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'10차원 혹은 11차원의 세계' 신기한 초끈이론

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 우리가 존재하는 세상은 3차원인 공간에 시간이 더해져 '4차원'으로 이뤄져 있는데요.

하지만 초끈이론에 의하면 4차원이 아니라 10차원 혹은 11차원이라고 설명합니다.

새로운 차원은 어디에, 어떻게 존재하는 것이며 그 바탕에 있는 초끈이론이란 무엇일까요? 그 궁금증에 대해 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

우리가 사는 세상에는 보이지는 않지만, 서로가 서로에게 작용하는 네 가지의 힘이 존재합니다.

질량을 가진 물체가 서로를 끌어당기는 힘인 중력, 전하의 상태에 따라 서로 끌어당기거나 반발하는 힘인 전기력과 자성에 의해 발생하는 힘인 자기력을 통칭하는 전자기력, 중성자가 양성자로 붕괴하면서 개입하는 힘인 약한 상호작용력과 페르미 길이라고 불리는 10^-15㎡의 아주 작은 공간에서 발생하는 강한 상호작용력이 바로 그것들이죠.

이러한 네 가지의 힘은 조건과 상황에 따라 우리가 알고 있는 힘들인 마찰력, 수직항력, 양력, 부력 등 여러 형태를 만들어줍니다.

다시 말해서, 이 네 가지 힘들은 세상을 존재하는 모든 물질의 상호작용을 이해하는 데 쓰인다는 의미이기도 합니다. 여기서 좀 더 이 힘들을 연구하는 학문에 대해 살펴보겠습니다.

전자기력은 현재 특수상대성이론과 양자장론에 의해 양자전기역학이라는 학문으로 연구가 진행되었습니다. 강하고 약한 상호작용력, 이 2가지 힘은 양자 색역학이라는 학문으로 그 비밀이 어느 정도 해결되었죠.

이 큰 2가지 이론을 총체적으로 설명하는 모형이 바로 Standard model 즉, 표준모형이라고 불리는 모형입니다. 그리고 마지막으로 중력을 설명하는 아인슈타인의 역작 일반상대성이론이 있습니다.

과거 아인슈타인은 우주를 구성하는 4개의 힘을 전부 하나의 원리로 통합시키고자 했고, 그 때문에 자신의 일생이 다 하는 순간까지 이 과제에 열정을 쏟아붓게 됩니다. 그러나 모두 알다시피 그는 꿈을 이루지 못하고 우리 세대에 그 숙제를 남기게 되었죠.

이러한 힘의 근본에 관한 연구와 그 힘을 하나로 묶으려는 시도는 세상을 설명하려는 단 하나의 방정식을 찾고자 하는 물리학자들의 염원이 담긴 시도인데요, 이러한 이론을 TOE – Theory of Everything 모든 것을 설명하는 이론이라고 칭합니다.

이러한 염원 속에서 탄생한 이론이, 이제는 문화와 예술 속에서도 자주 등장하는 단어, 초끈이론이라고 불리는 이론입니다.

초끈이론은 만물을 구성하는 우주의 가장 기본적인 구조는 점 (입자)이 아니라 스파게티면 같은 가느다란 끈이라는 것입니다.

이 이론은 세상을 9차원의 공간과 1차원의 시간이 결합한, 즉 10차원의 시공간으로 설명하며 끈의 끝 부분이 처음 부분과 맞닿아 있는 닫힌 끈과 끈의 처음 부분과 끝 부분이 어떠한 면에 붙어 진동하는 형태인 열린 끈이 모든 입자의 근원 상태라고 이야기했습니다.

끈은 파동의 성질을 보여주기 때문에, 여러 상태를 만들 수 있습니다.

정상파의 진동 모드가 바로 그것인데, 좀 더 쉽게 설명하자면, 끈은 자신의 특정한 상태에서 만들어낼 수 있는 여러 진동의 형태가 이미 정해져 있으며, 그러한 형태로 진동하면서 나타나는 표상이 우리가 사는 세상에서 입자로 표현된다는 뜻입니다.

앞서 설명들인 TOE 있죠? 모든 것을 설명하는 이론! 현재까지 물리학은 전자기력과 강력, 약력을 통합하는 표준모형을 제시했습니다.

그러나 이 표준모형이 설명할 수 없는 단 하나의 힘, 중력을 포괄할 수 없다는 치명적인 한계를 가지고 있었죠.

그러나 이 초끈이론을 통해 표준모형의 근간인 양자역학의 방법을 중력에 적용하여 이 중력까지 양자화시킬 수 있게 됩니다.

다시 말해, 표준모형과 일반상대성이론을 하나로 통합시킬 수 있다는 것이죠.

이렇게 되면, 세상에 존재하는 모든 근원적인 힘들이 단 하나의 모형으로 설명이 되는 놀라운 일이 일어나게 됩니다. 만물의 근원을 깨닫게 되는, 즉 인간이 신의 영역으로 발을 들이는 최초의 한 걸음이 된다는 이야기죠.

이 궁극적인 희망이 바로, 초끈이론의 존재 이유입니다. 간단히 정리하자면 표준모형에 일반상대성 이론을 통합시키기 위한 연결 다리인 것입니다.

하지만 이 초끈이론은 치명적인 단점이 있기 때문에 물리학계 내에서 상당히 논란의 여지가 많았다고 합니다.

물리학적인 이론이 합리적이고 정합적인 이론으로 인정받기 위해서는 그 이론을 바탕으로 현실에서 가설의 생성과 실험이 이루어지고, 그 가설이 검증되어야 합니다.

아인슈타인의 일반상대성이론이 에딩턴의 일식 관찰을 통해 입증된 것처럼 말이에요.

하지만 끈 이론은 현재 우리가 사는 세상에서 볼 수 있는 실험적, 관찰적 예상을 단 하나도 내놓지 못했습니다. 옳은지 틀린 지 검증 자체가 불가능한 이론이라는 의미인 것입니다.

그러나 이러한 문제들은 어디까지나 기술적인 문제들이고, 이론이 길을 닦은 학문에는 그를 증명하기 위한 실험이 언제든 진보할 수 있기 때문에 우리는 이 이론에 대해 좀 더 큰 기대를 걸 수 있을 거라고 생각합니다.

그리고 놀랍게도, 현재 간접적으로나마 끈 이론을 검증하려는 시도가 계획되고 있습니다.

끈 이론의 사실 여부, 과연 끈 이론이 살아남을 수 있을 것인가, 아니면 과학계의 저편으로 사라지게 될 것인가는, 앞으로의 미래 세대가 풀어나가야 할 숙제이지 않을까요?

오늘은 듣기만 해도 신기한 느낌을 주는 과학 이론, 초끈이론에 대해서 알아봤습니다.

아직 검증된 것은 아무것도 없지만, 가능성을 찾아 노력하려는 그 자세까지 비난할 수는 없을 것 같습니다.

초끈이론에 대해서 앞으로의 과학계가 어떤 진로를 선택할지 상당히 궁금해지는데요. 궁금한 S도 과학적 진보의 소식들을, 계속해서 여러분에게 흥미롭고 재미있게 전달할 수 있도록 항상 가까이에 있을 테니까요, 계속 기대해주세요!

그럼 <궁금한 S>도 이만 인사드릴게요~

과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 사이언스 투데이 페이스북에 댓글을 남겨주세요. 이상 <궁금한 S>였습니다!
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