엘러건트 유니버스 the elegant universe

엘러건트 유니버스 the elegant universe

초끈이론과 숨겨진 차원, 그리고 궁극의 이론을 향한 탐구 여행

 

브라이언 그린 지음

박병철 옮김

 

 알버트 아인슈타인 Albert Einstein 이 시도했지만 끝내 성공하지 못했던 통일장 이론 unified field theory 의 모습은 어떤 것일까? 현대의 이론물리학자들이 제시하는 대통합이론의 하나인 초끈이론 Superstring theory 의 세계로 들어가 보자.

브라이언 그린은 미국의 컬럼비아 대학에서 이론물리학을 연구하고 있는 교수이자 여러 저술을 통해 현대 이론물리학의 성과를 알리고 있다. 박병철은 물리학자이자 번역가로 활동하고 있다.

1부 지식의 변두리에서

제1장 끈 String으로 단단히 묶다

 

2부 시간과 공간, 그리고 양자의 딜레마

제2장 시간과 공간, 그리고 관찰자의 눈

제3장 뒤틀림 Warps과 굴곡 ripples

제4장 불가사의한 미시세계

제5장 새로운 이론의 필요성이 대두되다: 일반상대성이론 대 양자역학

 

3부 우주의 교향곡

제6장 그것은 그냥 음악일 뿐이다: 초끈이론 Superstring Theory의 본질

제7장 초끈 Superstring의 ‘초Super’란 과연 무슨 뜻인가?

제8장 눈에 보이는 것 이상의 차원을 찾아서

제9장 실험적 증거들

 

4부 끈이론과 시공간의 구조

제10장 양자기하학 Quantum Geometry

제11장 공간찢기 Tearing the Fabric of Space

제12장 끈이론 이상의 이론: M-이론 M-Theory을 찾아서

제13장 끈/M-이론의 관점에서 본 블랙홀

제14장 우주론 Cosmology

5부 21세기 통일이론

제15장 앞으로의 전망

 

1부에서는 끈이론이 등장하게 된 배경을 설명한다. 이 책의 서론인 셈이다.

현대 물리학의 두 이론적 기둥은 일반상대성 이론 general relativity 와 양자역학 quantum mechanics 이다. 각각의 이론은 방대한 스케일의 우주와 소립자 세계를 잘 설명해 왔다. 자연계에 존재하는 네가지 힘 (전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력, 중력)을 하나의 일관된 이론의 틀로 풀어내는 것은 물리학자들의 꿈이다. 모든 것의 이론 theory of everything (T.O.E) 은 그 자체로 큰 의미가 있지만 더 절실한 현실적인 이유가 있다. 중력을 기술하는 일반상대성 이론이 블랙홀 등 미세크기의 거대질량체를 제대로 서술할 수 없는 문제가 나타났기 때문이다. 20세기의 위대한 물리학의 성취인 상대성 이론과 양자역학이 또다른 벽에 부딪혔다. 양자역학적인 세계에서 중력을 제대로 설명하기 위한 이론이 필요해진 것이다.

현대 이론물리학자들은 끈이론 String theory으로 돌파구를 모색하고 있다. 끈이론에서는 입자물리학의 표준모형에서 제시하는 물질의 최소 기본단위인 쿼크와 렙톤에서 더 나아가, 물질의 기본단위가 끈이라고 제시한다. 이론 물리학자인 에드워드 위튼 Edward Witten은 끈이론을 21세기형 물리학이라고 말한다. 이 책은 21세기 물리학 혁명과 그에 따른 우주관의 전환을 불러올 수 있는 끈이론을 알기 쉽게 설명하기 위한 목표를 가지고 있다.

2부에서는 왜 끈이론이 필요하게 되었는 지를 좀 더 자세하게 풀어내고 있다.

특수상대성 이론을 통해 시간의 개념에 혁명이 일어났다. 변하지 않는 것은 빛의 속도이며 시간과 공간은 그에 따라 변할 수 있는 것이 된 것이다. '등가원리 equivalence principle, 중력은 가속운동과 완전하게 동일하다' 와 휘어진 시공간으로 중력을 설명하는 일반상대성 이론이 등장한다. 일반상대성 이론으로 블랙홀과 빅뱅 그리고 팽창하는 우주까지 설명해 낼 수 있게 되었다. 우리의 우주관이 완전이 달라지게 되었다. 미시세계에서는 양자역학이 등장하고 현대적으로 발전하게 된다. 양자장이론 quantum field theory (QFT), 게이지 대칭성, 현재의 입자표준모형이 확립된다. 그러나 거시세계의 중력이론과 미시세계의 양자이론은 양자적 요동현상때문에 미시세계에서 불일치하는 현상이 나타났다. 중력과 양자역학을 동시에 설명할 수 있는 이론이 필요하게 된 것이다.

3부에서는 끈이론의 탄생과 발전과정을 다룬다.

중력과 양자역학을 통합하기 위해서 입자표준모형의 점입자 개념에서 끈 string 이라는 더 작은 기본단위가 도입된다. 이 기본 끈의 진동 형태가 네가지 물리학의 힘과 표준모형의 기본입자로 나타난다. 끈이론이 물리학의 네가지 힘과 입자를 설명하는 방식이다. 끈이론은 1968년 제안되었지만 주목을 받지 못하다가 1974년 이론적 기반을 확장하고 1984-1986년 그린 슈바르층에 의해 일어난 1차 끈이론 혁명, 1995년에 위튼에 의한 2차 끈이론 혁명을 거치면서 현재의 모습을 갖추게 된다. 끈이론에서 얘기하는 초대칭성supersymmetry과 초대칭짝, 칼루자-클라인 이론에서부터 시작된 고차원의 도입, 끈이론을 설명할 수 있는 실험적 증거의 문제까지, 되로록 쉽게 끈이론의 등장과 발전과정을 설명한다.

4부는 현대의 끈이론에 대한 소개이다.

다양한 끈이론의 변종과 그 변종들을 아우르는 M  이론 M-theory, Symmetry-duality를 이용한 이론간의 검증, 끈이론을 실제 적용했을 때 블랙홀을 어떻게 설명할 수 있는 지, 블랙홀의 엔트로피에서부터 다중우주 multiverse까지, 끈이론이 제시하는 우주의 모습을 다룬다. 

5부는 결론과 전망이다.

아직 풀리지 않는 우주의 기본 원리, 시공간의 정체와 끈이론이 양자역학의 체계를 바꾸어 놓을 수 있는가 하는 질문을 던진다. 그리고 끈이론에 대한 비판-실험적으로 검증이 현재로서는 불가능하다는 점에 대해서는 우주의 관찰을 통한 초대칭짝의 발견이나 LHC의 가동을 통한 검증의 가능성을 제시한다.

끈이론은 아직도 불완전한 부분이 많고 끈이론이 시도하는 우주론도 초기 단계라고 지은이는 말한다. 끈이론이 고전역학이 양자역학으로 대체되었듯이 양자역학을 대체하게 될 지는 아직 모른다. 근본적인 질문도 여전히 존재한다. 우주에 궁극적인 이론이 있어야 하는가? 인간은 자연현상을 논리적으로 설명하기 위해 끊임없이 물리학적인 이론을 만들고 실험을 통해 검증해 왔다. 끈이론의 성립과 발전도 이러한 인간의 이성적 노력의 과정이다. 세계를 모순없이 이해하려는 인간의 과학적 여정에는 물리학의 발전과 함께 수학의 발전도 필요하다. 어쩌면 인류가 이룩한 또는 이룩할 지식의 모든 부분이 필요할 수도 있다. 궁극의 대통합이론 Grand unified theory 이 존재하지 않더라도 인간의 세계를 향한 과학적 모험은 계속될 것이다.

수학의 도움 없이 현대물리학을 이해라는 것이 가능할까? 수학 없이 현대물리학의 성립과 끈이론의 내용을 전달하고자 하는 지은이의 노력에 경의를 표한다. 이 책 하나로 끈이론을 이해하려고 하면 안 될 것이다. 현대물리학의 성과를 동시대 물리학자의 글을 통해 맛볼 수 있음에 의미를 두자. 지난 10년간의 끈이론 발전의 성과를 다시 책으로 만나볼 수 있기를 기대한다.