이론 물리의 진수 - 10차원 세계로의 여행
차원(次元)[명사]
1: 한 방향의 치수. 2: 입자의 위치를 나타내기 위해 필요한 변수의 수. 3: 공간의 속성 또는 한 방향으로의 확장과 관련된 시공 연속체
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다음 내용이 터무니없거나, 모호하거나 완전히 다른 나라 말처럼 들리더라도 걱정할 필요가 없다. 사실이기 때문이다. 독자들은 아마 머리가 아플 지경일 것이다(나 역시 그랬던 것처럼). 뭐, 이 일을 직업으로 삼는 사람들이야 말할 필요도 없을 테고 다음 내용은 일상생활에서 부딪히는 경험의 기초, 즉, 커피 잔을 내려놓는 것에서부터 장외 홈런이 그려내는 시원한 포물선에 이르기까지 모든 사물을 이해하는 사고의 토대에 완전히 역행하는 발상을 요구하고 있다.
이 글의 핵심은
우리가 경험하는 사소하면서도 중요한 모든 일들이 환상일 뿐이라는 것이다(다음 내용은 절대 비현실적인 억측이 아니다. 오히려 오늘날 의식 있는 수많은 물리학자들의 연구 내용이다). 왜 그런 것일까? 우리가 경험하는 모든 일들을 3차원의 공간(위-아래, 왼쪽-오른쪽, 앞-뒤)에서 일어나는 것으로 이해하기 때문이다. 하지만 실상은 그렇지 않다. 모든 일들은 3차원 이상의 공간에서 일어난다. 3차원으로만 사물을 보는 것은 이 세계가 지속적으로 우리에게 사용하고 있는 속임수에 속아 넘어가는 것이다.
여러분이 알고 있는 공간은 가짜다. 다음 내용은 개략적인 진실, 또는 적어도 공간의 진실에 대한 여러 가지 개념을 보여 준다. 이 세계에 존재하는 여분의 차원에 대해 정해진 한 가지 형태는 없으며 모든 물리학자들이 동의하거나 컴퓨터로 만들어낼 수 있는 정의가 있는 것도 아니다.
안타깝게도 이 세계는 그렇게 단순하지 않다. 이런 여분의 차원 형태에 대해서는 적어도 두 가지, 또는 세 가지 서로 다른 이론이 존재한다. 그리고 그 각각의 이론에서도 여분의 차원의 특정한 형태(그 모양이 게리방식 인지 아니면 반듯한 못인지)는 밝혀내지 못하고 있다. 그렇다고 해서 너무 겁먹지는 말자. 자, 그럼 시작해보도록 하자.
우주 가설 유형 일반적인 3차원의 모든 지점에 시간 차원과 6차원의 칼라비-야우 다양체가 존재하는 10차원의 우주
훌륭한 질문 #1: 도대체 칼라비-야우 다양체가 무엇인가?
제시 가능한 해답 #1: 칼라비-야우 다양체는 6차원이기 때문에 구체적으로 형상화하는 것은 거의 불가능하다. 어쨌든 한번 시도해 보도록 하자. 칼라비-야우 다양체는 굽거나 뒤틀리거나 접힌 부분이 복잡하게 얽힌 뫼비우스의 띠와 같은 형태로 유클리드 기하학을 완전히 무시하며 순환된다는 점을 제외하면 둥글게 뭉친 종이와 같다고 할 수 있다. 칼라비-야우 다양체에는 직선이 존재하지 않는다. 나는 이 다양체 내에 들어간 나 자신을 상상해 보았다.
그것은 어느 방향의 어떤 위치에나 자신이 비치는 거울이 있는 아주 흥미로운 집과 같을 거라고 생각한다. 따라서 자신의 뒷모습을 정면으로 바라볼 수도 있을 것이다. 다만 칼라비-야우 다양체에는 거울이 존재하지 않는다. 단지 공간 그 자체만 존재할 뿐이다. 즉, 거울이 없어도 자신의 뒷모습을 정면으로 바라볼 수 있고, 또한 이론적으로, 그 뒷모습을 향해 야구공을 던지면 2초 후에 자신의 등뼈를 때리게 된다. 야구공은 마치 롤러코스터처럼 6차원의 공간을 날아 내 등을 때리게 되는 것이다. 칼라비-야우 다양체 참으로 기이하지 않은가?
초현실 세계는 수학으로 푼다다시 한번 말하지만 내가 이러한 가설을 만들어 낸 것이 아니다. 난 단지 독자 여러분에게 천재들로부터 들은 얘기와 과학 연구 자료나 학회에서 얻은 지식을 되도록 이해하기 쉽게 전할 뿐이다. 내 시도는 아마도 헛되고 부정확할 것이다. 수학이 아닌 영어(언어)로 설명하고 있기 때문에 과학자들이 여분의 차원에 대해 이야기할 때는 영어의 사용을 피한다. 영어는 우리가 매일 경험하는 시공간과 현실을 반영하기 때문에 이런 시공간과 현실에 대한 우리의 오해와 부정확성을 고스란히 담고 있다. 따라서 과학자들은 어떤 수의 차원이나 공간, 또는 초현실적이고 비물리적인 상황에 대해서도 그 개념과 용어를 쉽게 일반화할 수 있는 수학으로 이야기한다.
수학자들이 원과 구의 차이를 어떤 방식으로 설명하는지 한번 살펴보자. 수학자에게 있어 원과 구는 본질적으로 같다. 즉, 두 가지 모두 하나의 점으로부터 일정하게 배열된 점의 집합이라는 것이다(이 점에 대해서 잠시 생각해보자. 한 장의 종이 위에 점을 찍은 다음 그 점에서부터 정확히 1인치 거리에 있는 모든 위치에 점을 찍으면 원이 된다. 구도 마찬가지다. 단지 3차원상의 모든 위치에 점을 찍어야 한다는 것만 다를 뿐이다).
수학자들은 원을 1차원 구라 부른다. 적절하게 구부러진 1차원의 선으로만 이루어지기 때문이다. 또한 수학자들은 실질적인 구를 2차원 구라 부른다. 구를 만들기 위해서는 2차원의 면이 필요하기 때문이다. 수학자들에게 있어 1차원 구와 2차원 구의 차이는 그다지 크지 않다.
오히려 그들은 어떤 수의 차원이든 될 수 있는 n차원 구를 즐겨 연구한다. 3차원 구가 어떤 모습일지 상상할 수는 없지만 아마 4차원 상에 존재할 것이다. 3차원 구의 형태를 영어나 일어, 라틴어로는 설명할 수 없지만 수학자들은 이를 설명할 수 있는 유일한 언어인 수학을 사용하여 정확하게 설명한다. 주석: 일반적으로 반지름 1의 n차원 구는 수식 (수식 정확히 안보임)으로 설명된다.
나는 콜롬비아 대학 석사 과정에서 브라이언 그린 교수로부터 이러한 사실을 배웠다. 그는 끈이론의 일반화에 큰 업적을 남겼으며, 이 끈이론은 이 세계가 10차원이라는 사실을 전제로 하고 있다(사실, 최근 발전된 끈이론에서는 아직도 여분의 차원이 존재하며, 따라서 세계는 11차원으로 이루어져 있다는 가설이 제시되었다.
10차원을 전제로한 끈이론이 여분의 차원은 무한한 수의 아주 작은 루프로 뒤틀려 있기 때문에 눈에 보이지 않는다. 하지만 머리에서 쥐가 나는 것을 막기 위해 여기서는 10차원까지만 생각하도록 하자). 대학원 시절 나는 물리학의 철학적 기초에 대한 석사 학위 취득을 준비 중이었다. 그 전공 강의는 내가 들은 것 중 가장 어려운 것이었으며 3주가 지난 후에도 나는 강의 내용 중 겨우 일부만 이해할 수 있었다.
차원에 대한 내용은 2주차 강의 내용이었던 것 같다. 강의는 미분기하학 세계로 떠나는 1년 여정의 긴 여행이었다. 미분기하학에 대해 내가 말할 수 있는 건 그것이 n차원(여기서 1, 2 또는 12,497 등 n은 어떤 수도 될 수 있다.)상에서의 표면과 공간의 특성에 대해 다루는 추상기하학이라는 것 뿐이다.
8주차쯤에 우리가 일반상대성 이론의 기본식을 유도했다고 그린 교수가 말했을 때(우리는 전혀 몰랐지만)를 제외하고는 쉼 없이 계속된 수업 과정의 핵심은 끈이론의 기본 개념을 소개하는 것이었다.
끈이론과 우주론의 교차점요즘 나는 매일 계속되는 잡지 기사 작성으로 바쁜 나날을 보내고 있다. 내 끈 이론은(내가 나름대로의 끈이론을 가지고 있다면) 조금 낡은 이론이라 할 수 있다. 하지만 다양한 수준의 이론 물리학의 지옥에서 나를 이끌어 준 구세주를 만날 수 있었던 건 천행이었다. 브라운 대학에서 끈이론을 연구하는 학생이었던 서브도 파틸(난 그를 서브라고 불렀다)은 끈이론에 대한 내 관심과 동시에 내가 겪고 있는 혼란을 잘 이해했던 좋은 안내자였다.
그는 나를 마치 점성가와 예언자로 가득한 여덟번째 지옥과 같은 세컨드 노스이스트 끈 우주론 연구회로 초대했다. 콜롬비아 대학의 강의실에서 이 천재 학도들은 끈이론과 우주론(우주에 대한 연구)의 교차점에 대해 이야기한다.
휴식 시간마다 난 서브로부터 토론 내용에 대해 설명을 들어야 했지만 서브 자신도 가끔 내용을 이해하지 못할 때가 있다는 말에 용기를 얻었었다. 이 분야는 개인이 혼자 모든 내용을 이해하기에는 너무 광범위하고 수준이 높다.굳이 연구회를 거절할 이유도 없지 않은가? 우리가 끈우주론 워크샵 참가했던 이유는 끈이론이 소립자 물리학(미세 입자에 대한 연구)과 우주론에 모두 큰 희망을 안겨 주기 때문이다.
두 분야 모두 문제를 안고 있다. 여기서 “문제”라는 건 물리적인 세계에 대한 무지의 골이 너무 깊다는 것이다. 또한 두 분야 모두 최근에 발견된 우리가 이해하지 못하는 사실들을 과제로 안고 있다. 그 모든 문제를 (수학적 계산을 위해 10차원의 존재를 절대적인 전제로 하는) 끈이론이 해결해 줄 것으로 기대하고 있다.
문제점:현대 물리학이 잘못되었거나 거짓이거나 정확하지 않다는 게 아니다. 모든 이들이 이해할 수 있는 거의 모든 경우에 물리학이 제공하는 인과적이며 통계적인 설명은 완벽하다. 물리학이 때로 시간이 느리게 흐를 수도 있다고 예언했다. 그리고 우리는 실험을 통해 그것이 사실이며 그 수치도 정확하다는 것을 밝혀냈다. 물리학이 서로 멀리 떨어져 있는 두 입자가 순간적으로 서로에게 영향을 줄 수 있다고 말했다. 그리고 약 50년 후 우리는 그 사실을 확인할 기술을 얻게 되었고 이 또한 사실임이 증명되었다.
현대 물리학을 통해 지금까지 물리학으로 증명 또는 이해할 수 없었던 이 세계의 복잡하고 미세한 부분을 밝혀낼 수 있다. 심우주(深宇宙)의 진공 상태를 예로 들 수 있다.
현대 소립자 물리학에 따르면 그 진공의 공간은 비어 있는 것이 아니다. 지속적으로 생성 및 소멸을 반복하는 무수한 원자구성 입자들로 소용돌이 치고 있다. 양자 구조의 불안정성 덕분에 이 입자들이 짧은 생을 계속 반복하고 있는 것이다. 그리고 최근 실험을 통해 이 새롭고 놀라운 세계가 실제로 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 이렇듯 현대 물리학은 우주를 이해하는데 있어 가장 강력한 도구가 된다. 그러나 잘못된 것도 사실이다.
뭐, 약간 과장된 면이 있긴 하지만 이론적인 물리학은 분명히 몇몇 경우에 (표면상으로는) 작은 문제점들을 가지고 있다. 중간자가 자성을 띄는 순간(자세한 건 묻지 말라)은 0.00005%의 확률로 예외의 경우가 존재한다. 또한 sin2 w(별로 필요는 없지만 어쨌든 “사인 제곱 세타 더블유”라고 읽는다)라는 예측 수식 값은 1%의 확률로 다르게 나타난다.
아, 예외의 경우가 또 하나 있다. 이것은 작은 문제가 아니다. 사실 총 에너지라는 관점에서 보면 이것은 전 우주에서 가장 큰 물체로서, 지금까지 우주에서 발견된 모든 행성과 은하, 블랙홀, 양자 및 전자를 모두 합친 것보다 14배나 큰 에너지를 가지고 있다. 시간이 지나면 우주에 존재하는 모든 물체를 분해 시킬 만큼 강력한 에너지를 얻게 된다. 아직 그것이 무엇인지는 모른다.
사람들이 그 정체(보통 큰 에너지를 가지고 있고 베일에 쌓여 있다는 의미로 다크 에너지라 부른다)를 밝혀내려는 시도를 하지 않은 것은 아니다. 그러한 시도들이 어처구니없이 잘못되었기 때문이다. 어떻게 잘못되었을까?
이러한 절대적인 오류는 거의 찾아내기가 힘들다. 반일반(??? ) 물체에 이르기까지 폭 넓게 연구하다 보면 그 크기의 결과는 120가지로 다르게 나타난다. 따라서 연구는 불가능하다. 그 크기의 차이는 물방울과 지구상의 전체 대양의 차이보다 크다. 또한 양자와 관측 가능한 우주의 크기 간의 차이보다 크다.
그렇다고 해서 계산상에 어이없는 실수가 있었던 건 아니다(1을 빠뜨린다던가 하는). 오히려 많은 사람들이 계산을 확인했지만(내가 직접 해본 적은 없다) 이론상의 예측과 실제 우주에서 나타나는 현상의 차이는 해결하지 못했다.
(사실 물리학자들은 자신이 이론이 “틀린” 것이라기보다 “미완성”이라고 말하는 경우가 많다. 자신들의 이론이 우주상에 존재하는 모든 사물의 99.999999%는 설명할 수 있다고 확신하기 때문이다. 즉, 0.0000001%라는 아주 작은 부분만 설명하지 못하는 것이다. 뛰어난 사람들이 우리가 눈으로 확인할 수는 없지만 우주에는 6개, 4개 또는 2개의 여분의 차원이 존재하고, 우주는 우리가 생각했던 것과는 달리 끈으로 이루어져 있으며, 전 우주상의 모든 존재를 합한 것보다 14배나 강력한 신비한Borgian 반인력이 존재한다고 말하면서 완전히 새로운 공간 및 시간 체계를 만들어 이 0.0000001%를 해결하려 시도하는 것을 볼 때면 나는 생각했던 것보다 문제가 더욱 심각한 게 아닌가하는 생각이 든다. 이는 완성된 집에 침실을 하나 추가하는 것이 아니라 집을 허물고 세금이 싼 다른 주에 다시 짓는 것과 같다.)
현대 물리학 이론이 끈이론을 포기하지 않고 있지만 여전히 모든 것을 제대로 설명해 주지 못한다면 뭔가 완전히 다른 이론을 찾아 보아야 하지 않을까
우주 가설 유형
우리가 아는 우주는 4차원 공간상에 떠있는 3차원의 브레인(Brane)에 불과하다.
훌륭한 질문 #2: 도대체 브레인이 무엇인가?
제시 가능한 답 #2: 브레인에 대해서 간략하게 정리하면 다음과 같다.
일반적으로 브레인 이론(Brane theory)이라 불리는 이 이론은 1998년에 처음 제기되었다. 이는 이론 물리학의 기준으로 봤을 때 상당히 최신 이론에 속한다(사람들은 다양한 형태의 끈이론을 30년 동안이나 연구하고 있다).
이 이론을 발견하여 유명해진 세 명의 과학자 중 니마 아카니햄드는 버클리에서 박사학위를 갓 취득한 25살의 신참 과학자이다. 지금 그는 하버드 대학 물리학부의 교수로 재직 중이다. 정말 천재다. 그와 사바스 디모폴로스, 지아 드발리라는 동료들은 장장 수십 년 동안 그 해결을 위해서는 새로운 차원을 만들어내는 수 밖에 없다는 것을 알아차린 과학자들을 혼란에 빠뜨려 온 문제를 연구 중이다.
모든 천재적인 과학들을 그렇게 오랫동안 괴롭혀 온(그리고 지금도 여전히 그들을 혼란에 빠뜨리고 있는- 내가 여기서 설명하고 있는 이론은 아직 전혀 실험으로 증명된 바 없다) 문제의 정체는 바로 “중력이 약하다”는 것이다.
반론 #1: 말도 안 된다. 중력은 우주에 존재하는 가장 강한 힘이다. 우리를 지표에 서 있도록 하는 힘이라는 건 말할 필요도 없거니와 수천 개의 은하에 존재하는 행성과 성단을 움직이는 것도 중력이다.
반증 #1: 다른 힘(전자기 힘이라고 하자)에 비교해 보면, 중력은 비교할 수 없을 만큼 약하다. 냉장고에 부착하는 평범한 자석을 예로 들어 보자. 이 자석으로 냉장고에 사진을 부착할 때 작용하는 힘에 대해 생각해 보라.
전 지구의 중력이 결합되어 사진을 아래로 끌어 당기고 있는 반면, 작은 자석 조각의 자력에서 발생하는 인력이 사진을 냉장고에 고정시키고 있다. 불과 몇 그램에 불과한 자석이 전 지구의 중력을 이긴 것이다. 행성 규모의 중력도 그 본질적인 나약함을 극복할 수 없다.
반론 #2: 좋다. 중력이 약하다고 하자. 하지만 물리학자들이 중력의 힘을 변화시킬 수는 없다. 과학자들이 할 수 있는 건(그리고 해야 할 것은) 그걸 설명하는 일이다.
반증 #2: 뭐, 일견 맞는 말이다. 어떤 것의 본질을 설명하는 방법은 다양하다. 하지만 그 본질이 실제로 작용하는 방법과, 발생하는 현상을 결정짓는 물리학적 과정, 그리고 우주의 진리(큰 T)는 오직 하나뿐이다. 또한 과학자들이 실험 결과 등을 정확히 예측한 이런 설명을 유용한 것으로 생각하기는 하지만, 그렇다고 해서 우주를 지배하는 진정한 물리 법칙으로 여기지는 않는다.
현대의 소립자 물리학 이론에 따르면 세계는 매우 특수하여 중력을 주의 깊게 다루어야 한다. 또한 새로운 가설을 제시하고 모든 변수를 미조정하여 중력의 약함을 반영하도록 해야 한다. 그 외에는 모두 괜찮다. 중력은 소립자계의 이단아라고 할 수 있다.안타깝게도 현대 소립자 물리학에서 중력을 취급하는 방법과, 나아가 중력이 다른 힘과 다르기 때문에 발생하는 어려움에 대해 설명하기 위해서는 오늘날 소립자 물리학의 현황에 대해 먼저 알아볼 필요가 있다.
현재 많은 실험을 거쳐 표준 모델로 널리 인정 받고 있는 모델은 20세기 후반의 가장 큰 물리학적 업적이라 할 수 있다. 그리고 그것이 진리라고 믿지는 않지만, 모든 이들이 정확하다고 여기고 있다. 이 이론을 대신할 새로운 이론을 발견하는 사람은 21세기의 아인슈타인이 될 것이다. 중력양자는 4차원으로 빨려든다
중력양자는 4차원으로 빨려든다
자, 이제 드디어 중력이 약하다는 사실이 어째서 큰 문제인가를 이해하게 됐다. 표준 모델에서는 중력 양자와 힘을 전달하는 다른 소립자가 균형을 이루고 있다. 또한 동일하게 개념적으로 설명될 수 있다.
이러한 일반적인 설명은 중력이나 다른 소립자가 만들어내는 힘이 그 특성이나 크기에 있어서 유사해야 한다는 사실을 내포하고 있다(예를 들어 이 이론은 전자기적 힘과 중력이 모두 거리에 비례하여 감소된다는 사실을 정확하게 예측하고 있다).
하지만 앞에서 살펴본 바와 같이 중력은 다른 모든 힘에 비해 매우 약하다. 따라서 중력이 그렇게 약한 이유가 과연 무엇인가라는 의문이 남는다. 다시 브레인 이론으로 들어가 보자. 브레인 이론은 우리가 고차원 공간을 떠다니는 3차원의 세계에 갇혀 있다는 사실을 전제로 하고 있다는 점을 상기시키도록 한다. 사실, 중력 양자를 제외한 전자나 쿼크, 또는 이종의 중간자 등 우리가 알고 있는 어떤 입자도 더 높은 차원으로 이동할 수 없다. 오직 중력 양자만이 더 높은 차원으로 이동할 수 있는 것이다.
그리고 중력 양자가 고차원으로 확산됨에 따라 3차원 세계에서 무거운 물체를 서로 끌어당기는 힘이 감소하는 것이다. 앞에서 배운 바와 같이 모든 힘은 다른 소립자에 소립자를 발산하는 소립자에 의해 발생한다. 따라서 소립자의 수가 적을수록 힘이 약해지는 것이다. 브레인 이론에 따르면 우리는 4차원에 중력 양자를 빼앗기고 있다. 그 결과로 중력이 약해지는 것이다.
자신이 중력 양자라고 가정해 보자. 내가 지금까지 중력을 전달하는 운반자에 대해서 확실히 설명하지 않은 점은 인정한다.
우주를 빚의 속도로 이동
그 이유는 나 자신도 잘 모르기 때문이다. 중력 양자는 광양자와 마찬가지로 질량이 없다. 즉, 무게가 0인 것이다. 그 때문에 중력 양자는 빛의 속도로 이동할 수 있다. 또한 아인슈타인의 특수 상대성이론에 따르면 빛의 속도로 이동하는 모든 물체에 있어서 시간은 경과하지 않는다.
질량의 특성에 익숙해져 있던 나로서는 이러한 광속 이동은 상상하기가 힘들었으며 따라서 아인슈타인이 말했듯 광속 여행은 불가능하다고 여기고 있다. 때문에 설명하지 못한 것이니 이해해 주기 바란다.
자, 여러분이 우주를 빛의 속도로 여행하는 중력 양자라고 해보자. 여러분에게 있어서 우주는 다른 소립자들의 우주에 비해 더 크다. 폭이 더 넓거나, 더 높거나, 더 긴 것이 아니라 단지 기본적으로 큰 것이다. 여러분은 세 방향뿐만 아니라 4차원으로도 이동이 가능하다.
이제 여분의 차원의 크기가 얼마나 크며, 어떤 모습인가에 대해 논의해 보아야 한다. 여기에 대해서는 다음과 같은 가설이 있다.
1] 여분의 차원은 작고 둥근 형태이다. 하지만 끈이론과 관련한 극소 차원만큼 작은 것은 아니다.
고차원의 최대 길이는 1밀리미터이다. 소립자 물리학에서 1밀리미터는 마치 태양계에서부터 가장 가까운 천체까지의 길이와 같은 것이다.
따라서 엄청나게 큰 것이다. 이 때문에 브레인 이론은 큰 여분의 차원에 대한 이론으로 불렸었다(앞에서 언급한 구에 대한 이론과 마찬가지로 이 이론도 일반적이며 어떤 수의 차원도 설명할 수 있다). 각각의 여분의 차원은 원 안에서 뒤틀려 있어, 여러분이 중력 양자라면 3차원 공간에서는 여전히 직선 운동을 하면서 동시에 여분의 차원 공간상의 어떤 위치에서도 원을 그리며 이동할 수 있다.
2] 여분의 차원은 무한하다. 무한 차원은 우리 모두에게 친숙하다. 사실 우리가 매일 이동하고 있는 일반적인 차원은 무한하다. 이론적으로 우리는 한 방향을 결정하여(위로 이동한다고 하자) 영원히 출발 지점으로 되돌아오지 않고 그 방향으로 무한히 이동할 수 있다.
미립자 구조는 추가적인 요소
1999년 하버드 대학의 리사 랜달과 존스 홉킨스 대학의 라만 선드럼이 무한한 4차원의 존재 가능성을 처음으로 제기했을 때, 그것은 여분의 차원이 눈으로 볼 수 없을 만큼 작지 않을 수도 있다는 가능성에 대한 최초의 연구였다.
중력 양자만이 여분의 차원으로 이동할 수 있다면 여분의 차원은 완벽하게 직선을 이루며 무한히 뻗어 있을 수도 있으며, 우리는 이를 확인할 수 없다. 이 이론은 여분의 차원이 우리가 잘 알고 있는 3차원과 같은 모습이라는 장점이 있다. 다만 중력 양자만 그걸 확인할 수 있다는 점을 제외하면 말이다.
세 번째 가설도 있지만 위의 두 가지 가설과는 근본적으로 다르다. 위의 두 이론에서 왜 단 하나의 여분의 차원만 필요한지 알아야 한다(몇 가지 변형된 이론에서는 두 개 또는 세 개의 여분의 차원을 다루고 있지만 필수적인 것은 아니다).
그것은 중력 양자가 확산되어 약해지기에 충분한 시공간 구조만 있으면 되기 때문이다. 이러한 구조상에 더해지는 모든 복잡한 미립자 구조(그것이 끈이론이든 아니면 초대칭이라는 이론이든 또는 완전히 다른 것이든)는 단지 추가적인 요소일 뿐이다.
하지만 세 번째 가설은 끈이론과 브레인 이론의 핵심 개념을 하나의 큰 범주 내에 통합한 것이라 할 수 있다. 이 가설에서는 다른 우주로 이어진 작고 곧으며 무한한 두 개의 여분의 차원이 존재한다.
지금부터 내 말을 잘 들어보도록 하라. 끈이론에서 우리는 10차원의 세계에 존재한다고 했던 것을 기억하는가? 끈이론에서 말하듯 우리가 (3차원에 시간을 더한) 4차원의 공간에 살고 있고 6개의 여분의 차원이 직접 눈으로 확인할 수 없을 만큼 작은 구체 내에 얽혀 있다고 가정하는 대신 두 개의 4차원 공간이 존재한다고 가정해 보자.
우주를 설명하는 이론 발견
하나는 우리가 살고 있는 세계이고 다른 하나는 그리 멀지 않은 곳에 존재하는 또 하나의 세계이다.
이 두 개의 브레인은 2차원의 면으로 연결되어 있다(브레인은 우리가 갇혀 있는 공간이라는 사실을 기억하자). 따라서 4+4+2=10차원이 되는 것이다.
이 가설은 우리 세계로부터 1밀리미터 정도 떨어진 곳에 똑같은 모습의 다른 브레인이 존재하지만 중력 양자만이 오직 그곳으로 이동할 수 있다는 사실을 전제로 하고 있다. 이 가설은 끈이론과 유사하지만 그만큼 터무니없게 들리지는 않으며, 다시 말해, 굉장한 것이라 할 수 있다. 이 가설은(비록 머리가 깨질 정도로 어렵긴 하지만) 수학적으로도 완벽하게 적용된다.
내가 지금까지 설명한 것은 얼마간 이해를 돕기 위한 여행에 불과하다. 이 이론들은 인간의 지적 한계까지 다다라 있다.
아직 누구도 확고한 물리학적 토대 하에서 궁극적인 실험을 할 수 있는 방법을 찾지 못했기 때문에 어느 이론이 옳은지는 알 수 없다. 너무 미묘하고 막연하며 불명확하다. 하지만 언젠가 이들 이론은 과학자들이나 우리에게 좀 더 명확해질 것이다. 우주의 진리를 찾기 위한 탐색은 이미 시작되었다. 나아가 만물의 원리를 밝혀, 아직은 상상하기조차 힘들지만, 언젠가 우리가 완벽하게 이해할 수 있도록 우주를 설명하는 이론이 발견될 것이라 믿는다.
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마이클 모이어는 본지의 수석 협력 편집자이다.
서울경제신문사가 '파퓰러사이언스지 한국판'을 출간하고 있으며 관련 사이트는 www.sedaily.com이나 www.popsci.co.kr입니다
번거롭지만 필수적인 소립자 물리학의 현황에 대한 추가 설명:
표준 모델은 원자구성 입자 세계의 작용 원리를 설명하고 있다. 현재로서는 이 모델이 절대적이며 가장 일반적인 양자 구조의 확장으로 여겨지고 있다. 원래 이 모델은 모든 기본 소립자와 그들의 상호 작용을 결정하는 규칙의 목록이다. 그렇다면 소립자들은 어떻게 상호 작용을 하는 것일까?
소립자는 다른 소립자와 소립자를 주고 받으며 상호 작용한다. 예를 들어 전자는 작은 양자(빛의 입자)를 다른 전자에게 쏘아 힘을 전달하며 양자를 받은 전자는 그에 반응하게 된다. 이는 주로 양자를 전달함으로써 힘을 교환하는 소립자를 의인화하여 설명되는 경우가 많다. 내가 생각하는 상호 작용 과정은 다음과 같다.
그림에서 보는 바와 같이 두 개의 전자는 농구공과 같이 생긴 양자를 서로에게 전달함으로써 상호 작용하고 있다. 양자의 전달로 인해 전자들은 서로 밀려나게 되며, 이는 우리가 일반적으로 알고 또 경험하고 있는 사실(음의 전하를 가진 전자는 서로 반발한다)과 일치한다.
전자 이외의 소립자의 경우 순효과는 척력이 아니라 인력이 될 수도 있지만 그 원리는 동일하다. 여기서 설명하는 나머지 내용을 이해하기 위해서는 다음 사실을 알아둘 필요가 있다. 힘(모든 종류의 힘)은 한 개체가 다른 개체에 전자를 던짐으로써 발생한다. 전자를 많이 던질수록 힘이 커진다.이 가설은 끈이론과 유사하지만 그만큼 터무니없게 들리지는 않으며, 다시 말해 굉장한 것이라 할 수 있다.
자, 그렇다면 이런 사실을 중력에는 어떻게 적용해야 할까? 중력을 다른 힘과 마찬가지로 이해하면 된다. 즉, 중력은 인력을 가진 소립자인 중력 양자가 서로를 향해 대규모로 발산되면서 발생한다. 중력 양자는 가까이 있는 많은 소립자를 끌어당기게 된다.
중력은 이처럼 간단한 것이다. (추가 설명의 추가 설명: 일반 상대성이론이라는 또 하나의 중력 이론에 매료된 독자도 있을 것이다. 아인슈타인이라는 과학자는 약 100년 전에 이 이론을 탄생시켰다. 개념적으로 일반 상대성이론은 표준 이론과 다르지 않다. 일반 상대성이론은 시공간의 변화를 통해 중력을 설명한다.
반면 표준 모델은 원자구성 입자의 교환을 통해 모든 현상을 설명한다. 이 두 이론을 결합하여 블랙홀과 같이 매우 거대하거나 미세한 것들을 설명하려 하면 수학적인 불일치, 0분모, 모순된 결과 등의 문제가 발생한다. 끈이론은 이러한 문제를 다소간이라도 해결하고 새로운 시공간 구조 및 앞에서 말한 모든 이론을 사용하여 양자 구조를 일반 상대성이론과 결합하기 위해 개발된 것이다.)- 추가 설명 끝
