아인슈타인의 초끈 이론: 점으로 설명되지 않는 과학 현상

 

초끈 이론(Superstring Theory)이란 입자, 점으로 설명되지 않는 과학 현상을 선, 끈으로 대체한 것이다. 과거에는 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 물질의 단위를 원자(atom)라 불렀다. 하지만 현대 물리학에서 원자는 원자핵(중성자+양성자)과 전자로 이루어져 있다는 게 밝혀졌다. 그리고 원자핵을 이루는 중성자, 양성자는 쿼크(quirk)라고 불리는 기본 입자 세 개가 모여 형성된 것이다. 중성자, 양성자, 전자처럼 아주 작은 존재를 소립자라고 부른다. 원자가 축구장 크기라면, 원자핵은 축구장 한가운데에 놓인 구슬이고, 전자는 축구장을 떠도는 먼지 정도에 비유될 수 있다. 

본다는 것은 빛이 물체에 부딪혀 우리의 눈에 상이 맺히는 것인데 중성자, 양성자, 전자 이 기본 입자들은 크기가 너무 작다 보니 가시광선이 닿을 면적이 안 된다. 과학자들은 빛이 가진 전자기파의 파장을 아주 짧게 압축하면 소립자를 눈으로 보는 일이 가능하다는 것을 알아냈다. 하지만 빛의 파장을 압축하면 에너지가 너무 커져 빛이 입자에 닿는 순간, 입자를 흐트러뜨리게 된다. 소립자는 존재하지만, 그것을 보려고 하면 사라지고 마는 것이다. 이는 앞에서 언급한 ‘불확정성의 원리’와 관련이 있다. 소립자는 눈으로 볼 수 없지만 영향력은 확인되기 때문에 과학자들은 기본 입자 간의 상호 작용을 계산하기 위해 이것들을 아주 작은 점으로 가정했다. 이런 가정은 제법 잘 들어맞았다. 하지만 입자만으로 설명할 수 없는 게 있으니 바로 ‘중력’이다.

양자 역학에서 모든 물리적 힘은 입자에 의해 옮겨진다. 아인슈타인은 일반 상대성 이론에서 중력을 시공간 그 자체라고 했다. 중력은 입자가 아니기 때문에 일반적인 수학 법칙을 적용하면 잘 들어맞지 않는다. 그래서 과학자들은 중력과 양자 역학의 결합 방법을 찾는 과정에서 점 대신 선, 끈으로 소립자를 설명하는 방식을 고안했다.

초끈 이론에 의하면 끈은 모든 입자의 근본적인 모습으로, 끈의 진동 패턴과 진동수에 따라 서로 다른 입자로 보이게 된다. 중력 역시 이 초끈 이론을 대입하면 간단하게 설명된다. 중력을 매개하는 중력자가 바로 이 끈의 진동에서 나온다고 생각하면 일반 상대성 이론의 양자 역학적 기술이 가능해지는 것이다. 

문제는 이 초끈 이론은 우리가 사는 시공간에는 잘 들어맞지 않는다는 사실이다. 초끈 이론은 10개의 차원을 필요로 한다. 우리가 사는 시공간이 4차원인데 나머지 6차원은 어디에 있을까? 시공간 어딘가에 돌돌 말아 구겨 넣어져 있을 것이라고 초끈 이론은 이야기한다. 구겨진 공간이 풀려 나와 우리 눈앞에 펼쳐지려면 우리의 상상을 초월하는 에너지가 필요하기 때문에 초끈 이론이 맞는지 아닌지 실험으로 검증하는 것은 아직까지 현실적으로 불가능하다. 

올바른 이론은 반드시 실험으로 검증이 돼야 하기 때문에 초끈 이론은 정식 이론으로 대접받지 못하고 있다. 하지만 학계의 부정적인 반응에도 불구하고 세계 초일류 대학들은 여전히 초끈 이론 연구에 매진하는데 유의미한 실험 결과만 얻어 낸다면 초끈 이론이야 말로 ‘모든 것의 이론’으로 우뚝 설 가능성이 있기 때문이다. 

아니 어쩌면 이미 초끈 이론은 자기 역할을 다했는지도 모른다. 중세기 연금술 아니 어쩌면 이미 초끈 이론은 자기 역할을 다했는지도 모른다. 중세기 연금술을 생각해 보자. 원래 목적엔 실패했다고 해도 연금술이 인류 문화 발전에 기여한 공로는 결코 적지 않다. 비록 미완으로 남았지만 이제까지 초끈 이론이 수학계, 과학계에 미친 영향만큼은 누구도 부정할 수 없다.