◎“끈은 한 종류지만 진동방법에 따라 전자·중성자도 되고 매개물질도 되고”/70년대 첫 등장 최근 물리학계 초미관심물리학자들의 궁극적인 목표는 무엇일까. 이 세상을 「하나」의 법칙으로 설명하는 것이다. 물질을 구성하는 최소단위의 정체를 밝혀낸 뒤 어떤 조건에서 어떻게 기능하는 지 알게 된다면 하나의 법칙은 탄생된다. 그러나 모든 법칙에 적용되는 통일장이론은 아직 없다. 여기 도전하는 것이 「초끈이론」이다. 국내에서도 한국과학기술원(KAIST) 내 고등과학원과 서울대등을 중심으로 초끈이론 연구가 활발히 진행되고 있다.
초끈(Super String)이론은 물질의 최소단위가 고무줄같은 끈이라는 주장으로부터 출발한다. 과학자들은 최소단위를 분자에서 원자로 수정했지만 곧 전자와 핵, 핵 안의 중성자와 양성자가 발견됐고 이들은 다시 몇가지 쿼크로 이루어졌음을 발견했다. 초끈이론은 입자만 떠올리던 기존의 시각에서 벗어나 끈의 개념을 도입한 것. 끈은 한 종류지만 어떻게 진동하느냐에 따라 전자 중성자 양성자도 되고 여러 매개물질도 된다는 것이다.
초끈이론은 70년대에 처음 나와 84년 슈바르츠(미 캘리포니아공대) 박사등이 수학적 모순 없는 10차원의 초끈이론을 제기했고(1차혁명이라고 부른다) 95년 천재물리학자 에드워드 위튼(미 프린스턴고등연구원) 박사가 11차원의 M이론(2차혁명)을 발표, 5가지로 해석이 가능했던 10차원 초끈이론의 모순을 극복했다. 2차혁명 덕분에 초끈이론은 전에 없이 물리학계의 초점이 되고 있다. M이론은 끈을 더 자세히 들여다 보면 사실은 얇은 막(Membrane)의 관으로 이루어져 있다는 내용으로 요약된다. 초끈이론이 M이론으로 발전하면서 5가지의 다른 이론으로 해석되던 초끈이론의 모순이 통합적으로 설명됐다.
그러나 초끈이론은 증명이 어렵다는 함정을 갖고 있다. 먼저 이론을 수학적으로 기술할 방법이 없다. M이론은 아직 「방정식 없는 이론」이다. 초끈이론의 방정식은 10차원에서 유효하나 시·공간 4차원인 현실세계로 끌어내리는 방법이 수십만가지나 돼 현실에서 어떻게 적용되는지를 알기가 어렵다. 김정욱 고등과학원원장은 『21세기에 나왔어야 할 이론이 우연히 빨리 발견됐다』고 비유한다. 물리학자인 위튼이 수학의 노벨상으로 불리는 필즈메달을 받았을 정도로 그의 이론은 가히 혁명적이기 때문이다.
초끈이론이 10의 30제곱분의 1㎝보다 더 작은 미시영역을 다루고 있어 실험을 통한 증명은 아직 불가능하다. 물리학에서는 입자의 성질을 파악하기 위해 흔히 입자끼리 충돌을 시켜 반응을 재는 가속기실험을 한다. 현재 스위스 제네바에는 사상 최대인 길이 27㎞의 가속기가 건설되고 있다. 고등과학원 현승준 박사는 『지구에서 태양까지 잇는 가속기를 만들어도 실험이 어려울 것』이라고 설명한다. 그만큼 입자의 성질을 완벽하게 파악하기가 어렵다는 것이다.
초끈이론은 아인슈타인도 실패한 통일장이론의 강력한 대안으로 꼽힌다. 물질계에 존재하는 4가지 힘, 즉 중력 전자기력 강력 약력 중 중력은 다른 힘과 같은 법칙으로 설명할 수 없지만 초끈이론으로 가능성이 열리고 있다. 질량이 막대한 우주단위나 신비에 싸인 블랙홀, 10 또는 11차원의 고에너지인 우주대폭발 상황에서도 초끈이론은 유효하다.<김희원 기자>
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