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[북&사이언스] '엘러건트 유니버스'...세상은 진동하는 끈이다

'엘러건트 유니버스'는 끈이론이라는 이론 물리학의 한 분야를 일반인들이 이해할 수 있도록 소개한 책이자 전세계적인 베스트셀러이기도 하다. 

끈이론의 탄생 배경을 알려면 물리학의 역사와 전반에 대한 지식이 필요하다. 콜롬비아대학 물리학 교수이자 저자인 브라이언 그린은 끈이론을 성급하게 유도하지 않는다. 끈이론의 필수 불가결한 성질을 강조하기 위해, 우선 상대성이론과 양자역학의 핵심을 일목요연하게 정리한 후에, 이들이 서로 충돌을 일으키는 지점으로 독자들을 안내한다. 그리고 그 해결가능한 이론중 가장 유력한 이론으로써 끈이론을 제시한다.

이 책은 전기와 자기, 그리고 빛의 성질을 통합하여 전자기학이 탄생하였고, 열의 원인이 원자의 운동이라는 사실로부터 열역학과 뉴턴역학이 통합되었으며, 원자와 분자구조가 규명되면서 물질의 화학적 성질들이 이해되기 시작했다는 사실을 저자 특유의 쉬운 설명으로 설득시킨다.

현대 물리학은 지금 두개의 커다란 기초 위에 쌓아 올려지고 있는데, 이 중 하나가 천문학적 스케일에 적용되는 아인슈타인의 일반상대성이론이며, 다른 하나는 원자 이하의 초미세영역을 설명해주는 양자역학이다.

이 두개의 이론은 지금까지 수많은 실험을 거치면서 그 신뢰도가 이미 입증되었다. 그러나 문제는 이 둘을 동일한 대상에 적용할 수 없다는 사실이다. 즉 천체의 운동에는 정확하게 들어맞는 상대성이론이 원자나 전자단위의 영역에 들어서면 무용지물로 변한다. 또 원자나 전자단위에서는 확률론적이기는 하지만 정확하게 입자의 행동을 계산할 수 있는 양자역학은 천체영역에 들어서면 힘을 잃는다.

일반상대성이론에 의하면 우리가 살고 있는 시공간은 부드러운 곡선을 그리며 휘어져 있는 중력장으로 표현되는데, 이것이 극미세 영역으로 가면 불확정성 원리에 의해 그야말로 마구잡이로 왜곡된 공간이 되기 때문이다.

상대성이론의 창시자이자 현대 물리학의 태두로 꼽히는 아인슈타인이 후반 생애의 대부분을 이 두이론의 갈등을 해소하는 통일장이론에 보냈다는 사실은 유명하다.

끈이론은 이러한 물리학의 모순을 풀기위해 탄생했다. 끈이론에 의하면 만물을 이루는 최소 단위는 점입자가 아니라 고유의 진동패턴을 갖는 끈으로서, 이들의 진동방식에 따라 입자의 질량이나 힘전하등이 결정된다. 그런데 끈은 크기가 너무나도 작기 때문에 그 정체를 추적하는 데에는 한계가 있을 수밖에 없다.

1980년대에는 끈이론이 '4차원 시공간과 6차원의 숨겨진 공간'을 주장하였으나, 지금은 난립하고 있는 여러 개(5개)의 끈이론들을 다시 하나로 통합하기 위해 학자들은 M-Theory(여기서 M은 'Magic', 'Mystery', 'Membrane', 'Mother', 'Matrix' 등 다중적 의미를 담고 있다.)에 시선을 집중하고 있다. 이 이론의 창시자이자 현대 이론물리학의 최고봉으로 인정받고 있는 에드워드 위튼은 "이렇게 아름다운 이론이 거짓일리가 없다"고 말했다고 한다.

끈이론은 이것은 우리의 기존 상식이나 현실 세계와 너무나도 동떨어져 있기 때문에, 이해는 고사하고 그런 세계를 상상하는 것조차 어려운게 현실이다.

이 책의 가장 큰 장점은 끝이론이라는 난해한 이론물리학을 저자의 탁월한 설명력과 다양한 사례들을 동원해 일반인을 물리학의 세계로 쉽게 안내하고 있다는 점이다.

저자는 독자들을 끈이론의 세계로 이끌면서 수시로 질문을 던지고 있다. 감춰진 차원의 수는 왜 하필 7개인가? 더 많거나 적으면 왜 안 되는가? 이들은 왜 눈에 보이는 차원처럼 평평하지 않고 좁은 영역 속에 감겨진 채로 존재하는가? 끈이론에 등장하는 끈은 무엇으로 이루어져 있는가? 끈이론이 그토록 간단하고 아름다운 답을 줄 수 있다면, 이전의 물리학자들은 왜 이러한 사실을 간파하지 못했는가?

끈이론은 이 모든 질문들에 답을 줄 수 있어야 한다.아직은 완성된 이론이라할 수는 없다. 그렇지만 바이올린 현의 진동이 달라지면 음색이 변하듯 끝의 진동에 의해 만물이 이뤄진다는 끈이론이 현대 이론물리학의 지평을 넓히는데 큰 공헌을 했다는 점은 부인할 수 없을 것이다.


저자 : 브라이언 그린

브라이언 그린은 그동안 20여 개 국을 돌아다니면서 수학과 물리학을 잘 모르는 일반인을 대상으로 최첨단 물리학인 초끈이론과 M-이론을 일상적인 언어를 사용하여 쉽게 강의하였으며, 끈이론 중에서도 중요한 업적을 남긴 학자로서 세계적인 명성을 얻고 있는 작가이다. 그는 5살에 30자릿수의 곱셈을 할 정도로 수학의 신동이었고, 12살에는 이미 고등학교 수준의 수학을 넘어서 대학교수들에게 개인지도를 받을 정도였다. 그는 하버드 대학에서 학사과정을 마치고 옥스퍼드 대학에서 Rhodes Scholar 장학생으로 박사학위를 받았다.

1990년에 코넬대학 물리학과에서 연구와 강의를 시작하여 1995년에 정교수가 되었으며, 1996년에 컬럼비아 대학의 수학 및 물리학과 교수로 자리를 옮겨 활동하고 있다. 그의 저작 『엘러건트 유니버스』는 세계적인 베스트셀러로서 퓰리처상 최종후보에 오르기도 했으며 현재 그는 안데스와 뉴욕, 그리고 뉴욕시를 오가며 연구활동을 전개하고 있다. 최근 저서로는 『블랙홀을 향해 날아간 이카로스』가 있다.

한익재 기자  gogreen@greened.kr

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