끈 이론(string theory) - 현실의 진정한 본질은 무엇인가?

끈 이론(string theory) - 현실의 진정한 본질은 무엇인가?

끈이론
우주의 진정한 본질은 무엇일까요? 
이 질문에 답하기 위해, 사람들은 세상을 설명하기 위한 이야기를 지어냈습니다. 
우리는 우리의 이야기를 시험해보고, 무엇을 유지하거나 제거해야 할지 배웁니다. 
하지만 우리가 더 많이 알수록 우리의 이야기는 더 복잡해지고 이상해집니다! 
그 중 일부는 너무 기묘해서 실제로 무엇에 관한 것인지 알기 어렵기도 합니다, 
예를 들면 "끈 이론"처럼요. 
모든 것의 본질에 대한 유명하고 논쟁적이며 종종 오해받는 이야기입니다. 

우리는 왜 그것을 생각해냈을까요, 그리고 그게 맞을까요, 아니면 그냥 버리는 게 나을까요? 
현실의 진정한 본질을 이해하기 위해 우리는 아주 가까이 들여다보았고, 놀랐습니다. 
먼지 속의 경이로운 세계들, 기묘한 생명체의 동물원, 복잡한 단백질 로봇들 이 모든 것은 구조화된 분자로 이루어져 있고, 이 역시 수없이 더 작은 원자들로 나뉩니다. 
우리는 이것들이 현실의 가장 작은 구성요소라고 생각했지만, 이것들을 정말 세게 충돌시키자 더는 나눌 수 없는 입자를 발견했습니다. 
소위 말하는 기본입자입니다. 
그런데 이제 문제가 생겼습니다: 이렇게 작은 입자는 더는 볼 수 없었습니다. 

한 번 생각해보세요: "본다"는 것은 무엇일까요? 
무언가를 보려면 빛, 즉 전자기파가 필요합니다. 
이 파동은 물체 표면에서 반사되어 우리의 눈에 들어옵니다. 파동은 물체에 대한 정보를 운반해, 우리의 뇌가 이미지를 만듭니다. 
그러니 어떤 물체를 보려면 필연적으로 그 물체와 상호작용해야 합니다. 
"본다"는 것은 "만진다"와 같습니다—수동적이 아니라 능동적인 과정입니다. 
대부분의 경우 이는 문제가 되지 않습니다. 
하지만 기본입자는 아주, 아주, 아주 작습니다. 
너무 작아서, 우리가 보는 데 사용하는 전자기파가 너무 커서 이 입자를 건드릴 수도 없습니다. 
가시광선은 이 입자들을 그냥 지나쳐버립니다. 
더 작고 파장이 짧은 전자기파를 사용해볼 수도 있겠지만, 더 작은 파장은 더 큰 에너지를 뜻합니다.
그리고 우리가 고에너지 파동으로 입자를 때리면, 입자 자체가 변화해버립니다. 
그래서 입자를 관찰하려 하면, 어쩔 수 없이 입자도 변화시켜버립니다. 
기본입자는 우리가 정확하게 측정할 수 없습니다. 
이렇게 중요한 원칙에는 고유한 이름이 있습니다: 하이젠베르크의 불확정성 원리. 
이 원리는 모든 양자역학의 기반이 됩니다. 
그렇다면 기본입자는 도대체 어떻게 생겼고, 본질은 뭘까요? 
우린 그냥 모릅니다. 
 아무리 자세히 들여다봐도 우리는 단지 흐릿한 영향범위만 볼 뿐, 실제 입자 자체는 못 봅니다. 
다만 그것들이 반드시 존재해야 한다는 것만 알 뿐입니다. 
그렇다면 입자를 가지고 어떻게 실험을 할 수 있을까요? 우리는 인간이 제일 잘 하는 것——수학적 허구로 새로운 이야기를 만들어냈습니다. 
점 입자(particle point) 이야기가 시작되었습니다. 
우리 모두는 입자가 공간 속 특정 점에 대응한다고 합의했습니다. 
각 전자는 일정한 질량과 전하를 갖는 점입니다. 
그리고 모든 전자는 어느 면에서든 동일합니다. 
이렇게 해서 물리학자들은 전자를 정의하고, 모든 상호작용을 계산할 수 있게 되었습니다. 
이른바 양자장 이론(quantum field theory, QFT)이 많은 문제를 해결하였고, 입자 물리학의 표준모형 전체가 여기에 기반하고 있습니다. 
이 이론은 많은 것들을 굉장히 정확히 예측합니다. 
예를 들어 전자의 몇몇 양자특성은 실험적으로 테스트되었으며, 그 정확도는 0.0000000000002%에 달합니다. 
비록 입자가 실제로 점에 대응하지 않지만, 이 단순화된 개념을 통해 우리는 우주를 꽤 정확하게 설명할 수 있습니다. 
이 아이디어는 이론과학에 있어 큰 도약이었을 뿐 아니라, 우리가 매일 누리고 있는 많은 기술의 기반이 되었습니다. 
하지만 중력(gravity)만은 큰 문제로 남았습니다. 
양자역학에서는 모든 힘이 특정 입자(교환 입자)에 의해 전달됩니다. 
하지만 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 다른 힘들과 달리 '무대(스테이지)'의 역할입니다. 
즉, 중력은 극의 배우가 아니라, 그래비티는 '공간-시간'의 기하학입니다. 
거리를 절대적으로 정의해야 하는 이론입니다. 
그런데 양자 세계에는 절대적으로 측정할 방법이 없습니다. 
이 때문에 중력과 양자물리의 이야기는 함께 작동하지 않습니다. 
물리학자들은 새로운 입자를 도입해 중력을 이론에 통합하려 했지만 전체 수학 체계가 무너졌습니다. 
이것은 진짜 심각한 문제입니다. 
만약 중력을 표준 모형과 통합할 수 있다면, 우리는 바로 '만물의 이론'을 손에 넣게 됩니다. 
그래서 매우 매우 똑똑한 사람들이 새로운 이야기를 떠올렸습니다. 
"점보다 더 복잡한 것은 뭘까?"
그 답은 바로 '선'——즉 'string(끈)'입니다. 
이것이 바로 끈이론의 탄생입니다. 
끈이론의 가장 큰 미덕은 여러 가지 입자를 끈의 다양한 진동 모드로 설명할 수 있다는 점입니다. 
마치 바이올린 줄이 여러 진동을 하며 다양한 음을 내듯 끈도 다양한 진동을 통해 다양한 입자를 만들어 냅니다. 
그리고 무엇보다 중요한 점은, 중력도 자연스럽게 설명된다는 점입니다! 
끈이론은 우주 내 모든 근본 힘을 하나로 통합하겠다는 약속을 내걸었습니다. 
이로 인해 많은 흥분과 논란이 일어났습니다. 
끈이론은 곧 만물의 이론(theory of everything, TOE)의 유력 후보가 되었습니다. 
하지만 끈이론에는 많은 문제점이 있습니다. 
일관된 끈이론 수학은 우리가 사는 3차원 공간, 1차원 시간의 우주에서는 작동하지 않습니다.
끈이론이 제대로 작동하려면 10차원이 필요합니다. 
그래서 끈이론 물리학자들은 모델 우주에서 계산을 시도했고, 추가되는 6차원을 제거하고 실제 우리 우주와 일치하려 했지만, 아직까지 누구도 성공하지 못했고, 끈이론의 예측이 실험적으로 입증된 적은 한 번도 없습니다. 
결국 끈이론은 우주가 실제로 어떤지 밝혀내지 못했습니다. 
이쯤 되면 끈이론은 정말 아무짝에도 쓸모없는 것이 아닐까요? 
과학은 실험과 예측이 전부입니다. 
이걸 못한다면, 왜 끈을 연구해야 할까요? 
그건 우리가 끈이론을 사용하는 방법에 달렸습니다. 
물리학은 수학에 기반합니다. 
2 더하기 2는 4입니다. 
당신이 뭐라고 생각하든, 이건 맞는 일입니다. 
끈이론의 수학도 논리적으로 타당합니다. 
그렇기에 끈이론은 여전히 유용합니다. 
예를 들어, 아주 작은 조각배 설계도만 갖고 거대한 크루즈선을 만들고 싶다고 상상해 보세요. 
엔진, 재료, 크기는 다르지만 둘 다 물에 뜬다는 점에서는 똑같습니다. 
노 젓는 배 설계를 연구하다보면, 언젠가 크루즈선을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 
끈이론을 통해, 우리는 양자 중력, 블랙홀, 정보 역설 같은 수십 년간 물리학자들을 괴롭혀온 문제들을 연구할 수 있습니다. 
이런 관점에서 끈이론은 우리는 올바른 방향으로 인도할 수도 있습니다. 
이런 태도라면, 끈이론은 양자세계의 새로운 측면을 발견하고 아름다운 수학을 탐구하는 이론물리학자들에게 매우 중요한 도구가 됩니다. 
결국, 끈이론의 이야기가 만물의 이론이 아닐 수도 있지만 점입자 이론처럼 실로 대단히 유용한 이야기가 될 수 있습니다. 
우리는 아직 현실의 진짜 본질을 모릅니다. 
하지만 해답을 찾기 위해 새로운 이야기를 만들어가고 언젠가 반드시 '모든 것의 해답'을 찾게 되길 희망합니다.

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