0. 목차
- 소립자(Elementary Particle)
- 4종의 힘
- 통일장 이론
- 게이지 이론(Gauge Theory)
- '초끈 이론'에서 'M이론'으로
- 여분의 차원은 어디에 있는가?
1. 소립자(Elementary Particle)
물질은 원자로 되어 있고, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 원자핵은 또 '양성자(Proton)'와 '중성자(Neutron)'로 되어 있다. 또 양성자와 중성자는 '3개의 쿼크'로 이루어진다. 현재로서는 '전자(electron)'나 '쿼크(quark)'가 물질을 만드는 최소 단위인 '소립자(Elementary Particle)'라고 생각된다.
물질을 만드는 소립자로는 6종의 '쿼크(quark)'와 6종의 '렙톤(lepton)'이 알려져 있다. '쿼크'와 '렙톤'은 각각 2개의 입자가 쌍이 되어, 3개의 '세대(Generation)'를 만든다. 또 이들 입자에는 수명이나 질량이 완전히 같고, 전기 등의 부호가 반대인 '반입자(Antiparticle)'가 존재한다. '전자(Electron)'도 '렙톤(Lepton)'의 일종이다.
2. 4종의 힘
이들 소립자 사이에는 '전자기력(Electromagnetic Force)', '강한 핵력(Strong Nuclear Force)', '약한 핵력(Weak Nuclear Force)', '중력(Gravity)'이라는 '4종의 힘'이 작용한다.
- 전자기력(Electromagnetic Force): 전자와 원자핵을 원자를 만들고, 원자를 합쳐서 물질을 만드는 힘. 전기를 띤 입자에 작용한다.
- 강한 핵력(Strong Nuclear Force): 쿼크를 연결해 양성자와 중성자를 만들고, 양성자와 중성자를 합쳐서 원자핵을 만드는 힘.
- 약한 핵력(Weak Nuclear Force): 소립자의 변화를 일으키는 힘. 예컨대 약한 핵력이 작용하면, 중성자가 양성자로 변해서 원자핵이 붕괴한다.
- 중력(Gravity): 만유인력.
현재는 힘이 4종이지만, 우주가 생겨났을 때는 힘이 1종이었다고 생각된다. 우주는 초극미, 초고에너지 상태에서 생겨난 것 같다. 그리고 우주가 팽창하면서 온도가 낮아짐에 따라 1종이었던 힘이 4종의 힘으로 나누어졌다. 가장 먼저 우주 탄생 직후에 중력이 나누어졌다. 그다음에 강한 핵력, 마지막으로 약한 핵력과 전자기력이 나누어졌다고 생각된다. 4종의 힘은 하나에서 나누어진 것이므로 하나의 방정식으로 나타낼 수 있을 것이다. 이 4종의 힘을 통일하여 단 하나로 만들려는 시도가 이어지고 있는데, 그 단 하나의 이론이 바로 '통일장 이론(Theory of Everything)'이다. '통일장 이론'은 우주의 만물을 설명하는 '모든 것의 이론(ToE: Theory of Everything)'이 될지도 모른다.
3. 통일장 이론
상대성 이론은 '중력(Gravity)'을 다루는 이론이지만, 소립자 같은 초극미 세계의 중력의 움직임은 설명할 수 없다. 하지만 소립자 사이에 작용하는 중력까지 합한 4종의 힘을 통일하는 이론은 즉, 초극미 세계의 중력 이론이기도 하다. 만약, '통일장 이론'이 완성되면 초극미, 초고에너지 상태에서 생겨난 우주 탄생의 수수께끼도 규명될 것으로 생각된다.
'통일장 이론'은 힘의 분리와 반대로 가는 것과 같은 형태로 연구되고 있다. 우선 전자기력과 약한 핵력을 통일하는 '와인버그-살람 이론(Weinberg-Salam theory)'은 완성되었다. 또 여기에 강한 핵력까지 포함한 '대통일 이론(unified field theory: 중력을 제외한 세 가지의 힘인 강력, 약력, 전자기력을 통일하려는 이론)'도 연구되고 있다. 그리고 중력까지 포함한 '통일장 이론'의 유력 후보가 바로 '초끈 이론(Super-String Theory)'이다.
4. 게이지 이론(Gauge Theory)
그러면, 힘은 어떻게 해서 작용할까? 1960년대에 등장한 '게이지 이론(Gauge Theory)'에 의하면, 힘은 입자를 주고받음으로써 작용한다. 즉, 전자기력은 '광자(Photon)', 강한 핵력은 '글루온(Gluon)', 약한 핵력은 '위크 보손'(Weak Boson), 중력은 '중력자(Graviton)'를 주고받음으로써 작용한다. 그리고 이들 힘을 전하는 입자를 '게이지 입자(Gauge Particle)'라고 한다.
'게이지 이론(Gauge Theory)'에서 자연은 '대칭성(Symmetry)'이라는 단순한 법칙에 의해 지배된다고 생각한다. 대칭성이란 A와 B를 교체해도 원래와 다름없는 것으로, 이 교체가 성립하면 A와 B는 원래와 다름없는 상태이다. 예컨대, 좌우 대칭에서는 오른쪽과 왼쪽을 교체해도 바뀌지 않는 상태이다. 또 '게이지 이론'은 '게이지 입자(Gauge Particle)'를 주고받아 힘이 작용하고, 소립자가 교체된다고 생각한다. 눈으로 보기에는 달라도, 그것들을 교체해서 문제가 없는 경우, 그 둘을 같은 종류로 간주한다. 대칭성을 생각하면, 복수의 것을 통일적으로 취급할 수 있다.
4가지 힘에서 '게이지 입자'는 다음과 같이 작용한다. '게이지 이론'에 따르면 '전자기력'은 1종을 '광자(Photon)'를, '강한 핵력'은 8종의 '글루온(Gluon)'을, '약한 핵력은 3종의 '위크 보손(Weak Boson)'을, 중력은 1종의 '중력자(Graviton)'를 주고받음으로써 작용한다.
- 전자기력(Magnetic Force): '광자(Photon)'를 주고받아 '전자'와 '원자핵'을 결합해서 원자를 만들고, 원자를 합쳐서 물질을 만드는 힘. 전기를 띤 입자에 작용한다. 쿼크와 중성미자 이외의 렙톤에 작용한다.
- 강한 핵력(Strong Force): '글루온(Gluon)'을 주고받아 쿼크를 결합해 양성자와 중성자를 만들고, 양성자와 중성자를 합쳐서 원자핵을 만드는 힘. 쿼크에만 작용한다.
- 약한 핵력(Weak Force): 소립자의 변화를 일으키는 힘. '위크 보손(Weak Boson)'을 주고받아 입자의 변화를 일으킨다. 예컨대 약한 핵력이 작용하면, 중성자의 다운 쿼크가 업쿼크가 되어 양성자로 변해서 원자핵이 붕괴한다. 쿼크와 렙톤 모두에 작용한다.
- 중력(Gravity): 만유인력. '중력자(Graviton)'를 주고받아 모든 물질에 작용한다. 물질을 합쳐서 천체나 은하를 만든다.
4-1. '게이지 이론'과 힘의 통일
'게이지 이론(Gauge Theory)'은 '대칭성(Symmetry)'이라는 사고에 의해 힘을 통일한다. 먼저 1967~1968년에 '전자기력'과 '약한 핵력'을 통일하는 '와인버그 살람 이론'이 완성되었고, 1974년에는 여기에 '강한 핵력'까지 포함하려는 '대통일 이론'이 제안되었으며, 1985년에는 모든 것의 이론의 후보로 '초끈 이론'까지 제시되었다.
- 와인버그 살람 이론(Weinberg-Salam theory): 1967~1968년에 미국의 물리학자 '스티븐 와인버그(Steven Weinberg, 1933~2021)'와 파키스탄의 이론물리학자 '압두스 살람(Abdus Salam, 1926~1996)'이 '게이지 이론'을 사용해, '전자기력'과 '약한 핵력'을 통일하여, '와인버그 살람 이론(Weinberg-Salam theory)'을 완성했다.
- 대통일 이론(GUT): 1974년에는 미국의 '셸던리 글래쇼(Sheldon Lee Glashow, 1932~)'와 '하워드 조자이(Howard Georgi, 1947~)'에 의해 '와인버그 살람 이론(Weinberg-Salam theory)'에 '강한 핵력'까지 포함한 3종의 힘을 통일하는 '대통일 이론(GUT: Grand Unified Theory)'이 제안되었다. '대통일 이론(GUT)'에 의하면 'X'라 불리는 '게이지 입자(Gauge Particle)'가 '쿼크(Quark)'와 '렙톤(Lepton)' 사이에 작용해 둘이 교체된다. 대통일 이론이 예언하는 '양성자 붕괴'를 관측하려는 실험이 이루어지고 있지만, 아직 붕괴는 관측되지 않았다. 만약 대통일 이론이 예언하는 쿼크와 렙톤의 교체가 성립하면, 쿼크와 렙톤은 본래 같은 종류의 입자이며, 강한 핵력과 전자기력 및 핵력은 본래 같은 종류의 힘이라고 생각되어 통일적으로 이해할 수 있다.
- 통일장 이론: '게이지 이론'이나 '대칭성의 사고방식'을 더 발전시킨 '초대칭성 이론(Supersymmetry Theory)'에 의해, 중력까지 포함된 '통일장 이론'을 만들려는 시도도 이루어졌다. 하지만 '초중력 이론' 속에, 중력에 휘감긴 무한대의 양이 나와서 완성할 수 없었다. 중력은 아주 특수한 힘인 것 같다. 이와 같은 상황에서 나타난 것이 '초끈 이론'이다. 원래 소립자는 '점(Point)' 상태의 것이라고 생각되었다. 하지만 '초끈 이론'에서는 소립자가 '끈(String)'같은 길이가 있는 것으로 이루어졌다고 생각한다. 그리고 이 '끈'이 다양하게 진동함으로써, 중력자를 포함해 모든 종류의 소립자가 생긴다고 생각한다.
5. '초끈 이론'에서 'M이론'으로
5-1. 끈 이론의 원형이 등장
끈 이론의 원형은 1970년 미국 시카고 대학의 '난부 요이치로(なんぶよういちろう, 1921~2015)' 교수에 의해 제창되었다. 1970년대 후반에는 영국의 '마이클 그린(Michael Green, 1946~)'과 미국의 '존 슈워츠(John Henry Schwarz, 1941~)'가 끈 이론에 초대칭성 등을 도입하면, 중력을 다른 3종의 힘과 통일할 수 있음을 발견하였다. '초끈 이론'에서 '초(超)'는 '초대칭성'이라는 의미이다. 하지만 왜 힘을 통일할 수 있는지에 대해서는 이유가 밝혀지지 않았다. 1984년에는 '마이클 그린'과 '존 슈워츠'가 중력에 얽힌 무한대가 다른 3종의 힘의 성질에 의해 정확히 서로 소멸된다는 사실을 발견했다. 그리고 무한대가 소멸되는 데 필요한 조건을 제시했다.
5-2. 제1차 슈퍼 스트링 혁명
그리고 1985년, 이 조건을 만족하는 초끈 이론이 제안되었다. 미국 프린스턴 대학의 '데이비드 그로스(David Jonathan Gross)' 등의 그룹에 의해 제안된 'E8 × E8 혼성형 초끈 이론'이다. 이 끈 이론을 계산하면, '대통일 이론(Grand Unified Theory, GUT)'과 '와인버그 살람 이론(Weinberg-Salam theory)'의 내용이 자연스레 나온다. 이렇게 해서 초끈 이론은 '모든 것의 이론(ToE: Theory of Everything)'의 유력한 후보로 주목받게 되었다. 이 시기를 '제1차 슈퍼 스트링 혁명(The 1st Super String Revolution)'이라고 부른다.
'E8 × E8 혼성형 초끈 이론'에서는 '물질을 만드는 입자'와 '힘을 만드는 입자'가 모두 길이 10-33cm인 1종의 닫힌 끈으로 이루어져 있다고 생각한다. 이 끈이 '왼쪽 돌기'로 진동하면 '힘을 전하는 입자'와 '물질을 만드는 입자'가 생긴다. 중력을 전하는 '중력자'는 끊이 '오른쪽 돌기'로 진동해 생기는 경우가 있고, '왼쪽 돌기'로 진동해 생기는 경우가 있다. 단 '초끈 이론'에서는 우주를 10차원이라고 생각한다.
5-3. 5개의 초끈 이론이 등장
초끈 이론 연구가 진전됨에 따라, 다섯 가지의 초끈 이론의 가능성이 나타났다. 하지만 이중 가장 유력한 것은 위에서 설명한 'E8 X E8 혼성형 초끈 이론'이었고, 나머지 4개의 초끈 이론은 그다지 오래가지 않을 것으로 생각됐다. 하지만 M이론이 1994~1995년에 'M-이론(M Theory)'이 등장하면서 상황이 급격하게 변했다. 다섯 가지의 초끈 이론이 'M이론'으로 통합될 가능성이 보인 것이다.
5-4. 제2차 슈퍼 스트링 혁명 (M이론)
초끈 이론은 1차원의 '끈(String)'의 이론이지만, M-이론에서는 2차원의 '막(Brane)'에 더 가까운 듯 하다. 'M-이론'(M-Theory)'에 의하면, 소립자는 막이 뭉쳐져서 양 끝을 이은 튜브 모양의 끈으로 되어 있는 것 같다. 즉, M이론은 초끈 이론에 하나의 차원이 더해진 11차원의 이론이다.
M이론의 등장에 의해 '제2차 슈퍼 스트링 혁명(The 2nd Super String Revolution)'을 맞았다. 하지만 M이론을 완벽하게 기술하려면, 어쩌면 새로운 수학이 필요할 지도 모른다. 그래서 M이론을 풀기 위해 수학계와의 교류도 활발하게 진행되고 있다. 물리학의 궁극의 이론을 완성하려는 연구는 지금도 계속되고 있다.
6. 여분의 차원은 어디에 있는가?
'차원(Dimension)'은 그 세계가 물체가 몇 방향으로 나아가는지를 결정한다. 우리의 공간은 가로와 세로, 높이의 세 방향을 가지므로 3차원이다. 여기에 시간 1차원을 더해 4차원이라고 생각해 왔다. 하지만 초끈 이론은 우주가 10차원이라고 생각한다. 나머지 6차원은 초극미 크기로 찌부러져서 '소립자의 내부 공간'에 갇혀 있으리라고 생각된다.