 나왔다. 문제는 중력이다. 중력까지 통일한 ‘궁극의 이론’은 아직 발견되지 않았다.

소립자는 만물, 그리고 네 가지 힘을 구성하는 가장 기본적인 물질이다. 과학자들은 소립자를 ‘점(point) 형태의 입자’로 생각했다. 그러나 ‘초 끈 이론(super-string theory)’에 따르면 만물과 네 가지 힘의 기본 요소는 소립자가 아니라 아주 작은 끈이다. 초 끈의 종류는 두 가지다. 고리 형태의 ‘닫힌 끈’과 두 개의 끝점이 있는 ‘열린 끈’이다. 초 끈 이론을 지지하는 과학자들은 소립자의 형태를 초 끈이 진동하면서 생기는 파동이라고 생각한다. 그래서 이들은 초 끈 이론이 ‘궁극의 이론’을 밝히는 데 결정적인 역할을 하리라 기대한다.

초 끈 이론이 성립하려면 우주를 ‘10차원 공간’으로 이해해야 한다. 그동안 과학자들은 ‘궁극의 이론’을 완성하기 위해 차원을 추가했다. 초 끈 이론의 최신 버전이라 할 수 있는 ‘M 이론’은 우주를 ‘11차원 공간’으로 본다. 하지만 초 끈 이론과 M 이론은 학계에서 인정받고 있지만, 실험으로 확실하게 검증되지 않은 상태다.

살림지식총서 시리즈의 126번째 책 《초 끈 이론: 아인슈타인의 꿈을 찾아서》는 특수상대성이론, 일반상대성이론, 양자역학, 그리고 초 끈 이론과 M 이론에 대한 내용을 모두 담고 있다. 하지만 《초 끈 이론》의 분량이 적다고 해서 만만하게 보면 안 된다.

이 책을 참고할 때 꼭 짚고 넘어가야 할 사실이 있다. 책 11~12쪽에 중력자(graviton)에 관한 내용이 나온다. 중력자는 중력을 매개하는 소립자다. 그런데 이 책을 쓴 두 명의 저자는 중력자가 실제로 존재하는 물질인 것처럼 설명했다. 중력자는 존재 여부가 확인되지 않은 물질이다. 중력자를 설명할 땐 반드시 ‘존재 여부가 확인되지 않은’, ‘이론상의 물질’이라는 식으로 부연 설명을 해줘야 한다. 중력파와 중력자를 혼동하지 말 것!

중쇄를 찍을 때 외국어 표기를 고쳤으면 한다. ‘밍코브스키’(17쪽)는 ‘민코프스키(Minkowski)’로, ‘슈뢰딩어’(23쪽)는 ‘슈뢰딩거(Schrödinger)’로, ‘보즈 입자’(35쪽)는 ‘보손 입자(boson particle)’로 써야 한다. 독일어로 발음하면 ‘슈뢰딩어’에 가깝지만, 국립국어원의 외국어 표기법에는 ‘슈뢰딩거’로 규정하고 있다.