[아누이야기] 5. 우주는 끈으로 되어있다 > 점에서 끈으로, 모든 것의 이론 > 오컬트화학

점에서 끈으로 


앞장에서 우리는 쿼크가 하부구조를 가지고 있으며, 그 하부구조에 해당하는 아누가 진정한 물질의 궁극원자임을 보았습니다. 이제부터는 원자 전체의 구조보다는 아누 그 자체에 대해서 주목해 보겠습니다. 

가장 먼저 눈에 띄는 것은 하트 모양을 닮은 아누의 이상한 형태입니다. 잘 보면 모두 열 개의 선이 소용돌이치듯이 아누의 표면과 안을 나란히 휘감고 있습니다. 좀 복잡하죠? 가만히 생각해 보면 물질의 궁극입자가 이렇게 복잡한 형태를 하고 있다는 것은 이해하기 어렵습니다. 궁극입자라는 그 자체가 어떤 구조와 그 구조를 이루는 구성성분을 갖고 있기 때문이죠. 과연 이것을 궁극입자라고 불러도 되는 걸까요? 

초창기의 원자모델에서 입자는 공과 같은 것으로 인식되었습니다. 그러다가 양자역학과 소립자물리학이 발달하면서 입자는 점처럼 인식되었습니다. 그래서 점입자라는 말이 생겨났습니다. 수학적으로 기본입자는 크기와 부피를 갖지 않는 0차원의 점입니다. 사실 이것이 더 이상하지 않습니까? 

그런데, 입자에 대한 개념에 일대 변혁을 가져온 일이 물리학계에서 발생했습니다. 바로 초끈 이론의 등장입니다. 초끈 이론은 입자를 점으로 보지 않고 1차원의 끈으로 보았습니다. 1차원, 2차원, 3차원이 무엇인지는 아시겠죠? 0차원이 위치만 갖는 점이라면, 1차원은 길이의 성분만 있는 선, 2차원은 길이와 넓이가 있는 면, 3차원은 여기에 높이가 추가된 입체입니다. 초끈 이론에서 볼 때 입자는 1차원의 끈이 진동해서 마치 부피를 가진 입체처럼 나타나는 것입니다. 

 

자, 여기서 우리는 오컬트화학과 현대물리학의 공통점을 하나 더 발견하게 됩니다. 바로 물질의 기본입자는 알갱이도 아니고, 점도 아니고, 진동하는 끈이라는 것입니다. 그럼, 아누는 초끈일까요? 지금부터 그것을 살펴보도록 하겠습니다. 


모든 것의 이론 


흔히들 초끈 이론은 21세기의 물리학이라고들 말합니다. 그것은 아직 초끈 이론이 완성되지 않았다는 뜻이기도 합니다. 처음 초끈 이론이 주목을 받은 것은 1984년에 존 슈바르츠와 마이클 그린이 기존의 초끈 이론이 가지고 있던 몇 가지 큰 문제를 해결했을 때로, 초끈 이론가들은 이 때를 가리켜 제1차 초끈혁명이라고 부릅니다. 기존의 초끈 이론이라 함은 1976년에 일종의 통일장 이론인 초중력 이론이 나오자, 조엘 셔크 등이 이를 1970년에 남부 요이치로가 쿼크의 결합을 설명하기 위해 내놓았던 끈 이론에 접목하여 초끈 이론을 만들 수 있을지도 모른다고 주장했던 것을 말합니다. 또 이보다 2년 앞서 1974년에 존 슈바르츠는 조엘 셔크와 함께 남부의 끈 이론이 쿼크의 결합을 설명하는 강한 상호작용의 이론을 넘어 모든 것을 설명하는 강력한 통일장 이론이 될 수 있다는 논문을 발표하기도 했었습니다. 

통일장 이론의 탐구는 자연에 존재하는 모든 현상의 밑바탕에는 하나의 원리로 설명할 수 있는 기본법칙이 존재한다는 믿음을 반영합니다. 우주는 몇 가지의 기본적인 소립자와 이를 매개하는 네 가지의 힘(상호작용)으로 구성되어 있다고 보는 것이 현대과학의 관점인데, 통일장 이론의 발전은 이 네 가지 힘을 통일적으로 설명하려는 노력과 관계가 있습니다. 

 

통일장의 역사는 맥스웰의 전자기 이론으로부터 출발합니다. 전기와 자기는 본래 다른 힘으로 인식되고 있었는데, 맥스웰이 이 두 힘을 통일적으로 기술함에 따라 하나의 현상으로 이해할 수 있게 된 것입니다. 전자기력과 약력을 통일적으로 기술하는데 성공한 사람은 1960년대의 스티븐 와인버그와 살람이었습니다. 그 다음 전자기약력과 강력을 통일적으로 기술하려는 여러 시도들이 있었는데, 이러한 이론들은 대통일장 이론으로 알려져 있습니다. 

그림에서 보듯이 의외로 통합이 가장 어려운 것이 중력입니다. 1976년에 대통일장 이론과 중력을 통합하는 초중력 이론이 발표되었지만, 대부분의 대통일장 이론들과 마찬가지로 많은 문제점들을 안고 있었습니다. 자, 이때 등장한 것이 ‘모든 것의 이론(Theory of Everything)’이라고 알려진 초끈 이론입니다. 초끈 이론은 비록 완성된 이론이 아니고, 실험적으로 검증이 불가능하며, 또 지나치게 추상적이라는 이유로 한때 여러 저명한 물리학자들로부터 혹평을 받기도 했지만, 현재는 가장 강력한 통일 이론으로 주목받고 있는 것이 바로 이 초끈 이론입니다. 

1995년에는 ‘M 이론’의 발표와 함께 제2차 초끈혁명을 거쳤으며, 지금도 초끈 이론은 끊임없이 진보의 길을 가고 있습니다.