물리학의 성배, 초끈이론

스트링 코스모스 - 초끈 이론, M-이론, 그리고 우주의 궁극 이론을 찾아서
남순건 지음 / 지호 / 2007년 3월

 중력을 설명하는 상대성이론과 미시세계를 설명하는 양자역학은 현대 물리학의 두 기둥이라 할 수 있다. 그런데 이 두 이론은 함께 사용할 수가 없다. 예를 들어 빅뱅초기에는 아주 작은 세계에서 매우 큰 중력이 작용했을 것이다. 즉 이 경우 양자역학과 상대성이론을 동시에 사용해야 하는데, 이를 통해 나오는 결과들은 매우 엉터리이다. 상대성이론과 양자역학은 모순되어 있는 것이다.

 이 때문에 등장한 것이 양자역학과 상대성이론을 통합한 양자중력이론이다. 그리고 이 이론의 가장 유력한 후보가 바로 초끈이론이다. 초끈이론은 우주가 아주 작은 끈들로 이루어져 있다는 이론이다. 이전까지는 우주의 최소 구성 물질이 0차원의 알갱이라고 생각했는데, 이제는 1차원의 끈이라고 생각하는 것이다. 그리고 이 끈들은 닫혀 있을 수도 열려 있을 수도 있으며, 진동하는 파장에 따라 에너지를 갖게 되고, 질량을 갖게 되며, 파형에 따라 물질이 될 수도, 힘의 매개입자가 될 수도 있다.

 하지만 초끈이론은 너무 난해하고, 아직 미완의 이론이다. 양자역학의 불확정성 원리를 상대성이론의 시공간에 적용해야 하는데, 개념적인 이해가 부족할 뿐만 아니라 이를 기술해줄 수학적 도구 또한 전무하다. 끈의 길이가 매우 짧고, 11차원 이상의 차원에서만 설명될 수 있어 실험으로 입증하기 또한 매우 어렵다.

 그런데도 여러 입자물리학자들이 이 이론에 매달리는 이유는 초끈이론이 전자기력, 약력, 강력 그리고 중력까지 모든 힘을 통일하는 궁극적 이론인 대통일 이론이라고 믿기 때문이다. 또한 블랙홀, 웜홀, 암흑물질 등을 설명할 수 있으며 빅뱅을 이해하게 해 주는 이론이기도 하다. 온 우주가 1차원 끈 한가지로 이루어져 있다는 설명은 너무나 단순하고 아름답기 때문에 이에 매료되어 초끈이론을 연구하기도 할 것이다.

 나 또한 이 책을 읽으면서 초끈이론의 등장 배경과 기본적 아이디어에 대해 조금 알 수 있었고, 더 공부해 초끈이론을 이해하고 싶다는 생각이 들었다. 더 나아가 이렇게 아름다운 이론을 연구하고, 물리학의 성배라고도 불리는 이 이론을 완성하고 싶었다.