원제 : NOVA. The Elegant Universe - Einstein's dream
1부
끈이론
- 우주는 끈의 형태로 이루어져 있다.
- 바로 우리 옆에 똑같은 세계가 존재하고 있다
- 우주는 11차원으로 이루어져 있다.
- 제일 작은 입자에서부터 저 머나먼 별에 이르기까지 우주의 모든 것이 단 하나의 형태, 즉 끈(String)으로 이루어져 있다. 상상할 수 없을 정도로 작은 그 끈은 진동하고 있는 에너지이다. 마치 첼로의 끈이 다양한 음을 만들어내듯 우주도 끈들이 만들어내는 음이 모여 만들어진 거대한 교향곡과 같다는 이론
물리학의 진보 : 다양한 현상을 점점 간단한 방정식으로 설명하는 것 (통일성)
Ex) 사과를 아래로 잡아당기는 힘과 지구가 달을 잡아당기는 힘은 동일한 힘이다 (뉴턴의 통일성이론)
- 아인슈타인 : 빛의 속도보다 빠른 것이 없다는 이론 발표 (뉴턴의 중력이론과 배치)
=> 뉴턴은 거리에 상관없이 중력이 즉시 작용할 것이며, 태양이 사라지는 즉시 효과를 느낄 것이다. 하지만 아인슈타인은 태양의 빛이 지구까지 오는데 8분이 걸리는데, 중력도 빛보다 빨리 도달할 수 없기 때문에 태양이 사라지더라도 중력의 파괴 영향을 빛보다 빨리 느낄 수 없다.
* 아인슈타인의 새로운 발견 : 우주는 4차원의 공간으로 이루어져 있다. 지구는 태양의 중력 때문에 태양 주위를 도는 것이 아니라 태양에 의해 생긴 공간의 굴곡을 따라가는 것이다. 태양이 사라지면 연못에 조각돌을 던졌을 때와 같이 파장이 일어나고, 그 파장이 지구에 다다를때까지 지구는 영향을 받지 않는다. 중력의 파장이 움직이는 속도는 빛의 속도와 같다.
즉, 중력이 시간과 공간의 장(Fabric)을 구부러지고 휘게 한다는 새로운 개념을 제시한 것이다. 이 새로운 중력 이론을 '일반상대성이론'이라고 칭했다.
이후 아인슈타인은 자신의 일반상대성이론과 맥스웰의 전자기학(전기력과 자기력을 간단한 네가지 방식으로 통합하여 설명한 이론)을 통합하려는 시도를 함. 이 두가지 이론이 통합될 경우 우주의 모든 현상을 설명할 수 있는 궁극의 방정식을 만들 수 있을 것으로 생각함. 즉, 신의 뜻 = 우주의 원리를 알고 싶어했던 욕망.
이 하나의 원리와 방정식으로 통합하려는 시도가 바로 끈이론이다.
정리하면,
뉴턴은 중력이론으로 천체와 지구를 통합,
맥스웰은 전자기학으로 전기력과 자기력을 통합,
아인슈타인의 자신의 새로운 중력이론과 맥스웰의 전자기학을 통합시켜 만물의 이론을 만들려고 하였음
전자기력은 중력보다 훨씬 강한 힘을 가지고 있음.
예를 들어, 높은 곳에서 도로로 뛰어내릴 때 우리의 몸은 중력에 의해 떨어지지만 몸이 지구 중심부까지 가지 않는 이유는 도로를 이루는 원자의 음전기와 우리 몸을 이루는 원자의 음전기가 서로를 밀어내기 때문이다. 실제로 전자기력은 중력보다 수십억배의 몇 제곱이나 강하다고 할 수 있다. 중력은 큰 물체에는 적용되지만 원자와 같은 작은 입자들에게는 거의 영향을 미치지 않는 것이다.
but 아인슈타인의 이론은 1920년대 덴마크의 젊은 과학자 닐스보어가 이끄는 과학자들은 그간 물질의 최소 단위라고 여겨졌던 원자가 실은 더 작은 입자, 즉 양자와 중성자로 된 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 구성되어 있다는 사실을 밝혀내었다. 아인슈타인과 맥스웰의 이론은 원자안에서 서로 상호작용하는 이 작은 입자들을 설명하는데에는 무용지물이었다. 즉, 원자가 분리될 때 원자핵에 일어나는 현상을 어떻게 설명할 것인가에 대한 의문이 생겨난 것이다. 중력은 너무 약해서 거론할 수 없었고, 전기력과 자기력도 설명하기 무언가 부족하였다.
이를 설명할 이론을 찾던 중 1920년대 말, 물리학자들은 양자역학이라는 새이론을 발전, 미시세계를 설명하는 이론체계를 완성함. 하지만 양자역학은 기존에 자연계를 설명하는 이론을 완전히 뒤집어 엎음.
아인슈타인은 우주는 질서정연하고 예측이 가능하다고 했으나, 닐스 보어와 동료들은 원자와 소립자의 수준에서 볼 때 세계는 예측불가능한 게임의 세계라고 하였다. 원자나 양자의 차원에선 확실한 규칙이 없다는 것.
양자세계에서의 규칙은 일상과 완전히 다르다. 양자세계는 미시적인 영역이며, 이곳에서는 확률이 지배한다. 양자세계에서는 다양한 차원의 다양한 세계가 존재하며, 그 세계에서 일어날 수 있는 수천가지 이상의 가능성이 존재하고, 매 세계의 사람들은 그것을 현실이라고 생각한다.
양자역학에서는 어떠한 실험의 결과도 확실하게 알 수 없고, 오직 가능성만을 알 수 있을 뿐이라고 했다. 아인슈타인은 확률에 의지해야 하는 이런 이론을 받아들일 수 없었다.
하지만 훗날 실험에 의해 양자역학이 원자 이하의 세계를 가장 잘 설명할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.
1930년대에 들어서자 우주를 지배하는 힘은,
기존의 중력과 전자기력 외에 모든 원자의 원자핵 형태를 유지시켜 주며 양성자와 중성자를 단단하게 결속시켜 주는 힘인 '강력'과, 우라늄이나 코발트 같은 원소에서 중성자를 양성자로 변화시키는 방사능 붕괴를 일으키는 힘인 '약력' 이렇게 네가지로 밝혀졌다.
원자폭탄은 단단하게 결속되어 있는 양성자와 중성자의 결속을 깨트리고, 원자를 분리시킴으로서 엄청난 에너지가 분출된다는 강력을 응용한 무기이다.
강력과 약력은 중력이나 전자기력보다 훨씬 강력하며, 미시세계에서 뿐만이 아니라 우리의 일상에도 지대한 영향을 미친다.
양자역학은 중력을 제외한 다른 자연계의 힘이 미시세계에서 어떻게 작용하는지 설명해준다. 하지만 원자와 소립자의 세계로 내려가면 중력이 어떻게 작용할지에 대해선 아무도 알지 못했다. 또한 일반상대성이론과 양자역학을 하나로 통합하는 방법에 대해서도 아무도 알지 못했다.
아인슈타인은 양자역학의 성과에 대해 무관심했으며, 나찌 독일을 떠나 미국에 정착하여 1955년 죽을 때까지 중력과 전자기력을 통합하려는 기존의 목표에 계속 매진했다.
이후 물리학계는 양대진영으로 나뉘었는데, 한쪽은 항성과 은하계, 우주 전체와 같이 크고 무거운 대상을 연구하는데 일반상대성이론을 적용하였고, 다른 쪽은 원자와 소립자 같이 작은 물체를 연구하는데 양자역학을 이용하였다. 양자역학과 일반상대성이론을 결합하여 우주 삼라만상을 설명하는 단일이론을 만드는 건 불가능해 보였다.
통일된 이론이 나오기 전에는 절대로 이해할 수 없는 현상이 있었으니, 바로 블랙홀의 존재였다. 독일의 천문학자인 칼 슈바르츠실트가 1916년에 최초로 언급한 블랙홀은 고밀도 항성처럼 거대한 물체가 극단적인 수축을 일으키면 시공간이 뒤틀리게 되고 그 안의 중력이 무한대가 되어 심지어 빛조차 탈출하지 못한다는 것을 알아냈다.
여기서 문제는 블랙홀에 대해 설명할 수 있는 이론이 무엇인가 였다.
커다란 항성이 수축되었기 때문에 일반상대성이론을 적용할지, 아니면 작은 점으로 수축되었기 때문에 양자역학을 적용할지, 두 이론을 모두 적용할 수도 있는데 이 경우 충돌이 일어나는 것이다. 즉, 이 현상을 설명할, 다시 말해 두 이론을 통합할 새로운 이론이 요구되는 것이었다. 끈이론이 이를 대체할 새로운 이론으로 각광받고 있다.
끈이론에서는 우주를 구성하고 있는 최소단위가 점같이 생긴 입자가 아니라 끊임없이 진동하는 가느다란 끈이라고 주장한다. 끈은 어떤 목적없이 다양한 형태로 움직인다. 끈이 움직이는 형태에 따라 기본 입자의 종류가 다르다고 할 수 있다. 끈은 바이올린의 현처럼 진동한다. 각각의 음을 서로 다른 입자라고 할 수 있다.
끈이론은 서로 다른 입자들을 이해하는 방식을 통합할 수 있는 놀라운 힘을 가지고 있다. 제각기 다른 힘과 이자를 통합할 수 있는 것은 그것들이 모두 끈이라는 최소단위로 만들어졌기 때문이다.
끈이론은 기존에 설명할 수 없었던 많은 것을 설명할 수 있지만 어떻게 실험으로 검증할 것인가라는 치명적인 약점을 가지고 있다.
2부
일반상대성이론과 양자역학이 충돌하는 이유 :
일반상대성이론에서는 우주를 트램폴린, 즉 미끈한 천이라고 보며, 행성에 의해 그 천이 구부러지고 휘어지기 때문에 우리가 중력을 느낀다고 설명한다. 중력으로 인해 지구가 끊임없이 태양의 주위를 도는 것은 지구가 태양이 우주 공간에 만들어 놓은 곡선과 등고선을 따라가는 거라고 설명한다.
반면 미시세계에서는, 원자 안의 소립자보다도 작은 상태에서 본다면 끊임없이 진동하고 요동치는 무질서한 우주공간을 볼 수 있게 된다. 우주가 고요하고 평온하다는 기존의 상식이 깨질 정도로 혼란스러운 세계이다. 이 세계에서는 시공간이 너무나 왜곡되어 있어 전통적인 개념인 좌우, 상하, 전후라는 시간개념까지도 무의미하다.
=> 우주를 이루는 네가지 힘을 완벽하게 설명해줄 새로운 이론이 필요하다.
일반상대성 이론 : 중력
양자역학 : 강력(Strong nuclear force) - 원자안에서 양성자와 중성자를 결속시켜주는 힘
전자기력(Electromagnetism) - 전기력과 자기력이 합해진 힘
약력(Weak nuclear force) - 방사능의 붕괴를 일으키는 힘
원자의 분리에서부터 별의 탄생에 이르기까지 모든 사건은 이 네가지 힘이 물질과의 상호작용을 통해 일어난다. 아인슈타인은 생애의 남은 30년동안 네가지 힘을 통합하여 설명할 이론을 연구하였다.
끈이론에서는 물질의 최소 구성단위인 소립자가 가느다란 끈으로 이루어져 있다고 주장한다. (기존의 이론에서는 극도로 작은 구형이나 점으로 이해함)
끈이론의 시작
1960년대 후반, 이탈리아의 젊은 물리학자 가브리엘레 베네치아노는 강력을 설명할 수 있는 방정식을 찾고 있었다. 그러다 200년 전 스위스의 수학자 레온하르트 오일러가 처음으로 기술한 방정식을 발견하게 된다. 오일러의 방정식이 마치 강력을 기술하는 것처럼 보인다는 사실에 베네치아노는 놀라게 된다. 이 발견을 논문으로 발표하였고, 그는 굉장히 유명해지게 된다. 이 방정식은 강력을 놀라울만치 잘 설명해주었는데 이 우연한 발견이 끈이론 탄생의 신화이다.
이후 오일러의 방정식은 미국의 젊은 물리학자 레너드 서스킨드에게까지 전해졌는데 그는 이 방정식을 다락방에 틀어박혀 두달동안 연구한 끝에 이 방정식이 탄성이 있는 끈을 설명하는 것이라는 것을 깨닫게 된다. 그는 이 연구결과를 논문위원회에 제출했지만 거절당한다. 끈이론은 사장될 뻔했다.
표준모델 : 입자 사이를 이어주는 매개입자가 존재
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