만물(萬物)의 이론은 존재할까? - 사이언스타임즈

출처 : http://www.sciencetimes.co.kr/article.do?atidx=56617

만물(萬物)의 이론은 존재할까?

통일장 이론에 한걸음씩 다가가고 있어

2011년 12월 14일(수)  김형근 객원기자 | hgkim54@naver.com

고대 철학자들은 바람, 물, 불 그리고 흙이 우주의 가장 기본적인 요소들이라고 생각했다. 그 뒤로는 작은 것에 대한 연구가 계속 증가하고 있다. 

▲ 자연에 존재하는 여러 가지 힘들을 통일장이론이라는 하나의 원리로 설명하려는 노력이 진행되고 있다. 만물의 이치를 설명할 수 있는 이론이다. 
 

물리학자들은 자기작용에서부터 원자들이 무엇으로 이루어져 있고 어떻게 안정적인 상태로 남아있는지에 이르기까지 모든 것을 설명하기 위해 우리가 알고 있는 세계의 모습을 입자들로 계속 나누고 있다.

입자와 입자의 힘에 관한 연구가 알려짐에 따라, 양자역학 세계에서의 놀라운 유사성들은 현대 과학에서 가장 중요한 질문들 중의 하나에 이르렀다. 모든 것을 설명할 수 있는 단 하나의 이론(통일장 이론)이 존재하는가? 미국의 인터넷 과학신문 라이브사이언스 닷컴은 통일장 이론의 발견 여부를 과학의 미스터리로 꼽고 있다. 

"우리는 최초의 에너지의 몇 마이크로 초까지 우주에 대해 많은 것을 이해하고 있습니다. 하지만 그 시간 이전에 대해서는 우리의 물리학은 효과를 상실합니다."라고 일리노이주 바타비아(Batavia)에 위치한 페르미입자가속기연구소(Fermilab)의 이론 물리학자인 마크 잭슨(Mark Jackson)은 말한다. "하지만 그 최초의 순간들이야말로 정말로 재미있는 일들이 벌어지는 때이죠."

만약 한 이론이 무형의 중력뿐만 아니라 초기 우주의 놀라운 에너지들에 관한 사항에도 무리 없이 적용될 수 있게끔 설계되었다면 물리학의 만물의 이론이 현실화될 수 있을 것이라고 잭슨 박사는 말한다.

표준 모형의 실패

물리학의 '표준 모형'은 입자들을 그 일부가 기본적인 힘을 갖고 있는 극소의 점들이라 여기고 있다. 중력에 관한 점을 포함하지 못하고 고(高)에너지들에 관해서는 쓸모가 없다는 사실에도 불구하고 오랜 세월이 지나 유효성이 증명된 이 이론은 물리적 현상들을 설명하는 데에 있어 과학자들이 가지고 있는 최상의 도구이다.

"표준 모형이 과연 얼마나 좋은가에 대해 사람들이 이의를 제기하는 것을 들을 수 있을 것입니다." 시카고 대학의 우주론자 마이클 터너(Michael Turner) 박사의 말이다. "불완전한 모형이지만 지금으로서는 이 모형에서 흠을 찾을 수 없습니다."

터너는 힉스 입자(Higgs bason)라고 불리는, 질량을 갖도록 유도하는 입자를 발견해내는 것이 표준 모형의 큰 과제로 남아 있다고 설명한다. 만약 이것이 발견된다면 무거운 입자는 전자기와 방사능과 같은 속성들이 동일한 힘의 완전히 다른 면들을 보여준다는 것을 명확하게 나타낼 수 있을 것이다.

"힉스 입자는 우리가 그것들을 함께 결합시키는 것을 가능케 하는 기적 같은 것입니다." 터너는 초기 우주의 격렬한 에너지 상태로 물질을 '되돌리는' 입자 가속기의 충돌 속에서 언젠가는 발견될지도 모르는 힉스 입자에 대해 위와 같이 이야기하였다.

중력에서의 끈

그러나 표준 모형의 완고함은 일부 물리학자들에게는 받아들이기에 너무나도 지나쳐, 중력을 포함하고 고에너지 상태에서 유효한 새로운 이론들을 대두시켰다.

아마 이 이론들 중에서 가장 대중화된 것은 '끈 이론'일 것이다. 이것은 입자들을 다른 '주파수'상에서 진동하는 에너지의 끈들로 설명한다. 입자들의 '점'과 같은 성질을 설명하기 위하여, 끈 이론은 끈들이 10 혹은 11차원 안에 둘러싸여 있다고 주장한다. 현재 인정하고 있는 면보다 6차원에서 7차원 정도가 많은 것이다. 

이 생각은 멀리서부터 한 건물을 바라보는 것과 유사하다. 아주 먼 거리에서 건물은 점과 같아 보이지만 가까이 갈수록 그것은 평평한 것처럼 보이다가 결국에는 3차원 구조로 보이게 된다. 빌딩 안에 둘러싸여 있는 것은 점점 더 작아지는 여분의 차원들이다. 하나의 관이 있고 그 안에 구석과 틈이 있으며, 그 구석과 틈 안에 공간이 있고 기타 등등.

끈 이론에서 11개의 아주 작은 면들이 존재한다는 것을 증명하고 있지 못함은 여러 가지로 문제가 되지만, 잭슨은 전 우주에 몇 개의 끈들이 모여 오늘날의 우주에서 발견되기에 충분히 큰 "초끈"(superstrings)이라는 것으로 확장될 수 있을지도 모른다고 생각하고 있다.

현재 그러한 증거들의 부재에도 불구하고, 잭슨은 끈 이론이 논란을 불식시킬 것이라고 자신하고 있다. "우주가 물리현상에 관하여 두 가지의 다른 법칙들을 갖고 있다고 생각하기는 어렵습니다. 언제 이것이 가려질까요?" 잭슨은 반문했다. 

"우리는 양자역학이 존재한다는 것을 알고 또 중력이 존재한다는 것을 압니다. 그래서 하나의 종합적인 이론이 있어야 하는 것 같아 보입니다. 저는 그 이론이 끈 이론이라는 데에 제 경력을 걸 수 있습니다."

초대칭적 연구

페르미랩의 우주론자인 스콧 도델슨(Scott Dodelson) 또한 통합된 이론이 논리적이라고 생각하지만, 통합된 이론을 생각해내기 위해 표준 모형에서 크게 벗어날 필요는 없다고 생각한다.

 

"기본적으로 두 가지의 접근법들이 있습니다. 한 가지는 상향식인데 자료를 수집하고, 이론을 더욱 명쾌하게 만들기 위해 이론의 조각들을 맞춰나가는 것입니다" 도델슨은 말한다. "다른 방법은 하향식으로서, 좋은 이론으로 시작해서 자료를 향해 일을 해나가는 것입니다. 저는 자료와 부대끼며 연구하기를 원하는 상향식의 부류입니다."

어느 경우에나, 물리학자들과 이론가들, 그리고 우주론자들은 모두 유럽에 있는 대형강입자충돌기(LHC)와 같은 고에너지 실험장치들이 가동되기를 기다리고 있다. 그들은 입자들의 충돌의 결과로 힉스 입자들을 찾는 것뿐만 아니라 '초짝', 즉 전자, 중성자 그리고 그와 같은 것들과 더욱 유사하며 무겁고 아직 숨겨져 있는 것으로 도델슨이 설명하고 있는 입자들 역시 찾기를 바라고 있다.

"그것들은 너무 무거워 지금까지 발견되지 않았습니다." 도델슨은 LHC와 같은 고에너지 장비들이 충돌하는 입자들 중에서 '튀어 나와' 그 입자들을(힉스, 초짝입자) 얻을 수 있게 하는 것이 아마도 가능하게 될 것이라고 덧붙여 말했다. 만약 그렇다면, 암흑 물질(우주의 결손 질량의 대부분)의 신비가 해결되고 거기에 더하여 더욱 강력한 물리현상의 표준 모형을 생성케 할 것이다.

"우리는 아마도 결국 연구실에서 암흑 물질의 덮개를 꿰뚫어내고 초대칭 입자들을 발견해낼지도 모릅니다," 도델슨은 말한다. "이것은 입자들의 온전한 새 종류를 창출하고, 새로운 표준 모형을 만들게 할 것입니다."