초(超)끈이론(superstring theory), M-이론(M-theory)

초기의 끈이론(string theory)은 양성자나 중성자 또는 중간자속에서 쿼크를 분리해 내려다가 실패하자 이들이 끈으로 연결되어 있다고 본 이론이며 양자색역학이 쿼크들에 색을 부여하여 이 문제를 성공적으로 설명하자 사라져 버리는 듯하였다. 그러나 이 이론과 관련된 연구로부터 그 때까지 불가능할 것으로 여겨졌던 양자적 중력이론이 성립되면서 다시 생명력을 얻게 되었다. 당시까지의 전통적인 입자물리학은 전자와 쿼크를 크기가 없는 점 입자로 간주하였으며 이 경우 중력을 받아들일 수가 없었다. 그런데 새로운 끈 이론에서는 물질입자든 매개입자(중력자 포함)든 관계없이 모든 입자가 굵기는 없고 플랑크길이 정도의 길이만 있는 진동하는 끈으로서 끈의 진동패턴에 따라 각기 다른 입자의 형태로 나타난다는 것이다. 이렇게 되면 물질이나 힘을 이루는 최소단위는 하나뿐이며 여기에는 중력까지도 포함된다. 그리고 진동패턴은 항상 짝을 지어 나타나며 한 쌍의 진동은 스핀이 1/2 단위로 차이가 난다는 것을 알게 되었는데 이들 정수 스핀과 반정수 스핀 사이에 존재하는 대칭성(對稱性, symmetry)에 초대칭(超對稱, supersymmetry)이라는 이름이 붙게 되었고 끈이론도 초대칭 끈이론, 줄여서 초끈이론으로 부르게 되었다.

초끈이론은 다른 이론으로는 불가능했던 일반상대성이론과 양자역학의 결합을 가능케 함으로서 많은 관심을 끌게 되었으나 결점도 많았다. 가장 결정적인 것은 초끈이론이 성립하려면 시공간이 지금보다 6차원 더 많은 10차원이 되어야 한다는 점이었으며 또 하나는 수학적으로 타당한 초끈이론이 5가지나 있다는 것이었다. 그러나 3차원공간보다 더 큰 차원의 우주공간이 가능하다는 이론은 이미 오래전부터 제기되고 있었기 때문에 5가지의 초끈이론이 하나로 통합될 수 있음이 밝혀지자 이 이론은 물리학계의 최대 화두가 되었다. 이 이론에는 M-이론이라는 이름이 붙었으나 M이 Master의 약자인지 또는 Majestic, Mother, Magic, Mystery, Matrix의 약자인지는 분명치 않다.

M-이론은 아직도 상당부분이 베일에 가려져 있지만 M-이론이 성립하기 위해서는 초끈이론보다 한 차원 더 많은 11차원 시공간이 필요한 것으로 밝혀졌다. 그리고 우주의 최소단위는 1차원 끈만이 아니라 2차원 막(膜, membrane)일 수도 있고 3차원 객체일 수도 있는 것으로 나타났다. 이로서 M은 membrane의 약자일수도 있게 되었으며 membrane은 2차원이지만 차원 문제를 일반화하기 위하여 2-브레인(two-brane)이라고 부르고 1차원 끈은 1-브레인, 3차원 객체는 3-브레인, p차원(10차원 이내)으로 확장된 막은 p-브레인으로 부르게 되었다.

이와 같은 p-브레인은 꼭 작아야 될 이유는 없으며 최근에는 우리가 알고 있는 우주만물이 더 높은 차원 속에 설치된 3-브레인 스크린 위에 존재한다는, 즉 우주 자체가 하나의 브레인이라는 브레인세계(braneworld) 가설도 등장하였다. 이 가설에 의하면 광자는 3-브레인 안에서는 얼마든지 자유롭게 이동할 수 있으나 3-브레인을 이탈할 수는 없으며 따라서 여분의 차원으로 인한 공간이 아무리 커도 우리는 그것을 볼 수 없다는 것이다. 또 끈이나 다른 고차원 브레인들이 모두 점 입자와는 다른 0-브레인의 집합으로 이루어져 있다는 매트릭스(Matrix)이론도 나왔으며 이 이론에 의하면 시공간조차도 0-브레인의 적절한 조합으로 이루어져 있다는 것이다. 여하튼 앞으로 M-이론의 발전과 함께 많은 우주의 비밀들이 밝혀질 것으로 기대되고 있다.

우주를 구성하는 물질들의 특이한 성질-골딜록스(Goldilocks) 효과

원자핵이 원자의 크기에 비해 굉장히 작지만 전자에 비해서는 훨씬 무겁고 전자가 매우 가볍다는 것은 원자들이 이웃하는 원자들의 원자핵과 원자핵 또는 전자와 전자사이의 전기적 반발을 극복하고 안정적인 분자상태를 유지하는데 결정적인 역할을 하고 있다.

원자핵 내에서는 양성자와 양성자 사이의 전기적 반발력과 양성자와 중성자 사이의 강한 핵력이라는 두 가지 힘이 작용한다. 그런데 강한 핵력이 지금보다 조금만 더 약했더라면 전기적 반발력 때문에 수소 이외의 원소들은 존재하기 어려웠을 것이고 별들도 만들어지지 못했을 것이다. 그러나 반대로 강한 핵력이 조금만 더 강했다면 보통의 수소는 존재할 수 없었을 것이며 세상은 전혀 달라졌을 것이다.

중력은 전자기력이나 핵력에 비하여 엄청나게 약하다. 그런데 중력이 이보다 더 강했더라면 빅뱅 후 우주의 팽창이 순조롭게 진행되지 못하고 별도 지금 같은 크기를 가지지 못했을 것이며 반대로 더 약했더라면 별의 생성 자체가 불가능했을 것이다.

주계열별에 있어서 수소 핵이 핵융합으로 헬륨 핵을 합성할 때 0.7%의 질량이 줄어들고 줄어드는 이 질량이 열에너지로 바뀌어 별을 안정적으로 유지하게 된다. 그런데 이 양이 조금만 더 크거나 작았더라면 열에너지와 중력압이 평형을 이룰 수 없어 별은 만들어지지 못하고 오늘날과 같은 우주는 존재할 수 없었을 것이다.

양성자의 질량은 전자의 약 1,836배이며 중성자의 질량은 1,838배로서 중성자의 질량이 양성자보다 약 1/900 정도 더 무겁다. 이 차이는 매우 사소해 보이지만 전자 질량의 2배에 해당하는 것으로서 만일 전자의 질량이 이처럼 가볍지 않았다면 전자는 쉽게 양성자와 결합하여 중성자를 만들어 냄으로서 이 세상에 수소는 전혀 남아 남지 못했을 것이다.

우주에 존재하는 모든 물질은 물을 제외하고는 온도가 올라가면 밀도가 작아지고 온도가 내려가면 밀도가 커진다. 그런데 물만은 4℃때 최대밀도가 되며 온도가 그 이하로 내려가면 밀도가 오히려 작아진다. 그래서 다른 액체들은 밑에서부터 얼어 올라오지만 물은 표면부터 얼고 또 표면의 얼음이 물속 깊이까지 얼어붙는 것을 어렵게 함으로서 물속의 생태계가 보존되고 더 나아가 지구의 생태계가 유지될 수 있는 것이다.

이 외에도 우리 우주를 구성하고 있는 물질들의 성질들은 우주가 지금과 같이 진화하여 인간과 같은 생명체들이 등장하고 생존해 나가는데 매우 적합한 조건들을 갖추고 있으며 이 것을 골딜록스 효과라고 한다.

[임성빈 교수의 ‘빛의 환타지아’]