PBS Nova 우아한 우주(The Elegant Universe) 3of3 초끈이론의 미래 - 11차원 세계로의 초대 - 한글자막

아인슈타인은 우주가 정적인 게 아니라 구부러지고 휘어진다고 했다. 그리고 심지어 웜홀이라는 특이한 구조도 갖고 있다고 했다. 웜홀은 멀리 떨어진 우주의 두 지점을 연결하는 다리이자 터널로서 우주의 지름길이라 할 수 있다. 웜홀을 만들기 위해서 우주 공간을 찢거나 구멍을 내야 한다. 아인슈타인의 법칙에 따르면 이건 불가능한 일이다. 우리가 만약, 수백만의 수십억배로 작아진다면 양자역학의 세계로 들어갈 수 있다. 이곳은 빛과 전기력의 세계이자 모든 것이 극도로 미세한 영역이며 공간은 무질서와 혼돈, 그 자체. 찢어지거나 구멍이 나는 것도 다반사. 그렇다면 이 공간이 찢어지면서 초래될 수 있는 우주 대참사를 막는 것은 무엇일까? 바로 여기가 끈의 위력이 발휘되는 대목이다. 끈은 혼돈을 잠재울 수 있다. 하나의 끈이 공간을 지날 때마다 튜브를 만들어내게 되는데 이 튜브가 찢어진 곳을 감싸는 거품과 같은 역할을 한다. 이렇게 해서 끈이론은 공간이 찢어질 수 있음을 설명해 냈다. 이 말은, 아인슈타인의 생각보다 우주가 훨씬 역동적이고 변화무쌍하다는 뜻이다. 그렇다면 웜홀도 가능한가? 우리가 생각하는 우주는 훨씬 더 큰 우주의 한 부분일 수도 있다. 우린 어쩌면 막 속에 살고 있는지도 모른다. 고차원 우주 속을 떠다니고 있는 삼차원의 막. 우리 바로 옆에, 전혀 보이지 않는 다른 세계가 있을 수도 있다. 끈이론의 최대 매력 중 하나는 융통성이다. 첼로의 현이 다양한 패턴으로 진동함에 따라 각기 다른 음이 연주되는 것처럼 똑같은 방식으로, 끈이론의 끈도 진동패턴에 따라 자연계의 다양한 물질 입자를 만들어 낸다. 만물의 이론이 될 수 있는 가능성, 이게 바로 끈이론의 잠재력이다. 그러나 시작부터 이 이론에 열광한 나머지, 우린 너무 앞서 갔다. 무려 다섯 개의 이론이 쏟아져 나오고 말았다. 끈이론은 마침내 하나로 통일됐다. 덕분에 ‘M 이론’이란 고유한 명칭도 갖게 됐다. 끈은 10차원의 세계에서 움직이는 것처럼 보였다. 10차원이란, 일차원의 시간과 우리가 익숙한 삼차원 공간, 그리고 너무나 작아서 보이지 않는, 여분의 6차원 공간으로 이루어져 있는 세계를 말한다. 끈이론 방정식의 결과 때문에 우린 여분의 차원이 존재한다고 생각한다. 끈은 삼차원 이상의 공간에서만 움직일 수 있다. 그러나 M 이론은 한발 더 나아가 또 다른 공간 차원을 요구했다. 따라서 전부 합해 총 11차원이 되었다. M 이론이 이치에 맞으려면 11차원이어야 한다는 사실을, 우린 알고 있다. 학자들은 이 이론 상에 존재하는 어떤 대상에 대해서 곧 알게 되었다. 끈뿐만이 아니라 더 큰 게 있었는데 일종의 막처럼 보이는 것이었다. 이런 우주들은 M 이론에서 말하는 여분의 차원에 존재하고 있을 것이다. 일각에선 심지어, 우리 바로 옆, 1밀리미터도 안 떨어진 곳에 있을 거라고도 한다. 전자기력과 서로 비교해보면 중력은 놀라울 만치 약하다. 전자기력이 수십억의 수십억의 수십억 배나 강하다고 말할 수 있다. 무려, 뒤에 0이 39개나 붙어있을 정도이다. 중력이 약하다는 사실은 수십 년간 과학자들을 괴롭혔다. 하지만 지금, 여분의 차원과 막으로 무장한 급진적인 끈이론에서는 이 문제를 완전히 새로운 시각으로 바라보고 있다. 다른 힘과 비교했을 때 중력이 왜 그리 약한가 하는 문제에 대한 접근방식이 완전히 바뀌었다. 실제 중력은 다른 힘에 비해 전혀 약하지 않으며, 단지 약해 보일 뿐이다’라는 것이다. 중력이 전자기력만큼 강하다는 게 사실일지도 모른다. 하지만 어떤 이유에선지 우린 그 힘을 느낄 수가 없다. 그럼 이제, 중력이 음파와 같다고 한다면 중력은 막에 갇혀있지 않고 우리 우주를 벗어날 수 있다는 얘기가 된다. 그렇다면 중력은 왜, 우주의 다른 힘들과 그토록 다른 것인가? 그 해답은 끈이론이나 M이론이 말해줄 수 있다. 주위의 모든 것이 열린 형태의 끈으로 이루어져 있으며 열린 끈의 가장자리가 삼차원의 막에 고정돼 있다고 보고 있다. 물론 닫힌 고리형 끈도 존재한다. 그리고 중력에 관련된 존재도 있다. 중력자라고 불리는 것이다. 닫힌 고리형 끈에는 열린 끈처럼 단면이 없다. 그래서 중력자가 중력의 힘을 무시한 채, 다른 차원으로 쉽게 도망칠 수가 있다. 그리하여 결과적으로 다른 힘보다 중력이 약하게 보이는 것이다. 이를 통해 흥미로운 가능성이 도출된다. 우리가 막에 살고 있고 우리 가까이에 있는 다른 막에 평행우주가 존재한다면 결코 그들을 볼 수는 없지만 언젠가는 중력을 통해 느낄 수 있다는 것이다. 따라서 순수하게 이론적으로는 강력한 중력파를 교환함으로써 그 생명체와 의사소통하는 게 가능하다. 빅뱅 이론에는 몇 가지 문제점이 있다. 먼저, 우주 전체를 극도로 작으면서 동시에 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은, 한 점으로 압축시켜 버리면 물리학 법칙은 소용이 없어진다. 더 이상 이치에 안 맞게 된다. 대부분은 태초가 있었다는 순진한 생각을 갖고 있다. 시공간이 무에서 유로 창조됐다고 보는 것이다. 빅뱅이 일어나 무에서 우주가 탄생했다는 걸 믿는가? 일부 끈이론 학자들은, 빅뱅이 우주의 시작이 아니었으며 그 이전부터 영원히 우주가 존재해 왔었다고 주장했다. 우주의 탄생 순간이 없다고 생각하는 건 내키지 않는다. 시작이 없는 우주는 곧 설명할 필요도 없는 것처럼 여겨지므로... 끈이론에서 특히 주의를 끈 것은 우주학의 새 방향을 제시한 것으로써 막이라는 개념과 여분의 차원으로 막이 이동한다는 개념이다. 일부 과학자들은 빅뱅의 수수께끼에 대한 해답이 거대한 막의 움직임과 관련이 있다고 제안했다. 그건 빅뱅이 특별한 사건이 아니라는 것이었다. 평행우주끼리 충돌하는 일은 과거에 단 한번 있었던 게 아니라 또 다시 그리고 또 다시 일어났었다는 것이다. 그리고 미래에도 일어날 거라고 한다. 끈이론엔 심각한 문제가 있다. 어떻게 실험적으로 검증할 것인가 하는 것이다. 일반 이론과 같은 방식으로 실험할 수 없다면 그건 과학이 아니라 철학이다. 그러니 큰 문제이다. 과학자들은 이 소립자 중에서 중력을 매개하는 중력자가 섞여있기를 바라고 있다. 끈이론에 의하면 중력자는 닫힌 고리형이며, 여분의 차원으로 이동할 수 있다고 한다. 따라서 중력자가 탈출하는 그 순간을 촬영한다면 최고의 수확이라고 할 수 있다. 중력자가 여분의 차원으로 간다면 없어진 게 표시가 날 것이다. 사라지는 걸로 증명이 되는 것이다. 양쪽 연구소의 지상 최대 과제는 ‘초대칭’을 밝혀내는 것이다. 초대칭이야말로 끈이론의 핵심 내용이다. 끈이론에 의하면 원자보다 작은 소립자에는 전자, 광자, 중력자가 있는데 이들에겐 훨씬 더 무거운 ‘에스 파티클'이란 파트너가 있다고 한다. 물론 아무도 본 사람은 없다.