Connecting The Dots

아빠의 우주연구

사용자 도구

사이트 도구


ctd:초끈이론

Elegant Universe

이 이야기는 브라이언 그린의 초끈이론 다큐멘터리 '엘레간트 유니버스'(Elegant Universe)에 기초 하고 있다.

20세기 많은 과학자들은 모든 물리법칙을 수식 하나로 나타낼수 있는 '만물이론'(Theory Of Everything) 을 찾아 내기 위해 오랜시간 경주해 왔다.

지금까지 우리가 찾아낸 세상을 구성하는 힘은 중력, 강력, 약력, 전자기력 등 총 4가지가 존재 한다.

중력은 아인쉬타인의 '일반상대성이론'으로 정리 되었고 나머지 강력,약력,전자기력은 '양자역학이론'에 의해 통합 되었으나 거시계와 미시계를 대표하는 이 두가지 이론을 하나로 합치는 시도는 번번히 실패하곤 했다.

그러던중 세상을 입자(Particle)로만 바라보던 과학자들이 파동(Wave)관점으로 바꾸기 시작하면서 이 통합의 실마리가 풀리기 시작하였다.

String Theory

'초끈이론'(Super String Theory)은 수학자 오일러의 방정식을 물리수식에 우연히 접목 하면서 시작이 되었다.

세상을 입자(Particle)로만 바라보던 인류에게 광자의 '파동-입자 이중성'(Wave-Particle duality)은 우주를 파동(Wave)으로 바라보는 새로운 관점을 제시하였듯이, 양자(Quantum)라는 하나의 작은 입자로 모든것을 해석하는 양자물리학의 발전이 한계에 도달할 시점에, 세상이 '서로 다른 진동수로 진동하는 매우 작은 끈'으로 이루어졌다는 '초끈이론'(Super String Theory)의 등장으로 현대물리학은 이론 대통합의 돌파구를 마련하게 된다.

그러나 초끈이론은 그 자체적으로 여러가지 문제점을 갖고 있었는데, 가령 빛보다 빠른 타키온(Tachyon)입자 에 대한 예측, 우리가 살고 있는 우주는 10차원 이라는 가설, 실증적 증명이 불가능에 가까운 초끈이론을 과학의 범주안에 둘것인가 하는 논란 들이었다.

그 중에서도 과학자들을 크게 괴롭힌것은 따로 있었으니, 많은 학자들이 이 새로운 이론에 열광하며 뛰어 들은 결과 총 5개의 끈이론이 발견 되어 버렸다는 것이다. 더우기 5개 모두 유효한 수식으로 검증 받으면서 사람들은 다음과 같은 의문을 갖기 시작했다. 왜 한개 혹은 n개가 아니라 유독 5개가 발견 되었을까? 5개라는 개수에 특별한 이유라도 있는 것일까?

초끈이론은 여기서 다시한번 극심한 정체기를 맞게 되나 1995년 에드워드 위튼(Edward Witten)이 M Theory 를 들고 나오면서 또 한번의 도약을 이루게 된다.

M Theory

5개나 되는 끈이론을 어떻게 하나로 통합 할것인가에 대한 에드워드 위튼의 천재적인 접근법이 'M 이론'(M Theory) 를 탄생시킨 배경이 되었다.

에드워드 위튼에 의하면 우리가 발견한것은 서로 다른 5개의 수식이 아니라 동일한 한개의 수식을 5개의 거울에 비추어 보고 있었다는 것이었다.


5개의 이론을 M Theory 로 합치면서 그에 상응하는 댓가도 따랐는데 10차원으로 여겨지던 초끈이론의 우주가 11차원으로 증가하면서 1차원 끈(String)이 2차원 막(Membrane) 으로 확장되어 버린것이다.

이 막(Membrane)에 대한 개념이 매우 중요한데, M Theory 로 인해 우리는 중력은 물론 다중우주(Multi-Universe)까지 물리가설 안에 포함 시킬수 있게 되었다.1)

이것을 이해 하기 위해서는 먼저 현재 우리가 존재하고 있는 차원을 거대한 에너지 막(Membrane)2)에 붙어있는 수많은 끈(String)으로 상상 할 필요가 있다. 여기서 막이라는 것은 우리가 존재하는 3차원 우주가 2차원으로 납작하게 표현 된 것이다.3)
i.pinimg.com_originals_da_9f_c2_da9fc2a15f883a39118c827feade38f7.jpg

양자물리학에서 말하는 양자필드(Quantum Field)를 들여다 보면 가장 작은 에너지단위인 양자(Quantum)가 허공속에서 튀어나오고 사라지는 일을 반복하고 있다고 설명하고 있다. (그렇다 당신은 매우 빠른 속도로 켜지고 꺼지는 양자 에너지 알갱이들이 뭉쳐 모여서 지속적인 실체로 투사되고 있는 것이다)

(양자필드 시뮬레이션)

M Theory 에서는 2차원 막에 붙어있는 고리 형태의 끈이 생겼다 사라졌다 하고 있다고 상상해 보시기 바란다.

여기서 왼쪽은 우리가 존재하는 우주를 이루고 있는 차원의 에너지 막(Membrane)이라고 상상하고 오른쪽은 우리에게 보이지 않는 다른 차원의 막이라고 상상해 보시기 바란다. 진동하는 끈에너지(String)는 대부분은 해당 차원의 막(Membrane)에서 발생하고 사라지지만, 가끔 막(Membrane)을 벗어나 다른 차원으로 이동하거나 연결되는 에너지도 있을 것이다.

'중력'은 마치 물질 사이를 통과하여 흐르는 약한 힘으로 보이다가도 물질이 모여서 질량이 늘어나면 우주를 돌리는 거대한 힘으로 작용한다는 것을 우리는 익히 잘 알고 있다.

중력이 여러개의 다중차원(즉 다중의 Membrane)을 자유롭게 관통하며 영향을 주는 힘이라고 가정한다면, 전자기력은 하나의 막(Membrane)표면에 강하게 결속(Conjugated) 되어 있어서 우리에게는 중력보다 전자기력이 훨씬 강한 힘으로 경험되는 이유가 아닐까 하는 상상을 해볼수가 있다.

brane_gravity.jpg

또한 이 막(Membrane)은 무수히 많이 있을 수가 있기 때문에 다중우주(Multiverse)의 개념도 자연스럽게 받아들일 수 있으며, 빅뱅 대폭발 이전의 모순도 해결할 수 있는 실마리를 제공하고 있다.

순환적 우주 모델(Cyclic Universe Model)에 따르면, 차원의 막(Membrane)이 팽창과 수축을 반복하는 과정속에 직접적으로 접촉 하는 순간 서로 대량의 에너지를 교환하는 사건이 빅뱅이며, 빅뱅은 단 한번만 발생한것이 아니라 호흡 하듯이 주기적으로 발생 하고 있기 때문에 우주는 시작도 없고 끝도 없이 영원히 반복되고 있다는 것이다.4)

M Theory 의 막(Membrane)에 대한 개념은 서로 다른 차원의 우주가 서로 연결되는 웜홀(Wormhole)에 대한 가능성도 열고 있다. 시공간에 구멍을 낼 정도로 강한 중력을 이용해서 막(Membrane)사이를 잡아당겨 연결하면 차원을 넘나드는 웜홀을 만들수가 있다는 것이다.

wormhole.jpg

홀로그램 우주론(Holographic Universe)도 막(Membrane)이론과 연결되는 고리가 있다. 홀로그램 우주론에 의하면 우리는 2차원 외피(2D Surface)로 둘러싸여 투사(Projection) 되고 있는 3차원 홀로그램(3D Hologram)이라는 것이다. 여기서 2차원 외피(2D Surface)를 막(Membrane)이라고 상상해 보자. 중요한 것은 하나의 막(Membrane)만 있는것이 아니라 우주 전체로 부터 원자에 이르기 까지 크기별로 겹겹이 둘러 쌓여 있는 다양한 주파수로 구성된 에너지 막이라고 상상해 보시기 바란다.

blogs-images.forbes.com_startswithabang_files_2017_03_cmb-in-time.jpg
(거리별로 측정된 우주배경복사)

지금까지 살펴 봤듯이 M Theory 는 현재까지는 대통합이론(The Theory of Everything)에 가장 근접한 이론이라는 평가를 받고 있다.

d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net_uploads_2017_12_m-theory_square_1920.jpg

그러나 가장 큰 난제인 실증이 이루어지지 않는 한 가디언의 정보와 같이 다음의 맺음말로 끝날 수 밖에 없는 운명에 놓여있다.

Theoretically Speaking… of course…(ㅉㅉㅉ)

1) M 자가 Membrane 의 약자라는 추측이 많았으나 에드워드 위튼은 이론이 견고해 질때까지 M 자의 의미 부여를 유보하고 있다.
2) M Theory 에서는 Membrane 대신 Brane 이라는 용어로 개념을 구분 하지만 여기서는 쉬운 이해를 위해서 Membrane 으로 유지 하도록 하겠다
3) 여기서 막(Membrane)은 현재 물질우주를 표현하고 있는 일정한 주파수 대역(Frequency Spectrum)을 의미한다고 상상해 보자
4) 이것은 영원히 산다는 것을 뒷바침 하는 이론적 배경이 되지 않은가?
ctd/초끈이론.txt · 마지막으로 수정됨: 2019/10/29 21:47 저자 admin