EBS 다큐프라임 빛의 물리학 6부 '빛과 끈'

이번 이야기는 양자 역학 이후 현대 과학이 연구하고 있는 분야에 대한 발전 과정이라고 볼 수 있습니다.

 

 

원자보다 작은 양자의 세계는 위아래좌우개념이 없고, 시간개념도 모호합니다.

원자핵이 자리 잡고 있고 전자는 주변을 돌고 있습니다.

하지만, 전자는 어디에 있는지 알 수 없습니다.

코펜하겐의 물리학자들이 이 세계를 설명하려고 시도합니다.

그곳은 조금의 예측도 할 수 없는 불확정성으로 가득 차 있었습니다.

양자의 세계는 우리가 사는 세계와 완전 딴판이어서 물리법칙도 다릅니다.

물리학자에게는 이것이 문제였습니다.

 

그 이유는 힘이 다르기 때문입니다. 힘은 네 가지로 나눌 수 있습니다.

첫 번째 힘은 중력이며 두 번째 힘은 이 세상에 가득 차 있는 전자기력입니다.

빛은 바로 이 전자기파의 일종입니다. 나머지 힘들은 원자의 세계 내에 존재합니다.

원자핵 속 양성자와 중성자를 결속시켜주는 힘인 강력과 우라늄이나 코발트 같은 원소에서 방사능 붕괴를 일으키는 약력이라는 힘입니다.

이 네 가지 힘을 합치는 이론이 궁극의 이론이라 생각했고 전자기력, 약력, 강력의 힘을 통일시키는 이론이 완성되었습니다.

 

 

우주는 하나의 점에서 폭발합니다. 원래 하나였던 힘이 네 종류로 분리됩니다. 가장 먼저 중력이 분리되면서 우주에

충격파를 발산시킵니다. 그 다음 강력, 전자기력, 약력 순으로 순식간에 이뤄졌습니다. 네 가지 힘을 합치면 우주의 최초를 알 수 있습니다.

아인슈타인은 이 우주가 생긴 비밀을 알고 싶었습니다. 그러나 실패합니다. 그러나 통일장 이론이 반드시 필요한 사건이 발생합니다. 바로 블랙홀로 이 곳에서는 시공간이 뒤틀리고 중력은 무한대가 됩니다. 일반 상대성 이론을 적용해야할지, 양자 역학을 적용해야할지 모르는 분야입니다.

유럽입자물리연구소(CERN)는 빅뱅과 비슷한 환경을 인위적으로 만드는 것입니다.

이것은 우주가 생긴 최초를 보는 것입니다.

가장 작은 것은 최초의 한점을 찾는다는 것 그것으로 양자역학과 중력 사이의 문제를 해결할 수 있습니다.

현재 빅뱅이 일어난 후 1조초까지 거슬러 올라갔습니다.

그러나 여전히 우주가 시작되었을 때보다도 시간이 많이 지난 후입니다.

입자 가속기 내부에서 양성자는 거의 광속도까지 가속된 후 표적에 충돌합니다.

이때 튕겨져 나온 입자들 중에 새로운 것이 있는지 관찰합니다.

1970년대에 이르러 양성자, 중성자, 전자보다 더 작은 쿼크라는 물질이 나왔습니다.

이 쿼크는 현재 6종류가 있음이 밝혀졌습니다.

전자와 성질이 비슷하면서 질량이 큰 입자인 뮤온과 타우 그리고 세 종류의 중성미자까지 12종류의 입자들이 발견되었습니다.

그런데 여기서 끝이 아닙니다.

 

이 입자들을 만드는 어떤 작은 것이 있다는 이론이 나옵니다.

강력을 연구하는 도중 자연스럽게 발견된 이 이론은 점이 아니라 끈이라는 것입니다.

끈은 열린 끈과 닫힌 끈 두 종류가 있습니다. 마치 4개의 줄로 많은 음을 만드는 바이올린처럼 다양하게 진동하여 온 우주를 만든다는 이론입니다.

그러나 자연을 완벽하게 설명하는 이론은 단순하고 우아하며 한 가지여야 하지만 끈 이론은 다섯 가지나 되는 문제점이 있습니다.

이 현상을 이해하려면 먼저 차원을 이해해야 합니다.

우리가 살고 있는 곳은 3차원입니다. 이것에 시간이 추가되면 4차원이 됩니다.

그러나 여분의 차원은 6가지가 더 있어 총 10차원입니다.

이것을 이해하기 위해 호스를 예를 들어봅니다.

호스는 멀리서 보면 선입니다. 그러나 가까이서 보면 개미가 기어다닐 수 있는 둘레가 있습니다.

이런 여분의 차원은 모든 점에서 존재할 수 있습니다.

게다가 이와 같은 10차원이 5개나 됩니다.

이것을 쉽게 해결한 방법이 11차원입니다.

5개의 10차원의 공간이 11차원에서는 한 개가 됩니다. 이것이 ‘M이론’이라는 새로운 이론입니다.

 

끈 이론이 과연 우리 질문에 마지막 해답이 될 수 있을까요?