萬物의 窮極은 무엇인가?

 

 

 

//   만물의 궁극은 무엇으로 이루어져 있을까? 우주와 자연에 작용하는 가장 근본적인 섭리는 무엇일까? 이런 질문들은 고대 그리스 시대의 자연철학으로부터 오늘날의 첨단 물리학에 이르기까지, 수많은 학자들이 지대한 관심을 가지고 연구해온 중요한 주제였다. 흔히 과학의 시조라 불리는 그리스의 자연철학자 탈레스는 일찍이 ‘만물은 물로 이루어져 있다’고 말했고, ‘물, 불, 흙, 공기’의 네 가지가 가장 기본적이라는 ‘4 원소설’을 주장하는 학자들도 있었다. 같은 시대의 데모크리토스가 ‘만물은 원자로 이루어져 있다’는 고전적인 원자론을 처음으로 언급한 이후, 근대 과학은 모든 물질이 각기 다른 원자들로 구성되어 고유의 성질을 나타낸다는 사실을 밝혀내었다. 20세기에 들어와서 양성자, 전자, 중성자와 같이 원자를 구성하는 기본적인 소립자들이 발견됨에 따라, 원자 역시 더 이상 쪼갤 수 없는 물질의 궁극이 아니라는 사실이 알려졌다. 근래에는 소립자 역시 물질의 가장 기본적인 단위가 아니고 이보다 더 작은 쿼크(quark)라고 하는 입자가 존재한다는 주장이 나왔고, 이를 뒷받침하는 실험결과 등이 나온 바 있다. 만물의 궁극이 무엇인지는 아직도 명확히 밝혀졌다고 할 수 없지만, 지금까지 공통적인 것이 있다면 물질의 최소 구성단위를 당구공과 같은 구의 형태라고 생각해 온 점이다. 그런데 1970~80년대 이후 미국 칼텍의 이론물리학자 존 슈바르츠와 영국 퀸 메리 대학의 마이클 그린 등이 발전시킨 초끈이론(Superstring Theory)에서는 대담하게 발상을 바꿔서, 만물의 궁극을 끈과 같은 형태라고 본다. 즉 우주의 만물은 소립자나 쿼크와 같은 기존의 단위보다도 훨씬 작은 구성요소인 ‘진동하는 가느다란 끈’으로 이루어져 있다고 생각하는 것이다. 또한 바이올린이나 첼로에서 각기 다른 소리가 나는 것이 현의 진동 패턴과 주파수가 서로 다르기 때문인 것과 마찬가지로, 끈들이 진동하는 패턴에 따라서 각기 입자마다 고유한 성질이 생긴다고 설명한다. 최근 초끈이론이 각광을 받고 있는 중요한 이유 중의 하나는, 그것이 우주와 자연의 모든 원리를 통합하여 설명하는 이른바 ‘만물의 이론(theory of everything)’이 될 가능성이 크기 때문이다. 우리가 우주를 거시적으로 볼 경우에는 대개 아인슈타인의 상대성 이론을 떠올린다. 시, 공간과 중력의 원리 등에 대해 설명하는 상대성 이론을 적용하면, 태양과 지구의 운동, 머나먼 별빛의 경로 및 우주의 모습 등을 비교적 정확하게 기술할 수 있다. 상대성 이론이 보여 주는 거시 세계는 연속적으로 이루어져 있으며 예측 가능한 세계라고 볼 수 있다. 그러나 거시적인 세계가 아닌, 원자 이하 단위의 아주 작은 미시세계를 기술할 경우에는 양자역학이라는 전혀 다른 이론을 적용해야 한다. 미시세계에서는 불확정성 원리에 의해 입자들의 운동 등을 확률적으로 밖에는 기술할 수 없고, 입자와 파동의 이중성이 나타나는 등, 우리가 거시세계에서는 상식이라고 생각했던 것들과는 매우 다른 물리적 현상들이 자주 일어난다. 즉 미시세계는 불연속적이며 예측 불가능의 세계라고도 볼 수 있다. 따라서 거시세계를 설명하는 상대성 이론과 미시세계를 설명하는 양자역학은 서로 대치되어 있는 셈이며, 현대 물리학의 근간을 이루는 두 이론체계가 충돌을 일으키면서 양립되지 못한다는 점은 오늘날 물리학자들이 반드시 해결해야 할 과제로 여겨져 왔다. 초끈이론을 적용한다면 아주 작은 물질 입자에서부터 우주 공간에 존재하는 커다란 천체에 이르기까지 자연계의 모든 것을 설명할 수 있는, 우주와 자연의 궁극적인 원리를 밝혀낼 수 있을지도 모른다. 왜냐하면 초끈이론에서는 만물이 1차원적인 끈의 요동에 의해 만들어진다고 가정하기 때문에, 양자역학의 불연속성과 상대성 이론의 연속성 간의 모순을 해소하고 거시세계와 미시세계의 물리법칙을 하나의 일관된 체계로 설명할 수 있는 가능성이 더욱 커지기 때문이다. 상대성 이론을 완성한 아인슈타인을 많은 사람들은 20세기의, 아니 인류 역사상 가장 위대한 과학자라 꼽기를 주저하지 않는다. 그는 “나는 신이 어떻게 이 세계를 창조했는지 알고 싶다. 신의 생각을 알고 싶을 뿐, 나머지는 지엽적인 것에 불과하다”고 하면서 말년에는 모든 것을 통합하는 ‘만물의 이론(Theory of Everything)’을 밝혀내기 위해 오랜 노력을 기울였지만, 끝내 성공시키지는 못하였다.       만물의 이론이란 물질의 궁극과 힘의 근원을 포함하여, 그야말로 우주와 자연의 모든 것을 설명할 수 있는 이론이어야 한다. 물론 이러한 이상적인 이론이 정말 존재하는 것인지, 그것을 성공적으로 밝혀낼 수 있을지 장담할 수는 없을 것이다. 그러나 수많은 물리학자들은, 조물주가 우주를 만들 때에 여러 가지의 이론을 동원하여 얼기설기 짜 맞춘 것이 아니라, 단 하나의 궁극적인 이론을 통하여 아름답게 창조했을 것이라고 생각한다. 또한 이러한 믿음은 단순한 희망이 아니라, 충분한 근거가 있다고 볼 수 있다. 물질에 작용하는 힘에는 궁극적으로 모두 네 가지 종류가 있다. 즉 萬有引力을 설명하는 重力, 전기와 자기가 서로 끌어당기거나 밀어내는 電磁氣力, 원자핵 안에서 양성자와 중성자를 묶어주는 强力, 방사능 붕괴를 일으키는 弱力이 그것이다. 自然界에 存在하는 이 네 가지의 힘을 하나로 統合하여 설명하려는 시도가 곧 統一長 理論(Unified Field Theory)이며, 이는 곧 만물의 이론에 다가가는 것으로 볼 수 있다. 이중 전자기력과 약력은 1979년도 노벨물리학상을 받은 와인버그(Weinberg, Steven)와 살람(Salam, Abdus)에 의해 전자기-약력이론으로 통합되어 통일장 이론의 가능성을 한층 올린 바 있다. 또한 19세기 후반에 맥스월(Maxwell, James Clerk)은 이전까지 별개라고 생각되어 오던 전기력과 자기력을 통합하여 전자기법칙을 밝힌 것도 일종의 성공적인 통일장 이론이라고 볼 수 있다. 더 거슬러 올라가자면, 뉴턴이 태양, 천체의 운동 등 천상의 세계에 작용하는 역학과 지상에 작용하는 역학이 동일함을 밝혀서 만유인력과 운동의 법칙을 세운 것도 오늘날의 통일장 이론과 유사한 측면이 있다. 이처럼 지금까지의 물리학은 통일장 이론, 그리고 만물의 이론에 보다 한발씩 다가섰던 것으로 볼 수 있으며, 最近에는 電磁氣力, 强力, 弱力의 세 힘이 아주 가까운 거리 내에서는 하나의 힘으로 기술될 수 있음이 밝혀졌다. 그러나 하나 남은 重力만큼은 다른 힘들과 달리 통합하기가 쉽지 않았는데, 超끈이론에서는 입자를 하나의 점이 아닌, 약간의 크기를 갖는 끈으로 보기 때문에 중력까지도 하나의 힘으로 통일하여 기술하기가 훨씬 수월해 진다. 초기의 초끈이론은 광자와 중력자 등을 끈의 진동으로 설명하기 위하여 자연계를 무려 26차원으로 기술하였다. 그 후 16차원이 숨어버린 10차원의 자연계를 설정한 초끈이론은 기술적인 난제들을 해결하면서 발전하였으나, 어디에서 시작하느냐에 따라 다섯 가지의 서로 다른 형태의 이론이 나옴에 따라 난관에 봉착하기도 하였다. 통일장 이론, 혹은 만물의 이론이 다섯 가지나 된다는 것은 물리학자들의 기대에 크게 어긋나기 때문이다. 그러나 1995년 이후 프린스턴 고등연구원의 위튼(Edward Witten) 박사가 기존의 다섯 가지 이론이 근본적인 차이가 없음을 밝히고 이들을 통합시킬 수 있는 단일한 이론체계로서 이른바 ‘M이론’을 제시하면서 새로운 도약의 계기를 맞게 되었다. M이론은 우주의 기본 구성 요소를 끈에서 막(Membrane)으로 확장시키는 이론인데 여기서 M은 막 이론(Membrane theory), 신비로운(Magic, Mystery)이론, 모든 이론의 어머니(Mother theory)등을 의미한다는 이야기가 있다. 自然과 宇宙의 根源이 물질과 힘이 아닌, 끈과 막에 의해 설명될 수 있다고 믿는 초끈이론은 아직도 해결해야 할 커다란 과제가 하나 있다. 수학적으로는 완벽할지 몰라도, 이론을 뒷받침할 수 있는 실제적인 증거가 있는가, 그리고 어떻게 입증할 수 있는가 하는 점이다. 만약 끝내 실험을 통해 끈의 존재를 입증할 수 없다면, 초끈이론은 그냥 아름다운 수학적 이론에 머물거나, 과학이 아닌 철학의 차원으로 볼 수밖에 없다는 의문도 나오고 있다.     뉴턴 중력법칙 ①사과를 땅으로 잡아당기는 힘과 달이 지구궤도를 돌게 하는 힘이 동일한 하나의 힘 ②천체와 지구를 중력이라는 하나의 이론으로 통합 ③태양이 폭발하면 거리에 상관없이 중력이 작용하여 지구가 즉시 궤   도를 벗어남 ④중력의 힘이 어떻게 작용하는지는 설명 못함 멕스웰 전자기력 ①맥스웰이 수학을 통해 전기력과 자기력의 관계를 설명하는 4개의 방정식을 발견, 전기력과 자기력을 통합 ②전자기력이 지구의 중력보다 수십 억 배 강함 아인슈타인 일반상대성이론 ①중력이 시간과 공간의 장을 구부러지거나 휘어지게 함 ②하나의 시공간에 3차원의 공간과 1차원의 시간이 섞여있다고 생각 ③4차원으로 된 시공간을 기하학적으로 이해 ④지구의 공전은 태양이 지구를 잡아당기는 것이 아니라 태양 때문에 생긴 공간의 굴곡을 그냥 따라돌기 때문 ⑤태양이 폭발할 경우, 파장이 지구에 다다를 때까지 태양 주위의 궤도를 벗어나지 않음 ⑥중력의 파장이 빛의 속도와 똑같이 이동 ⑦빛의 속도가 우주에서의 한계속도이며, 능가하는 속도는 없음 ⑧중력이 빛보다 빨리 이동할 수 없으므로 태양이 폭발하면 8분후에 지구가 궤도를 이탈함 ⑨중력이 우주의 한계속도를 넘어설 수 없다는 것을 증명해야 量自力學 ①1920년대 닐스고어를 주축으로 구성 ② 최소단위로 여겨져 왔던 원자가, 양자와 중성자로 된 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 구성되어 있음 ③아인슈타인과 맥스웰의 이론은 원자 안에서 서로 상호 작용하는 작은 입자들을 설명하는 데는 무용지물 ④닐스고어는 세계는 예측 불가능한 게임의 세계이므로, 가능성을 예측하는 게 최선 ⑤아인슈타인은 우주는 질서정연하고 예측 가능함 '신은 주사위를 던지지 않는다'는 말로 양자역학 반대 ⑥우주를 지배하는 힘은 중력과 전자기력 외에 강력(S)과 양력(W) 이 있음을 발견 ⑦양자 수준에서 볼 때, 중력은 다른 세가지 힘에 비해 미약 중력이 다른 힘에 비해 약한 이유 ①중력은 우리를 지구로 잡아당기고, 지구로 하여금 태양주위를 돌게 함 ②지구 전체의 중력으로 사과가 떨어지지만, 사람의 팔 힘으로 떨어진 사과를 들 수 있고, 자석으로 바닥에 떨어진 쇠붙이를 들 수 있음 ③전자기력이 중력의 뒤에 0 이 37개나 붙을 만큼, 전자기력이 강함 ④우리 우주 근처에 평행우주가 존재한다면 볼 수는 없지만, 중력을 통해 느낄 수도 있음 우주에 대한 2가지 이해방식 ①일반상대성이론(General Theory Of Relativity): 우주의 거대한 물체 즉 별이나 은하계들을 이해하는 방식. 시공간이 중력과 상호 작용하여 그 결과가 시공간의 곡률로 나타난다는 중력 이론 ②양자역학(Quantum Mechanics): 우주의 작은 물체들 즉 원자보다 작은 소립자를 설명하는 체계. 미시세계의 원자나 소립자들의 운영방식을 지배하는 역학 원리  일반상대성이론과 양자역학의 충돌 ①양자역학에서 말하는 현란하게 요동치는 시공간의 모습은 일반상대성이론이 묘사한 매끄럽고 질서정연하며 기하학적인 시공간모델과 정면으로 충돌 ②두 이론을 함께 설명할 수 있는 방정식이 만들어지면 언제 어디에서 어떻게 우주가 운영되는지, 그 비밀이 밝혀질 것   우주를 지배하는 4가지 힘 ①일방상대성 이론: 중력(G) ②양자역학: 강력(S): 원자안에서 양성자와 중성자를 단단하게 결속시키며 원자핵의 형태를 유지시켜주는 힘 ③ 전자기력(EM): 전기력과 자기력이 합해진 힘 ④ 약력(W): 방사능 붕괴를 일으키는 힘 끈이론 ①우주를 구성하는 최소단위가 점 같이 생긴 입자가 아닌 끊임없이 진동하는 가느다란 끈이라고 주장  ② 전통 우주관은 정적이고 변하지 않는 우주 ③아인슈타인은 우주가 구부러지고 휘어지며 웜홀(Wormhole)즉, 우주공간에서 서로 다른 영역을 연결하는 튜브모양의 통로가 존재하지만  우주가 찢어지지는 않음 ④양자역학에서 바라본 공간은 극도로 미세하고 혼돈상태로 찢어질 수 있음. 하나의 끈이 공간을 지날 때마다 튜브를 만들게 되고, 튜브가  찢어진 곳을 감싸는 역할을 함. 아인슈타인 우주관보다 우주가 훨씬 역동적 ⑤일반상대성이론이 중력에 의해 시공간이 부드럽게 휘어진다고 주장한 반면, 양자역학은 초미세영역에서 일어나는 양자의 요동 때문에 시공간이 부드럽지 않음 M 이론 ①M이론이전: 10차원=1차원시간+3차원공간(좌우, 전후, 상하)+여분의 6차원(너무 작아서 보이지 않음) ②M이론: 11차원=10차원+1차원. 11차원이 존재한다면 끈은 자유롭게 움직일 수 있음. 끈이 막으로 확장. ③우주가 더 넓은 고차원의 막위에 존재 가능. 즉 우리 옆에 다른 우주(평행우주)가 여분의 차원에 존재 가능 ④고차원 우주에 막이 있다면 素粒子는 그 막을 벗어날 수  없음. 그래서 다른 우주를 보지도 만질 수도 없음   -퍼온 글-