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1부 : 우주 비밀의 열쇠, 끈이론의 출현
1부에서는 뉴턴의 중력법칙 발견으로 부터, 아인슈타인의 일반 상대성 이론, 양자역학, 끈이론으로 이어지는 통합이론에 대한 설명이다.
▶ 아인슈타인의 목표: 우주 모든 법칙을 하나로 통합해 전부를 아우르는 통일장 이론 만들기 ==> 현대 물리학의 지상 과제
▶ 끈이론
- 우주의 모든 것이 상상할 수 없이 작은 끈(진동하는 에너지)으로 이루어져 있음
- 우주 만물을 구성하기 위해 작은 끈들의 다양한 형태로 진동함
- 우주는 진동하는 가느다란 끈들이 연주하는 다채로운 음이 모여서 만들어진 거대한 교향곡
- 모든 것을 단 하나의 원리와 방정식으로 통일하는 것이 목표
▶ 통일된 이론(UNIFICATION)
- 우주의 모든 것을 하나의 개념 또는 하나의 방정식으로 기술할 수 있는 법칙
- 물릭학의 목표: 더 많은 우주의 현상을 보다 더 간단한 원칙으로 설명
▶ 뉴턴의 중력(G)법칙
- 사과를 땅으로 잡아당기는 힘과, 달이 지구궤도를 돌게 하는 힘이 동일한 하나의 힘
- 천체와 지구를 중력이라는 하나의 이론으로 통합
- 중력의 힘을 나타내긴 했으나, 중력이 어떻게 작용하는지는 설명 못함
▶ 아인슈타인
- 빛의 속도가 우주에서의 한계속도이며, 우주에서 그 속도를 능가하는 것음 없다는 것을 발견
- 빛의 속도 보다 빠른 것은 없다는 개념이, 뉴턴의 중력 법칙에 위배
▶ 뉴턴 vs 아인슈타인
- 태양이 파괴된다면,
- 뉴턴: 파괴되는 즉시 행성들은 궤도를 벗어남 => 거리에 상관없이 중력이 즉시 작용
- 아인슈타인: 태양의 빛이 지구까지 오는데 8분이 걸림. 중력이 빛보다 빨리 이동할 수 없기에, 태양이 파괴되더라도 즉시 행성이 궤도 이탈을 하지 않을 것
- 그럼 왜 행성들이 궤도를 도는 이유는? 중력이 우주의 한계속도를 넘어설 수 없다는 것을 증명해야 됨 ==> 이를 증명하기 위해 새로운 이론 필요
▶ 아인슈타인 일반 상대성 이론
- 중력이 시간과 공간의 장을 구부러지거나 휘어지게 함
- 중력이 무엇인가에 대한 새로운 인식 심어 줌.
- 하나의 시공간에 3차원의 공간과 1차원의 시간이 한데 섞여있다고 생각
- 4차원으로된 시공간을 기하학적으로 이해
- 통합된 시공간에서 행성이나 항성같은 무거운 물체에 의해 구부러지거나 휘어짐
- 지구가 태양 주의를 도는 것은, 태양이 중력으로 지구를 잡아당기는 것이 아닌, 태양때문에 생긴 공간의 굴곡을 그냥 따라 돌기 때문
- 만약, 태양이 파괴되는 경우 중력으로 인한 영향력은 우주 공간에 물결처럼 퍼져나가는 파장을 형성, 이 파장이 지구에 다다를때까지 태양 주의의 궤도를 벗어나지 않음
- 중력의 파장이 빛의 속도와 똑같이 이동
▶ 아인슈타인의 새 목표: 만물의 이론 만들기
- 자신의 중력(G) 이론과 이미 알려져있던 전자기력(EM) 통합하여 전 우주의 모든것을 설명할 수 있는 궁극적인 방정식(만물의 이론) 만들기
- 전자기력: 맥스웰이 수학을 통해 전기력과 자기력의 관계 설명하는 4개의 방정식 발견하여, 전기력과 자기력을 통합
- 문제: 전자기력이 지구의 중력보다 수십억배 강함
▶ 양자역학의 시작
- 1920년대 닐스고어를 주축으로 구성
- 오랫동안 물질의 최소단위로 여겨져왔던 원자가, 더 작은 입자 즉 양자와 중성자로 된 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 구성되어져 있음
- 아인슈타인과 맥스웰의 이론은 원자 안에서 서로 상호 작용하는 작은 입자들을 설명하는데는 무용지물
- 양자역학으로 미시세계를 정확히 설명하는데 성공했지만, 너무 급진적인 이론이라 자연계에 대한 기존 시각을 완전히 전복시킴
- 아인슈타인: 우주는 질서정연하고 예측 가능함
- 닐스고어: 원자의 소립자의 수준으로 볼 때, 세계는 예측 불가능한 게임의 세계. 원자나 양자의 차원에서는 확실한 규칙이 없음. 가능성을 예측하는게 최선.
- 아인슈타인 "신은 주사위를 던지지 않는다"는 말로, 양자역학 반대
- 1930년대 원자의 비밀을 풀어냄
- 원자의 구조를 연구하는 과정에서 우주를 지배하는 힘이 중력과, 전자기력외 강력(S)과 약력(W) 발견
- 강력(S): 모든 원자의 원자핵 형태 유지시켜주며, 양성자와 중성자를 단단하게 결속하는 힘
- 약력(W): 우라늄이나 코발트같은 같은 원소에서 방사능붕괴를 일으키는 힘
- 양자 수준에서 볼 때, 중력은 다른 세가지 힘에 비해 미약
▶ 물리학의 양대진영
- 항성과 은하계 우주 전체와 같이 크고 무거운 대상을 연구하는데 일반상대성이론 적용
- 원자와 소립자 같이 작은 물체를 연구하는데 양자역학 이용
▶ 블랙홀
- 고밀도 항성처럼 거대한 물체가 극단적인 수축을 이르키면 시공간이 뒤틀리게 되어 그 안의 중력이 무한대가되어, 빛조차 탈출 못함
- 블랙홀의 중심이 작고 무겁기 때문에 동시에 두 이론(G, S/W/EM) 적용, 하지만 두 이론은 서로 충돌
▶ 끈이론
- 미시세계이론과 거시세계이론을 하나로 통합, 우주 만물을 설명할 수 있는 길이 열릴지 모름
- 우주를 구성하는 최소단위가 점 같이 생긴 입자가 아닌, 끊임없이 진동하는 가느다란 끈
▶ 결론
- 뉴턴 "난 바닷가에서 노는 어린 소년과 같았다. 더 예쁜 조개와 더 둥근 조약돌을 찾는 동안 내 앞에는 거대한 진실의 바다가 진실을 가린 채 누워 있었다."
- 아인슈타인: 거대산 진실의 바다 즉 자연계의 모든 법칙이 몇개의 수학적 법칙으로 표현되는 간단한 이론임을 보여 줌
- 끈이론: 아인슈타인의 통합에 대한 꿈을 이루기 직전에 와있음
2부 : 끈이론, 딜레마에 빠지다
- 진동하는 가느다란 끈으로 이뤄진 우주
- 양자역학과 일반상대성이론이 통합될 수 없는 이유는 무엇인가?
- 우리가 살고 있는 시공간에 '여분의 차원'이 존재하는가?
- 여러 개의 변형이론이 대두된 '끈이론'
※ 끈이론(String Theory)
- '끈'이라 불리는 1차원적 물체가 자연의 근본 물질이라느 가정에서 출발한 통일장이론
- 기존 물리학이 자연계를 구성하는 최소 단위인 원자와 그 속의 소립자들을 극도로 작은 구형이나 점으로 생각하였으나, 끈이론에선느 최소 구성 단위가 진동하는 작은 끈이라고 주장
▶ 우주에 대한 2가지 이해방식
(1) 아인슈타인 일반 상대성 이론(General Theory Of Relativity)
- 별과 은하계 같은 우주의 거대한 물체를 이해하는 방식
- 시공간이 중력과 상호 작용하여 그 결과가 시공간의 곡률로 나타난다는 중력 이론
(2) 양자역학(Quantum Mechanics)
- 우주의 작은 물체들 즉 원자보다 작은 소립자를 설명하는 체계
- 미시세계의 원자나 소립자들의 운영방식을 지배하는 역학 원리
▶ 일반상대성이론과 양자역학의 충돌
- 양자역학에서 말하는 현란하게 요동치는 시공간의 모습은 일반상대성이론이 묘사한 매끄럽고 질서정연하며 기하학적인 시공간모델과 정면으로 충돌
- 두 이론을 함께 설명할 수 있는 방정식이 만들어지면 언제 어디에서 어떻게 우주가 운영되는지, 그 비밀이 밝혀질 것
==> 미시세계와 거시세계를 통합하고, 양자역학과 일반상대성 이론을 하나로 엮을 수 있으며 절대 깨지는 않는 그런 이론 필요
▶ 우주를 지배하는 4가지 힘
원자의 분리에서 부터 별의 탄생에 이르기까지, 우주의 모든 사건은 아래 네 가지 힘이 물질과 상호작용하며 일어남
(1) 일방상대성 이론: 중력(G)
(2) 양자역학
- 강력(S): 원자안에서 양성자와 중성자를 단단하게 결속시키며 원자핵의 형태를 유지 힘
- 전자기력(EM): 전기력과 자기력이 합해진 힘
- 약력(W): 방사능 붕괴를 일으키는 힘
▶ 끈이론의 탄생
- 1968년 이탈리아 물리학자 가브리엘 베네치아노가 강력을 설명하는 방정식을 찾는 과정에서, 우연히 레온하르트 오일러가 기술한 오일러의 방정식을 보게 되고, 이 방정식이 강력을 기술하는 방정식이라고 생각함
- 미국의 레너드 서스킨드가 오일러 방정식이 탄력있는 끈 입자를 기술한다고 생각
▶ 표준모델
- 주류 물리학에서는 입자가 점이라고 믿음
- 입자들을 고속으로 부딪치게하여 입자의 반응을 조사, 충돌효과 연구해 온 결과, 자연계에 존재하는 입자가 생각보다 훨씬 많다는게 밝혀짐
- 입자물리학(?): 자연계의 기본 힘을 입자로 설명할 수 있음
- 전자기력, 강력, 약력에도 매개입자가 존재한다는게 밝혀짐
- 140억년전 빅뱅 직후 초고온상태에서는, 약력과 전자기력이 한데 합쳐서 전자기약력이라는 단일한 함을 이루었을 것이라고 믿음
- 시간을 더 거슬러 올라가면, 우주는 전자기약력과 강력이 합해진 Super Force 상태였을 것이라고 믿음
- 표준모델(Standard Model): 자연계에 존재하는 4가지 힘 중에서 중력을 제외한 모든 힘들을 통합하는 이론
- 한계: 미시세계를 지배하는 세 가지 힘을 설명하였으나, 중력은 포함시키지 못함
- 표준모델에 가려져 끈이론은 물리학의 변방이 됨
▶ 끈이론의 문제점
- 기존 물리 이론과 상충하는 입자를 예측(타키온 Tachyon: 빛보다 빠르다는 가상의 입자)
- 존 슈바르츠 물리학자: 불규칙적인 방정식을 정리하려고 노력하는 중, 중력 이론을 함께 다루어야 한다고 생각함, 끈이 원자보다 수천억배 작다고 가정
- 중력자(Gravition): 중력적 상호작용에서 교환하는 가성적인 입자 또는 에너지 양자. 양자의 세계에서 중력을 매개하는 입자
- 하지만, 방정식의 수학적 변칙성(Anomalies)을 해결해야 하는 과제가 남음
- 1984년, 변칙성을 해결하는 방정식 발표, '만물의 이론(Theory Of Everything): 모든 물질과 모든 힘을 포함하는 양자역학적 이론' 이라는 칭호를 받음
- 원자 = 원자핵(양성자+중성자, 쿼크->진동하는 가느다란 끈) + 전자
▶ 끈이론의 핵심
- 끈 들이 진동하는 패턴에 따라 입자마다 고유한 질량과 전하가 생김
- 미시세계에서 바라 본 혼란스럽고 예측불가능한 우주와 거시세계에서 바라 본 평온한 우주 사이의 충돌 해소
- 일반상대성 이론이 중력에 의해 시공간이 부드럽게 휘어진다고 주장한 반면, 양자역학은 초미세영역에서 일어나는 양자의 요동때문에 시공간이 부드럽지 않음
- 끈이론은 물질의 궁극적인 최소단위가 점이 아닌 끈이라고 주장하여, 두 이론의 대립 해결
▶ 끈이론의 단점
- 실험을 통해 검증할 수 없음
- 복잡한 방정식을 풀기위해 '여분의 차원'이라는 개념 도입
▶ 여분의 차원
- 1916년 아인슈타인 중력이 4차원의 시공간을 구부러지고 휘어지게 한다는걸 밝힘
- 1919년 칼루자가 전자기력도 잔물결같은 파문을 일으킬수 있다고 주장
- 이 주장을 증명하기 위해 물결이 일어날 수 있는 여분의 차원이라는 개념 도입
- 여분의 차원은 원자보다 수십배 작기 때문에, 우리가 볼 수 없다고 주장
- 우리 주변 곳곳에 여분의 차원이 존재한다는게 끈이론의 핵심(하나가 아닌 여섯개의 여분의 차원 필요)
- 우리가 아주 작게 줄어들어 6차원 속으로 들어간다면 여분의 차원이 생긴 형태를 볼 수 있고, 우주의 기본 구성 단위인 끈이 어떻게 움직이고 진동하는지 볼 수 있을 것
▶ 여분의 차원과 우주
- 우주는 잘 정비된 기계와 같음, 현재까지 과학자들이 발견한 자연계의 상수는 20개(전자의 무게, 중력의 크기, 전자기력의 크기 등)
- 만약, 상수가 틀리게 되면 큰 변화를 미침(예를 들면, 전자기력의 크기가 커지는 경우 원자들이 서로 밀어내어 핵폭발이 일어나 태양 등 별들이 사라짐)
- 문: 무엇이 20개의 상수값을 정확하게 규정하는가?
- 끈이론의 답: 여분의 차원. 극히 미세한 영역속에 6개의 차원이 숨어져 있음(너무 작아 관측되지 않음). 숨겨진 차원들의 기하학적 특성이 끈이 진동 패턴 좌우하는 결정적인 요인
- 여분의 차원의 형태가 자연계의 상수를 결정 -> 끈으로 이루어진 우주를 조화롭게 유지
▶ 끈이론의 딜레마
- 몇년 사이 다섯가지 변형이론 등장
- 끈과 여분의 차원을 토대로 하지만, 세부적으로는 제각각(끈의 형태, 차원의 수 등)
==> 우주를 설명할 수 있는 이론은 하나여야 함
3부 : 끈이론의 미래
- 우주의 비밀 : 진동하는 끈, 평행우주, 여분의 차원
- 다섯 개의 끈이론을 하나로 통합한 'M 이론'은 3차원 공간을 넘어선 여분의 차원을 증명할 수 있을까?
▶ 끈이론
- 끈이론(String Theory): '끈'이라 불리는 1차원적 물체가 자연의 근본 물질이라는 가정에서 출발한 통일장 이론
- 전통 우주관: 정적이고 변하지 않는 우주
- 아인슈타인 우주관: 우주가 구부러지고 휘어지며 웜홀(Wormhole, 우주공간에서 서로 다른 영역을 연결하는 튜브 모양의 통로) 존재. 하지만 우주가 찢어지지는 않는다
- 끈이론: 양자역학의 관점에서 바라본 공간은 극도로 미세하고 혼돈 상태로 찢어질 수 있음. 하나의 끈이 공간을 지날때 마다 튜브를 만들게 되고, 튜브가 찢어진 곳을 감싸는 역할을 함. 아인슈타인 우주관보다 우주가 훨씬 역동적
▶ 끈 이론 흐름
- 기존 물리학: 원자 속 최소 단위가 점입자. 원자 외부에 전자가 돌고 있고, 그 내부에 쿼크로 이루어져 있는 중성자와 양성자가 있다
- 끈이론: 보이지 않는 점입자로 생각했던 것이 진동하는 가느다란 끈이라 주장. 끈의 진동 패턴에 따라 자연계의 다양한 물질입자를 만들어 냄
- 끈이론의 가능성: 끈 들의 리듬을 전부 알수 있다면, 우주의 모든 물질과 힘을 설명할 수 있음. 만물의 이론(Theory Of Everything, 모든 물질과 모든 힘을 포함하는 양자역학적 이론)이 될 수 있는 가능성
- 1980년대 다섯 가지 끈이론으로 발전. 끈 이라는 근본 개념은 같으나, 수학적 세부사항은 큰 차이점 존재
- 1995년 에드워드 위튼, M 이론(끈이론의 2차 혁명기를 거치면서 기존의 끈이론을 단일논리체계로 통합한 이론) 발표
▶ M 이론
- M이론 이전: 끈은 10차원 세계에서 움직임.
10차원 = 1차원 시간+3차원 공간(좌우, 전후, 상하)+여분의 6차원(너무 작아서 보이지 않음)
- M이론: 11차원(10차원+1차원) 제시.
11차원이 존재한다면 끈은 더 자유롭게 움직일 수 있음. 끈이 막으로 확장.
- 우리가 속한 우주가 더 넓은 고차원의 막위에 존재 가능성. 즉 우리 옆에 다른 우주(평행 우주)가 M이론에서 말하는 여분의 차원에 존재 가능.
- 그렇다면 다른 우주를 보지도 만지지도 못하는 이유는?
- 고차원 우주안에 존재하는 막이 있다면 소립자와 원자는 그 막을 벗어날 수 없음.
▶ 중력이 다른 힘에 비해 약한 이유는?
- 중력은 우릴 지구로 잡아당기고, 지구로 하여금 태양주위를 돌게함
- 지구 전체의 중력으로 사과가 떨어지지만, 사람의 팔 힘으로 떨어진 사과를 들 수 있고, 자석으로 바닥에 떨어지 쇠붙이를 들 수 있음
- 전자기력이 중력의 뒤에 0이 37개나 붙을 만큼, 전자기력이 강함
- 중력이 이리 약한 이유는?
- 기존 끈이론: 끝이 고무 밴드처럼 닫힌 고리형
- M이론: 닫힌 고리형과, 열린 형태의 끈이 가장자리가 3차원의 막에 고정된 형태의 끈
- 중력자(Graviton, 중력적 상호작용에서 교환하는 가상적인 입자 또는 에너지 양자)
- 닫힌 고리형 끈은 열린형 끈처럼 단면이 없어, 중력자가 중력의 힘을 무시한 채 다른 차원으로 이동 가능
- 따라서, 다른 힘보다 중력이 약해 보임
- 우리 우주 근처에 평행우주가 존재한다면 볼 수는 없지만, 중력을 통해 느낄 수도 있음
▶ 빅뱅이론과 끈이론
- 전통 우주론: 상상할 수 없을 만큼 작았던 우주가 빅뱅을 통해 현재 처럼 광활해짐
- 빅뱅이론 문제점: 우주 전체를 극도로 작으면서, 밀도가 높은 한 점으로 압축하면 물리학 법칙이 소용없게 됨. 빅뱅을 통해 무(無)에서 우주가 탄생했다는 걸 어떻게 증명??
- 빅뱅 이전 평행우주 상태인 두 개의 막이 충돌 하게 되고, 충돌시 발생한 에너지가 빅뱅을 일으켜 우주의 입자가 뜨거워져 엄청난 폭발이 일어남
- 평행우주간 충돌이 다시 발생한다면?
- 해당 이론은 두 개의 막이 실제 충돌했을 때 어떤 일이 일어나는지를 방정식으로 증명하지 못해, 빅뱅이론처럼 불확실성 존재
▶ 끈이론의 문제점과 해결 위한 노력
- 어떻게 실험적으로 검증할 것 인가?
- 원자보다 작아 볼 수 없음
- 페르미 연구소에서 입자가속기를 통해, 양자를 충돌시켜 원자보다 작은 소립자가 나오고 그 안에 중력자가 존재하는지 실험, 중력자는 닫힌 고리형이며 여분의 차원으로 이동 가능, 중력자가 탈출하는 순간을 촬영하여 여분의 차원이 존재한다는 걸 증명하는 것이 목적
- 선(CERN, 유럽 핵 공동연구소) 에서 새 입자가속기 건설 중
- 두 연구소의 지상 최대 과제: 초대칭 이론(원자나 분자와 같은 입자들이 대칭조작을 해도 그 성질이 변하지 않는다는 물리개념)을 밝힘
- 끈이론에서는 원자보다 작은 소립자에는 전자, 광자, 중력자가 있고, 이들에게는 훨씬 더 무거운 에스 파티클(S particle)이라는 파트너 존재한다고 함. 이를 찾는게 과제
- 에스 파티클이 엄청나게 무거워 현재 입자가속기로는 에스 파티클을 찾을 수 없어, 새로 만들어지는 선의 입자가속기에 기대
▶ 하지만 끈이론을 증명하는 증거가 발견되지 않는다면?
- 진동하는 끈, 에스 파티클, 평행우주, 여분의 차원. 아직 증명되진 않았지만 몇 년안에 위 개념의 일부가 옳은지 틀린지 밝혀질 것
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