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대본

우주의 본질은 무엇일까요?

이 질문에 답하기 위해, 인류는 세상을 설명하는 이야기를 만들어 내었습니다.

우린 이야기를 곱씹어 보고,

없애야 할 부분과 그렇지 않은 부분을 배웠습니다.

하지만 우리가 점점 더 많을 것을 배울수록,

우리의 이야기는 더 복잡해지고 이상해졌습니다.

몇몇은 그 정도가 정말 심해서,

그것이 무엇을 의미하는지조차도 알기 힘들었습니다.

‘끈 이론’ 처럼 말입니다.

‘모든 것’의 본질에 관련된, 유명하면서도 논란이 많으며

때때로 잘못 알려지기도 하는 이론입니다.

왜 이런 이론이 탄생했으며, 이것이 맞는 이론일까요?

혹은 검토가 필요한 상상일 뿐일까요?

‘실제’의 본질을 찾기 위해,

우리는 많은 것들을 가까이서 보았고, 놀라움을 느꼈습니다.

먼지에 있는 놀라운 지형구조들,

이상한 생명체들의 동물원,

복잡한 단백질 기계.

그 모두가 복잡한 분자 구조로 이루어지며,

그 분자들은 또한 더 작고 무수히 많은 물질,

‘원자’로 이루어집니다.

우리는 원자들이 ‘실제’의 최초적 단계라고 생각했지만,

원자들을 서로 세게 부딫혀 보고,

다시는 더 나눌 수 없는 물질을 발견하게 됩니다.

‘기본입자’ 죠.

하지만 우리에겐 문제가 있습니다.

그들이 너무 작아서, 우리가 더 이상 볼 수 없다는 것이죠.

생각해 보세요.

본다는 것은 무엇인가요?

물체를 보기 위해선, 빛이 필요합니다.

빛은 전자기파입니다.

이것이 물체의 표면에 부딫혀서,

반사되어 우리의 눈에 들어오게 됩니다.

빛은 부딫혔던 물체의 시각적 정보를 가지고 있고,

뇌는 이것을 이용해 ‘상(象)‘을 구현합니다.

따라서 당신은 바라볼 물체와의 어떠한 상호작용 없이는,

그 물체를 볼 수 없습니다.

본다는 것은 곧 ‘만지는 것’ 입니다.

수동적인 것이 아닌, 능동적인 행위이죠.

이것은 대부분의 물질에게는 별 문제가 없습니다.

하지만 입자라는 것은 아주, 매우, 엄청 작습니다.

너무 작아서, 우리가 바라볼 때 사용하는 전자기파가

그들을 ‘만지기’에는 너무 큰 것입니다.

가시광선은 그들을 그냥 통과해 버립니다.

우리는 전자기파의 파장 길이를 아주 짧게 줄임으로서,

이 문제를 해결할 수 있습니다.

하지만 짧은 파장은 곧,

더 많은 에너지를 의미합니다.

많은 에너지를 가진 전자기파로 입자를 만지게 되면,

전자기파가 입자를 흩어버립니다.

본다는 행위가 물체를 변하게 하는 것입니다.

따라서 우리는 ‘기본입자’를 정확하게 관측할 수 없습니다.

이 사실은 너무나도 중요해서,

이름까지 가지고 있죠.

‘하이젠베르그의 불확정성 원리’ 입니다.

모든 양자역학의 기초이기도 합니다.

그렇다면 입자는 과연 어떻게 생겼을까요?

그것의 본질은 무엇입니까?

우리도 몰라요.

엄청 가까이서 본다면,

입자들의 희미한 영향력은 볼 수 있지만, 입자 자체를 볼 수는 없습니다.

그냥 거기에 있다는 정도만 알죠.

“누구 있나요?”

“없습니다!”

하지만 그렇다면, 우리가 그것들을 어떻게 과학에서 다루었을까요?

우리는 항상 하던 일을 했습니다.

수학적인 소설, 곧 새로운 ‘이야기’를 만들어 내었습니다.

‘점입자의 이야기’ 입니다.

우리는 입자가 우주의 한 점이라고 가정하였습니다.

모든 전자는 일정한 양의 전하와 질량을 가진 점인 것입니다.

각각 서로 구별할 수 없죠.

이를 통해서,

물리학자들은 그들을 정의하고 서로간의 상호작용을 계산해볼 수 있습니다.

이것은 ‘양자장론’ 이라고 불리며,

많은 문제를 해결하였습니다.

양자역학의 모든 기본 입자들은 이를 통해 만들어진 것입니다.

또한 이것은 많은 것들을 잘 예측합니다.

예를 들어, 전자의 몇몇 양자적 속성은

0.0000000000002%의 오차를 둔 정확도로 측정되었습니다.

따라서, 입자가 정말로 ‘점’이 아닐지라도,

우리들이 그렇게 취급함으로서,

우주에 관한 꽤 정확한 도면을 얻어낼 수 있습니다.

이 이론은 과학의 발전을 가져왔을 뿐만 아니라,

지금 우리가 쓰는 많은 기술들을 가능케 해 주었죠.

하지만 큰 문제가 남았는데,

바로 ‘중력’ 입니다.

양자역학에서, 모든 물리적 힘은 특정한 입자에 의해 옮겨집니다.

하지만 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면,

중력은 우주의 다른 것들과는 다르게 ‘힘’이 아닙니다.

만약 우주를 ‘연극’이라고 친다면,

입자는 ‘배우’ 인 것이고,

중력은 ‘무대’ 인 것이죠.

간단히 말해서, 중력이란 기하학의 한 이론입니다.

시공간 그 자체의 기하학인 것입니다.

이 기하학은 우리의 매우 정밀한 계측을 필요로 합니다.

하지만 양자의 세계에서는 정밀한 관측 방법이 없어서,

중력에 관한 우리의 ‘이야기’와 양자역학에 관한 ‘이야기’가 서로 맞지 않게 됩니다.

물리학자들이 새로운 입자를 만들어 이야기에 중력을 넣으려고 하면,

그들의 수학적 법칙이 붕괴합니다.

그리고 이건 큰 문제입니다.

우리가 중력과 양자역학을 서로 합치는데에 성공한다면,

우리는 ‘모든 것의 이론’ 을 얻게 됩니다.

그래서 아주 똑똑한 사람들이 새로운 이야기를 만들었죠.

그들이 묻기를,

“점보다 복잡한 것은 무엇인가?”

“선, 또는 끈이겠군!”

곧 ‘끈 이론’이 탄생하게 됩니다.

끈 이론을 품격 있게 만드는 것은,

그 이론이 소립자들을 ‘끈’의 서로 다른 진동의 상태로 설명한다는 점입니다.

바이올린의 현이 다르게 진동함으로서 다른 음을 내는 것처럼,

‘끈’ 이 여러가지 입자를 만들어 내는 것입니다.

가장 중요한 것은, 중력이 이에 포함된다는 것입니다.

끈 이론은 우주의 기본 힘 모두를 통합할 수 있음에 확신을 보냈고,

이는 굉장한 흥분과 반향을 일으켰습니다.

머지않아 끈 이론은 ‘모든 것의 이론’ 의 가능성 있는 후보로 격상되었습니다.

불행히도, ‘끈’ 이론은 많은 조건과 ‘끈끈히’ 연관되어 있습니다.

(두둥 탁!)

많은 수학적 법칙은 일관적으로 끈 이론을 수반하는데,

이는 3개의 공간 차원과 하나의 시간 차원으로 이루어진 우리의 우주에서는 작동하지 않습니다.

끈 이론은 ‘열 개’ 의 차원을 필요로 합니다.

따라서 끈 이론가들은 모형 우주를 가지고 계산을 하여,

6개의 차원을 제거하고 우리의 우주에 맞는 설명을 찾아보는 시도를 하였습니다.

하지만 지금까지, 아무도 성공하지 못했으며

끈 이론이 제시한 예측에 대한 어떠한 입증 자료도 발견되지 못했습니다.

즉, 끈 이론은 우주의 본질을 밝혀내지 못했습니다.

일각에서는 이 점을 들어 끈 이론이 아무 쓸모도 없는 이론이라고 말합니다.

과학은 실험과 예측에 관한 학문입니다.

그것이 불가능하다면, 우리가 왜 계속 끈 이론을 고수합니까?

이는 우리가 그것을 어떻게 쓰는가에 관한 것입니다.

물리학은 수학에 뿌리를 두고 있습니다.

2+2는 4입니다.

이는 당신이 싫든 좋든 항상 옳습니다.

그리고 끈 이론에서의 수학은 항상 답을 내 주죠.

이것이 끈 이론이 아직까지 쓸모있는 이유입니다.

당신이 유람선을 만들고 싶지만, 간단한 나뭇배의 설계도만 가지고 있다고 생각해 봅시다.

많은 차이점이 있을 것입니다.

엔진,

재료,

크기와 같은 것이죠.

하지만 유람선과 나뭇배는 근본적으로,

‘뜨는 물체’ 라는 점에서 공통적입니다.

따라서 나뭇배의 설계도를 연구하면,

궁극적으로는 유람선을 어떻게 만드는지에 대해 배울 수 있습니다.

끈 이론을 통해 우리는 물리학자들을 수십년간 괴롭혔던,

‘양자중력(量子重力)’ 에 관한 몇몇 질문에 대한 답을 구해볼 수 있습니다.

블랙홀은 어떻게 작동하는가? 정보 역설이란 무엇인가? 같은 질문 말입니다.

(혼자는 위험하단다! 이걸 가져가렴) 끈 이론은 우리를 맞는 길로 이끌 수 있습니다.

이러한 태도로 끈 이론을 사용하면,

끈 이론은 이론물리학자에게 소중한 도구가 될 수 있으며

양자 세계의 새로운 성질과 아름다운 수학 체계를 발견하는 데에 도움을 줄 수도 있습니다.

그렇기에 끈 이론의 ‘이야기’ 가 ‘모든 것의 이론’ 은 아니더라도,

끈 이론은 매우 쓸모있는 이야기일 수도 있습니다.

점입자의 이야기가 그러했던 것처럼요.

아직 실제의 본질에 대해 알 수는 없지만,

우리는 계속해서 새로운 이야기를 만들어 낼 것이고,

언젠가는 아마도…

진리를 발견할 수도 있겠죠.

이 비디오는 스위스 국립 과학 재단에서의 지원을 받았으며,

Alessandro Swandrainie의 과학적 조언으로 실제하게 되었습니다.