만물은 무엇으로 이루워져 있는가 - 초끈이론

초끈이론(superstring theory) 이란, 우주를 구성하는 최소단위를 연속해서 진동하는 끈으로 보고 우주와 자연의 원리를 밝히려는 이론으로서 1970~80년대에 미국의 물리학자, 존 슈워츠 와 영국 퀸 메리 대학의 마이클 그린 등이 발전 시킨 이론이다. 초끈이론은 우리가 사는 이 공간은 11차원으로 존재하고 있고, 이 세상의 모든 만물은 끈으로 이루어져 있다는 것이다. 즉, 우주의 구성 요소 하나하나 가 고유의 진통패턴을 갖고 있는 '끈' 이라는 관점에서 시작한다고 말하고 있다. 그렇다면 초끈이론은 어떠한 배경에 의해서 생겨났고, 구조와 문제점에 대해서 알아보자

만물은 무엇으로 만들어져 있는가?

고대 그리스 철학자들로 부터 오랫동안 제기되어 왔던 물음이다. 우리 세상은 무엇으로 이뤄져 있으며 우리가 사는 자연계에 일어나는 상호작용을 관통하는 원리는 무엇인가. 이 물음은 인류가 늘 고심해 왔고 연구를 거듭해오지만 여전히 풀리지 않는 수수께기 이다. 이런 수수께기 를 풀기 위해 과학자들은 연구를 거듭하였고 자연계에 존재하는 힘, 중력과 전자기력 그리고 약력과 강력을 통합하여 설명하는 이론을 만들기 위해 노력했다. 

일반상대론과 양자역학의 모순

시공간과 중력의 원리를 설명하는 상대성 이론을 적용을 하면 태양 주위를 도는 지구의 운동, 먼 우주에 있는 별이 비추는 빛의 경로 등을 정확하게 기술이 가능하다. 따라서 상대성 이론이 보여주는 거시세계는 연속적으로 이뤄져 있고, 비교적 예측 가능한 세계라 할 수 있다. 하지만 원자 이하의 미시세계를 다루는 양자역학 에서는 전혀 다른 이론을 적용해야 했다. 거시세계와는 반대로 미시세계에서는 우리가 일상생활에서 연속적인 양으로 생각했던 것들이 사실은 불연속적인 것들로 기술되고 입자와 파동이라는 두 가지 속성을 동시에 가지며 물체의 속도와 위치를 정확히 측명하는데 한계가 있기 때문에 미시세계에서는 불연속적이고 예측이 불가능한 세계라 할 수 있다. 

초끈이론의 부상

초끈이론이 등장하기 전에는 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학이 절대적인 위치를 차지하고 있었다. 미시적인 입자들을 불확정적인 확률로 기술하는 양자역학으로는 거시적인 우주의 모습을 기술할 수 없다는 한계에 봉착하게 되었고, 현대 물리학의 근간을 이루는 이 상대성이론(거시세계)과 양자역학(미시세계)이 서로 대치되어 충돌을 일으키게 되면서 문제가 되었다. 이를 배경으로 하여 거시적인 연속성과 미시적 불연속성 사이에 존재하는 모순을 해결하기 위해 초끈이론이 새롭게 주목을 받게 된다. 

초끈이론의 기본 개념은, 우주의 만물이 소립자나 쿼크 같은 기존 단위보다도 작은 구성 요소가 '진동하는 가느다란 끈' 으로 이뤄져 있다고 정의하는 것이다. 우리가 얘기하는 중력, 전자기력, 약력, 강력 등의 4가지 자연계에 존재하는 힘 들의 기본 단위를 '소립자' 라 부르고, 이런 소립자들은 내부구조가 없는 '점입자'로 생각하였다. 하지만 소립자는 끈이 진동하면서 만들어내는 특별한 파동으로서 양자역학의 입자와 파동 이라는 이중성에 따라서 입자로 해석을 한 것이다. 그러므로 자연을 이루고 있는 궁극의 요소가 점입자가 아니라 '가느다란 끈' 이라는 논리에서 일반 상대론의 양자적 기술이 가능 하다는 얘기다. 

초끈이론의 구조와 과제

10차원에서 존재하는 초끈이론은 모두 5가지 이며, 이 모두가 중력을 매개하는 중력자를 끈으로 포함하고 있기 때문에, 일반 상대론과 양자역학의 결합이 자연스러워 진다. 이런 10차원의 초끈이론을 우리가 살고 있는 4차원의 물리학 과 연결 시키려면,  4차원의 시공간을 얻기 위해서 나머지 6차원을 아무 작게 만들어야 한다. 여기서 많은 물리학자가 문제를 제기 하는 것은, 나머지 6차원의 공간 가능성이 너무 많고, 또한 이 가능성 중에 왜 특정한 경우를 택해야 하는 가에 대한 답을 찾지 못한다는데 의문점은 남아 있다. 

20세기 가장 큰 업적을 이룬 현대 물리학의 기둥인 양자역학과 일반상대론의 이 성공적 통합은 지금까지도 아주 중요한 문제로 남아 있으며, 이는 최근 천체물리학의 근복적인 측면 뿐아니라 실제적인 측면에서도 그 중요성은 날로 커지고 있다. 초끈이론은 완성된 이론이 아니며 어떻게 보면 이제 겨우 첫 걸음마를 땐 현재 진행형 상태에 있다고 볼 수 있다. 아직까지도 이론을 온전히 기술하는 방법이 미미한 상태고, 앞으로도 수많은 이론적, 실험적 테스트를 통과해야 하는 과제도 앞두고 있다. 먼 훗날엔 우주의 최소단위인 끈이 시간의 변화에 따라 어떤 특성을 가지는지, 우주가 어떤 성장을 거치고 있는지 관련해서 입증할 수 있는 연구 성과들이 나와 완전한 이론으로 거듭날 수 있길 기대해 본다.