우리는 열쇠를 이미 가지고 있을지 모릅니다 - 모든 것의 이론 1부
우리는 열쇠를 이미 가지고 있을지 모릅니다 - 모든 것의 이론 1부
특히, 물론 모든 것을 아우르는 통일 이론 말입니다.
이 이론을 들어본 적 없다면, 모든 것의 통일 이론은 현재 물리학계의 성배입니다.
우리는 지금 우주를 이해하는 데 큰 분열을 겪고 있고, 답을 찾는 과학자는 새로운 과학 분야를 열 것입니다.
자연히 학계는 그 답을 규명하려는 열띤 논쟁으로 뜨겁고, 각자 역사에 이름을 남기려 합니다.
그들이 논쟁하는 내용은 다음과 같습니다.
우리가 사는 거시 우주에서 일어나는 현상이 원자 및 아원자 미시 세계에 그대로 적용되지 않는 것입니다.
위에선 중력과 특수 상대성 이론이 있습니다.
아래에서는 확률파와 양자 불확정성이 문제를 복잡하게 만듭니다.
위에서는 입자가 실체가 있는 견고한 존재처럼 보입니다.
아래에서는 입자가 단지 확률적으로 존재하는 것으로 보입니다.
문제는, 세계를 해석하는 두 관점 모두 어느 정도 타당하다는 점입니다.
양자 물리는 우주의 미시 세계 작동 방식을 놀랍게 정확히 예측하며 특수 상대성 이론보다 뛰어납니다.
하지만 행성의 움직임, 중력, 시간 흐름에 대해선 설명이 부족합니다.
특수 상대성 이론은 인공위성을 궤도에 띄우는 데 매우 유용하지만, 양자가 왜 존재하는지, 미시 세계가 왜 이상한지에 대해서는 말하지 못합니다.
과학자들은 이 모든 것을 설명할 더 거대하고 포괄적인 이론이 반드시 있다고 생각합니다.
거시적, 미시적 영역 모두 포괄하는 이론입니다.
그것을 찾기 위해서는 뉴턴 중력에서 아인슈타인 시공간 곡률로 넘어갔던 것만큼 큰 사고의 전환이 필요합니다.
그래서 ‘내가 한 번 도전해 보지 뭐’라고 생각했습니다.
저는 Alex McColgan이고, 여러분은 Astrum 채널을 보고 있습니다.
오늘은 제가 ‘모든 것’을 설명하려 시도하는 데 함께 하시죠.
처음에 주의 사항을 말씀드립니다.
이전 영상들과 마찬가지로, 이번에 말씀드릴 아이디어들도 매우 이론적입니다.
기존 이론에 근거했으나 일부 결론은 저의 해석이며, 틀릴 수도 있습니다.
하지만 제 이야기를 들으면 반드시 많은 것을 배우실 것입니다.
또한 이에 분명 의미가 있다고 확신하게 되실 겁니다.
자, 들어보시고 우주의 비밀들이 어떻게 맞물려 있는지 답을 찾는 여정에 함께 하시기 바랍니다.
물론, 모든 것을 통합하는 이론은 한 영상에 담기엔 너무 방대합니다.
하지만 이 이론을 뒷받침하는 기본 원칙을 몇 가지 소개하고, 제가 왜 그것들이 옳다고 생각하는지 설명하겠습니다.
가장 좋은 시작점은 모델입니다—아니, 패션 모델이 아니라 ‘이론적 모델’ 말입니다.
사물의 본질이 왜 그런지 설명하는 개념적 틀입니다.
양자 물리는 수학적 이론에 과학자들이 큰 신뢰를 갖지만, 수학이 실제로 무엇을 나타내는지, 파동함수 붕괴와 확률이 물리적으로 의미하는 바를 묻는다면, 명확한 답을 주는 사람을 본 적 없습니다.
그저 ‘일단 받아들여라’는 말만 들었습니다.
수학은 바로 그런 것을 다룹니다.
그러나 수학이 아주 작은 규모에서 실제 의미하는 것은 무엇인가요?
확률파는 무엇일까요?
우주의 구조는 가장 작은 수준에서 어떤 모양이며, 어떻게 모든 현상으로 이어지는가?
저만 이런 답을 찾는 사람이 아닙니다.
우선 이전에 나온 내용들을 살펴봅시다.
과학이 이 질문들에 답하려 시도했고, 처음에는 유망했지만 결국 매우 난해한 것이 있었습니다: 그것이 끈 이론입니다.
끈 이론은 1970년대부터 연구되어 왔으나, 여전히 처음에 약속한 아름다운 수학적 해답을 완전히 제공하지 못하고 있습니다.
우리의 이론에서도 필요한 개념이기에 끈 이론이 무엇을 말하는지 간략히 살펴봅시다.
세계가 입자로 이루어졌다고 보기보다는, 끈 이론은 모든 것이 서로 연결된 아주 작은 끈들로 구성되었다고 봅니다.
기타 줄처럼 진동하면 파동과 고조파를 형성하는데, 이는 양자역학의 이상한 속성을 설명하는 데 유용하며, 이 분야 이름의 근본 이유인 ‘quanta’를 설명해줍니다.
거시적으로 보면 이런 점을 인식하지 못할 수도 있습니다.
빛이 있을 때, 반투명 차양을 씌워 밝기를 절반으로 줄일 수 있습니다.
이 과정을 계속 반복할 수 있죠.
하지만 이걸 아주 미세한 수준까지 계속하면, 갑자기 더는 더 줄일 수 없습니다.
광자는 한 개, 혹은 두 개일 수 있지만, 한 개 반은 불가능한 것처럼 행동합니다.
왜인지 양자 세계는 이산적 수량을 선호합니다.
전자도 한 에너지 준위나 다른 준위에만 있을 수 있으며, 두 수준 사이 값이 없습니다.
이것이 바로 미스터리입니다.
끈 이론은 이 아이디어에 잘 맞는데, 끈의 고조파 또한 양자화되어 있기 때문입니다.
끈을 튕기면 전체가 위아래 진동하는 정상파가 형성될 수 있는데, 이것을 ‘첫 번째 고조파’라 부릅니다.
혹은 중간에 정지점이 있는 두 아치 진동으로 두 번째 고조파를 만들 수 있습니다.
고조파는 원하는 만큼 만들 수 있으며, 각 고조파는 끈의 에너지 양이 더 높은 것입니다.
하지만 첫 번째와 반 고조파는 존재하지 않습니다.
그렇게 정상파는 형성 불가능합니다.
따라서 진동하는 끈은 한 에너지 준위이거나 다른 준위일 뿐 중간에서 존재할 수 없는데, 양자 세계의 아원자 입자와 같습니다.
유망한 출발이었으나, 끈 이론은 더 깊이 나아갔습니다.
입자는 많은 정보를 갖고 있습니다.
끈이 만드는 진동 모드가 이 정보를 설명할 수 있다는 사실을 알게 되었습니다; 진동 방향에 따라서 말입니다.
끈은 위아래로 진동할 수 있으며, 이 진동은 입자의 전하 같은 한 측면을 나타낼 수 있습니다.
또는 좌우로 진동할 수 있고, 또 다른 측면을 나타낼 수 있습니다.
진동 가능한 방향이 많을수록 더 많은 정보가 끈에 담길 수 있습니다.
물론 3차원 공간에 익숙한 사람은 위아래, 좌우 외에는 더 이상 새로운 진동 방향이 없다는 점을 알 것입니다.
입자는 다른 성질에 영향을 주지 않고도 자신의 값을 바꿀 수 있어야 하는데, 이대로는 안 됩니다.
예를 들어 질량을 바꿀 수 있으면서 전하는 바꾸지 않을 수도 있어야 합니다.
그래서 끈 이론가들은 이 문제를 해결하는 최선의 방법이 차원을 더 추가하는 것이라고 결론 내렸습니다.
그래서 4차원이 도입되고, 이어 5차원, 더 높은 차원이 추가되었습니다.
많은 이에게 끈 이론이 모든 것을 통합하는 이론 후보로서 인기를 잃기 시작한 순간이기도 합니다. 오늘날 학계에는 여러 끈 이론 분파가 있으며, 누구에게 물어보느냐에 따라 전자, 쿼크, 아원자 입자를 26, 21, 11 또는 10차원 이내로 모두 규정할 수 있다고 합니다.
이 많은 차원은 감당하기 어렵고 때로 혼란스러울 수 있습니다.
그러나 4차원 공간에 대한 이론적 기반은 이미 갖추어져 있습니다.
제가 시간과 4차원에 관한 영상을 제작했으니, 아직 이론을 모른다면 꼭 찾아보시기 바랍니다.
간단히 말씀드리자면, 여러분이 2차원이라면 3차원을 볼 수 없습니다.
3차원이라면 4차원을 볼 수 없습니다.
하지만 그렇다고 없다고 할 이유는 없습니다.
우리가 3차원 공간에 있으면서도 시간을 따라 움직인다는 사실은 다른 방향이 존재함을 의미합니다. 많은 분은 4차원도 넘는, 심지어 관찰하거나 측정할 수 없는 26차원 같은 개념은 과학적 원리의 기반으로 삼기에 너무 터무니없다고 생각할 수 있습니다.
하지만 저는 우리가 볼 수 있는 차원의 문을 열면 얼마든지 또 다른 차원을 제안할 이유가 있다고 봅니다.
몇 차원이 존재하는지에 대해서는 제가 스스로 충분한 정보를 가진 게 아니므로 말씀드리지 않겠습니다.
여러분이 가장 신빙성 있다고 생각하는 수를 선택하시기 바랍니다.
10차원은 적당히 압축된 숫자여서 그것일 수도 있습니다.
하지만 볼 수 없는 차원이 7개든 그 이상이든 큰 차이는 아닙니다.
끈 이론은 모든 것을 통합하는 이론에 가장 근접한 후보입니다.
하지만 과학자들은 이를 완전히 신뢰하지 않습니다.
왜냐하면 끈 이론 기반 수학은 매우 매력적이지만, 지금까지 완전히 증명되지 않았기 때문입니다.
끈은 너무 작아서 우리가 점처럼 보일 뿐입니다.
광자를 튕겨내 그것이 있음을 확인할 방법도 없습니다.
끈 이론에는 우리가 실험해서 검증할 예측도 없습니다.
수년간 과학자들이 가설을 찾았지만 성공하지 못했습니다.
그럼에도 저는 이 모델이 탐구할 가치가 있다고 생각합니다.
입자를 점이 아닌 끈 위의 파동으로 보기 시작하면, 우주에서 관찰되는 여러 현상들과 맞아떨어지는 점이 나타납니다.
Astrum에서는 끈 이론을 아직 완전히 버릴 준비가 되어 있지 않습니다.
이 질문을 생각하며 저희가 받은 하나의 관찰 결과입니다.
만약 끈 이론의 어떤 변형이 맞다면, 입자의 질량 같은 특성은 끈이 진동하는 방향에 지나지 않습니다.
일반인들은 질량을 이렇게 생각하지 않습니다.
보통 질량은 물체의 무게나 부피로 생각합니다.
왜 질량을 방향으로 생각할까요?
거의 모든 분이 들어본 유명한 공식이 바로 그렇게 설명합니다.
여러분도 잘 아시는 공식, E=mc²입니다.
이 매우 단순한 공식은 아인슈타인이 빛의 속도 일정성을 설명하기 위해 만든 것입니다.
에너지는 질량에 빛의 속도 제곱을 곱한 값입니다.
어렸을 때 이 공식은 어떤 질량을 에너지로 바꾸려면 매우 큰 수치로 곱해야 한다는 의미로만 보였습니다.
그 큰 수치는 빛의 속도, 299,792,458m/s의 제곱입니다.
믿을 수 없을 만큼 큰 수이며, 질량을 에너지로 바꾸면 엄청난 폭발이 일어난다는 점에서 적절한 수치입니다.
당시에는 그 이상 생각하지 않았고, 질량에 곱하는 수에 불과하다고 여겼습니다.
이 공식을 통해 질량과 에너지는 형태가 조금 다를 뿐 본질적으로 동일하다는 정도만 알 수 있었습니다.
그러나 자세히 보면 ‘c’, 빛의 속도가 눈에 띕니다.
왜 ‘c’일까요? 다른 아무 큰 수가 될 수 없었을까요?
이에는 단위의 균형을 맞추는 수학적 이유가 있지만, 근본적으로 ‘c’는 움직임, 즉 시간당 이동 거리를 나타냅니다.
이 공식은 핵폭탄 발명의 근간이 되었으며, 이 예에서 방출되는 에너지에는 본질적으로 운동이 포함되어 있음을 쉽게 알 수 있습니다; 방사선은 3차원 공간의 모든 방향으로 퍼집니다.
E=mc²은 에너지(E)가 이미 시간이동(거리)이며, 여기에 시작 질량에 대한 특정 배수가 곱해진 것임을 말합니다.
이 공식에 담긴 함의는, 만약 모든 것이 순수한 운동이라면, 질량과 에너지가 동일한 것이라 해석되는 것이 당연하며, 단지 이동 방향이 다를 뿐이라는 겁니다.
마치 위아래로 진동하는 끈과 좌우로 진동하는 끈이 본질적으로 같은 것인 것처럼 말입니다.
물론 우리가 다루는 것은 단순한 c가 아니라 c²입니다.
그래서 벡터 방향이 아니라 면적을 다루고 있습니다.
하지만 이 미묘한 부분을 풀어가다 보면 슈뢰딩거 방정식 탐구로 이어지며, 이는 매우 시간이 많이 필요한 주제이므로 별도의 영상에서 다루겠습니다.
간단히 말해서, 이것은 주장의 약점이 아니라 강점입니다.
그러나 여러분이 모든 것을 아우르는 통일 이론을 인식하게 될 때 떠올려야 할 한 가지 생각이 있습니다.
그 이론은 우리가 우주에서 보는 모든 것을 설명해야 합니다.
중력, 엔트로피, 시간의 흐름, 입자, 쿼타, 양자 불확정성, 블랙홀 등 모두 말입니다.
여러분이 어떤 구조, 어떤 모델을 만들든 그것이 모두를 설명해야 하며, 출발한 근본에서 자연스럽고 논리적으로 파생되어야만 합니다.
이 모든 것이 같은 근본에서 어떻게 비롯되는지 설명하려 합니다.
제 결론을 좀 본격적으로 다루기 시작했는데,
이게 이미 너무 터무니없거나, 모든 것을 아우르는 이론의 기반으로 부족하다고 느끼시나요?
다른 차원에서의 이동 방향이 물질의 모든 속성을 뒷받침할 수 있을까요, 아니면 단순한 개념상의 미로일 뿐일까요?
여러분의 생각을 댓글로 알려 주세요.
어떤 답변이든, 다음 영상에서 이 모든 것을 아우르는 통일 이론에 대해 더 공유하겠습니다.
이 아이디어가 타당하다고 생각하는 이유는 시작에 불과합니다.
다음 영상에서 뵙겠습니다.
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