'광속도 불변의 원리(Principle of Constancy of Light Velocity)'를 출발점으로 아인슈타인이 만들어낸 '상대성 이론'은 현실에서 일어나는 다양한 현상을 올바르게 설명해 내는데 성공했다. 그런데 현재는 '상대성 이론'에도 '한계'가 있다는 사실이 알려져 있다. 그래서 현재 최첨단 물리학 분야에서는 상대성 이론을 뒤집으려는 연구들이 진행되고 있다.
0. 목차
- 상대성 이론과 양자론의 통합
- 양자 중력 이론
- 광속 변동 이론
1. 상대성 이론과 양자론의 통합
그려면 '상대성 이론'의 한계란 무엇을 말하는 걸까? 바로 중력이나 시공에 대해 설명하는 '일반 상대성 이론(Theory of general relativity)'과, 원자나 소립자가 주역인 미시 세계의 사건을 설명하는 '양자론(Quantum Theory)'이 잘 조화되지 않는 것이다.
일반 상대성 이론'에서는 중력의 정체를 '시공(시간과 공간이 일체가 된 것)'의 '휘어짐'으로 설명한다. 큰 공의 가까운 곳에 작은 공을 놓으면, 휘어진 고무판을 따라 큰 공 쪽으로 끌려간다. 마찬가지로 지구나 태양의 주위에는 시공이 휘어 있어, 우리는 그 시공의 휘어짐을 중력으로 느낀다는 것이다.
한편 양자론에서는, '전자(Electron)'나 '광자(Photon)' 등의 소립자는 실제로 관측할 때까지 그것이 존재하는 장소를 특정할 수 없고, 무수한 상태가 확률적으로 공존한다고 설명한다. 1개의 전자가 들어있는 상자를 생각해 보자. 지금 이 순간 전자가 상자의 오른쪽과 왼쪽 중 어느 쪽에 있는가는 특정할 수 없으며, 오른쪽과 왼쪽 양쪽에 '동시에 존재한다.'는 것이다. 양자론의 이러한 불가사의한 해석은 우리의 상식과는 동떨어진 것이지만, 미시 세계에서 일어나는 현상을 잘 설명할 수 있으므로 받아들여지고 있다.
2. 양자 중력 이론
'블랙홀(Black Hole)'의 중심에는 아주 거대한 질량이 아주 작은 영역에 뭉쳐진 '특이점(Singularity)'이 있다. 그리고 특이점에서 어떤 일이 일어나는지를 설명하려면, '일반 상대성 이론'과 '양자론' 모두가 필요하다. 그런데 일반 '상대성 이론'을 '양자론'의 미시 세계에 그대로 적용시키려고 하면 파탄이 일어난다. 그래서 물리학의 최첨단 분야에서는 이 파탄을 없애고, '일반 상대성 이론'과 '양자론'을 통합하려는 연구가 이루어지고 있다. 통합된 이론은 아직 완성되지는 않았지만 '양자 중력 이론(Quantum Gravity Theory)'라고 불린다.
자연계의 모든 현상을 설명할 수 있다고 기대되는 이론을 '모든 것의 이론(ToE, Theory of Everything)'이라고 한다. 그런데 '모든 것의 이론'을 만들기 위해서는 '양자 중력 이론'이 필요하다. 현재에는 몇 가지의 '양자 중력 이론'이 제안되어 있다. '양자 중력 이론' 중에는 광속이 불변이 아님을 주장하는 내용도 있다. '상대성 이론'의 한계를 돌파하려는 최첨단 '양자 중력 이론'의 후보에는 어떤 이론들이 있을까?
2-1. 초끈 이론
'양자 중력 이론'의 후보에는 몇 가지가 있지만, 그 가운데서 가장 많은 지지를 받고 있는 이론은 '초끈 이론(super string theory)'이다. 초끈 이론에서는 소립자를 엄청나게 작은 '끈(String)'으로 되어있다고 생각한다. 그리고 끈의 진동 방식의 차이가, 소립자의 종류를 결정한다고 생각한다. '초끈 이론'은 이와 같은 방식으로 생각함으로써, 미시 세계의 중력이나 우주의 성립 등을 설명하려고 한다. 초끈 이론의 원형은 1976년에 등장하고, 1980년대에 크게 발전하였다. 초끈 이론의 '끈'은 10-35m 정도로 극히 작고, 또 10차원 또는 11차원을 생각해야 한다. 이 이론은 아직 발전 단계에 있으며, 실험이나 관측에 의해 어떻게 실증할 수 있는가는 분명하지 않다.
'초끈 이론'은 '양자 중력 이론'의 유력한 후보이다. 하지만 자연계의 모든 힘이나 소립자에 대한 통일적인 설명을 할 수 있는 가능성을 가지고 있어, '모든 것의 이론(ToE, Theory of Everything)'이 될 가능성도 있다. 이러한 특징은 다른 '양자 중력 이론'에는 없는 것이다.
2-2. 루프 양자 중력 이론
상대성 이론과 양자론을 통합하려는 시도 중에는 또 하나의 유력한 이론인 '루프 양자 중력 이론(Loop Quantum Gravity)'이 있다. 이 이론에서는 시간과 공간의 '최소 단위'를 생각해, 그들의 관계성에 의해 시공을 나타낸다. 이렇게 생각함으로써 미시 세계의 중력을 설명하려고 하는 것이다. '루프 양자 중력 이론(Loop Quantum Gravity)'은 1980년대 후반에 등장했다.
'루프 양자 중력 이론(Loop Quantum Gravity)' 중에는 '빛(전자기파)'의 진동수에 따라 광속이 변한다는 '이중 특수 상대성 이론(Double Special Relativity)'이라는 이론도 있다. 이 이론은 '광속도 불변의 원리'를 수정하려는 도전적인 이론이다. '루프 양자 중력 이론' 연구에서 중심적인 역할을 하고 있는 '리 스몰린(Lee Smolin, 1955~)'은 당초 '광속도 불변의 원리'와 '루프 양자 중력 이론'을 통합시키려 하고 있었다고 한다. 그런데 그 후 '공간의 최소 단위가 있다는 생각'과 '특수 상대성 이론' 사이에, 본질적으로 모순이 생긴다는 점을 알게 되었다고 한다. 상대성 이론에서는 공간이 축소되는데, 그래도 공간의 최소 단위는 확보된다고 생각한 것이다. 이 아이디어는 2000년 무렵 '이중 특수 상대성 이론'이라는 이론으로 발전하게 되었다. 이 이론은 광속의 값은 불변이 아니라, 빛이 가진 에너지에 의존한다고 생각한다.
2-3. 호자바-리프쉬츠 중력 이론
또 최근에는 '호자바-리프쉬츠 중력 이론(Hořava–Lifshitz gravity)'도 주목받고 있다. 2009년에 미국 캘리포니아 대학의 '페트로 호자바(Petr Hořava, 1963~)' 박사가 제창한 새로운 '양자 중력 이론'이다. 이 이론은 상대성 이론과는 달리, '시간(Time)'과 '공간(Space)'이 같지 않다고 생각한다는 점이 특징이다.
3. 광속 변동 이론(VSL)
'양자 중력 이론'의 구축과는 약간 다른 관점인데, 우주의 시작이나 구조에 대해 생각하는 '우주론(Cosmology)'의 관점에서 광속에 관련된 흥미로운 아이디어를 제기한 연구자가 있다. 영국 런던 대학 임페리얼 칼리지의 '주앙 마게이조(João Magueijo, 1967~)' 박사이다. 1998년에 '주앙 마게이조 박사'는 '광속 변동 이론(VSL: Varying Speed of Light)'을 제안했다.
'광속 변동 이론(VSL)'에서는 우주 탄생 직후의 급팽창 시기인 '인플레이션(Inflation)'이 일어났을 때, 광속이 현재보다 빨랐다고 주장한다. 그리고 이 이론을 제창한 '주앙 마게이조'는 '광속 불변의 원리'가 수정되어 새로운 원리로 바뀌어야 한다고 생각한다고 한다. 어디까지나 그의 개인적인 의견이지만, 그에 따르면 광속도 불변의 원리는 시공을을 양자적으로 올바르게 이해하는 일을 방해해 왔다고 한다. 그는 이 생각을 기반으로, 기존의 인플레이션 이론과는 다른 형태로 우주 탄생과 그 후의 우주 진화의 수수께끼를 설명하려고 한다.