티끌우주에서 무량우주를 엿본다 - 김제완

[거울]

 


 물질, 공간, 그리고 우주
- 티끌우주에서 무량우주를 엿본다 - 김제완(서울대 명예교수, 물리학)

20세기 후반에 이르러 더 먼 곳과 더 작은 것을 보는 능력을 갖게 되면서 
우주론과 소립자 과학은 급격히 발달했다. 
우주에 띄운 인공위성과 허블망원경을 통해 더 먼 곳을 보게 되었고 
테바트론 같은 고에너지 가속기를 써서 원자핵 속 훨씬 깊은 곳에 숨겨진 
‘극미의 세계’를 보게 됐다. 
이를 바탕으로 막막한 거대우주의 탄생비밀에 접근하고 
물질의 궁극적인 요소에도 성큼 다가서고 있다. 

우선 물질의 세계를 엿보도록 하자. 
물질은 원자로, 원자는 원자핵과 그 외각을 도는 전자로 이뤄져 있다. 
원자핵은 중성자 및 양성자로 이뤄져 있고 
이들은 또 다시 쿼크라는 소립자로 돼 있다는 것이 정설이다. 
그런데 요즈음 이들이 초대칭성을 지닌 아주 작은 끈의 진동이 만들어내는 
에너지양자라는 이론이 설득력을 얻어가고 있다. 

초끈이론(Superstring Theory)으로 알려진 이 이론은 
양자론이 플랑크공식에서 우연히 시작된 것처럼 베네찌아노(Veneziano)라는 젊은 물리학자가 
소립자들이 서로 부딪치며 반응하는 모습을 잘 나타내는 공식을 우연히 발견한 데서 시작됐다. 

그러나 그 공식의 물리적인 뜻을 처음 깨달은 사람은 남부(Y.Nambu)와 닐슨(H. Nilson)이었다. 
그들은 핵자(원자핵의 구성요소)들이 입자가 아니라 
길이가 10-13cm정도의 끈의 진동이 만들어내는 에너지의 뭉치이고 
그 장력이 그램 정도이면 ‘베네찌아노 공식’을 만족시킨다는 것을 보였다
[필자가 끈이론을 처음 접한 것은 디락(P.A.M. Dirac)의 
1965년 컬럼비아 대학 물리학과의 세미나에서였다. 
어떤 이유인지 이런 사실이 물리학사에 남아 있지 않다].

그러나 이 남부의 끈이론에 있어서는 안될 소립자가 진동에서 생성되는 에너지 양자로 있어야 하고 
다른 현상에 적용한 결과 실험과 맞지 않아서 
끈이론은 물리학계의 지지를 받지 못하고 곧 잊혀졌다. 
그러나 다른 사람들이 끈이론에서 떠나버린 뒤에도 칼텍의 슈바르츠(J.Schwartz), 
퀸메리 대학의 그린(M.Green) 그리고 프랑스의 슈렉(J.Schrek)은 
끈이론에 매료돼 연구를 계속하고 있었다. 

- 자연계의 모든 것을 통일하는 초끈이론 -

그들은 1970년대에 일부 물리학자들에 의해 설득력있게 주장된 
초대칭성이론(supersymmetry)에 주목하게 됐다. 
현대물리학은 이 세상을 이루고 있는 물질이 페르미온(Fermion)이라고 분류되는 
스핀(소립자의 자전을 나타내는 양)이 반(半)정수인 소립자와 스핀이 
정수인 보존(Boson)으로 이루어져 있다고 설명한다. 
전자나 쿼크같은 입자는 물질을 이루는 기본요소이며 페르미온이고 
광량자와 같이 힘을 전달하는 입자는 보존이다. 

이들 모두가 에너지의 양자이고 이들은 본질적으로 동등하다는 것이 초대칭성이론이다. 
슈바르츠, 그린 그리고 슈렉은 이러한 성질을 받아들여 끈이론을 초끈이론으로 개조했다. 
뿐만 아니라 남부가 생각했던 것처럼 끈의 크기가 10-13cm정도가 아니라 
훨씬 더 작은 10-33cm정도이고 그 장력 역시 몇 그램이 아니라 1039톤 정도라고 가정하면 
놀랍게도 이런 초끈의 진동이 발산하는 에너지 양자 가운데는 
우리가 알고있는 소립자들이 총망라돼 있었다. 

스핀이 ½인 쿼크뿐만이 아니라 광량자도 있었고 핵력을 전달하는 
스핀이 1인 글루온 그리고 놀랍게도 중력을 전달하는 스핀이 2인 중력자까지 포함돼 있었다. 
이처럼 초끈이론은 이 자연계의 모든 것들을 함께 통일하는 그런 이론인 것이다.

그러나 이 초끈에 나타나는 고유진동이 쿼크와 전자를 나타내는 것이라면 
그것은 우리가 알고있는 4차원 시공에서 성립하는 것이 아니라 
10차원 시공을 바탕으로 하는 이론이었다. 
4차원 시공이라면 쿼크와 전자의 질량이 1033Gev를 넘고 
이곳 저곳에서 무한대라는 계산결과가 나와서 말이 안되고 
적어도 10차원이어야 이런 문제가 생기지 않는다. 
그러나 우리들이 살고 있는 시공은 엄연히 4차원인데 어떻게 된 것인가? 

초끈이론의 신봉자들은 나머지 6차원 공간은 너무 작아서(10-33cm정도) 
우리에게 감지되지 않을 만큼 작게 축소되어 있다고 주장한다. 
작게 말린 칼라비-야우 공간이어야 한다는 것이다. 
초끈이론에서는 질량이 0인 극한적으로 가벼운 블랙홀이 바로 광량자라고 해석되며 
큰 세상과 미시의 세상은 이중성을 지니고 있다는 주장을 하고 있다. 

최근 어떤 물리학자들은 우주가 11차원 시공에 있는 4차원 면이란 주장도 하고 있다. 
우리의 모든 활동은, 마치 영화 속의 인물과 사건들이 화면 속에만 담겨있듯이, 
다차원 공간 속의 일부 면에 국한되어 있다는 생각이다. 
다만 중력만이 예외여서 중력의 법칙이 아주 작은 거리에서 거리의 역자승 법칙에서 벗어나면 
이것이 바로 우리들이 화면 속의 영화배우와 같은 역할을 하고 있는 증거라 주장한다. 
아마 현명한 독자들은 지금쯤 알아차렸을 것이다. 

사실상 우리가 살고있는 이 거대우주의 구조는 소립자의 법칙과 무관하지 않으며 
미시의 세계를 잘 살펴보면 그 속에 바로 거대우주의 비밀이 숨어있다는 것을. 

그렇다면 우리는 거대우주에 대해서 무엇을 알고 있는가? 
‘빅뱅(Big Bang)’으로 알려진 표준이론은 
일반상대성 이론의 바탕 위에서 전개된 물리학자들의 ‘창세기 시나리오’이다. 
허블(E.Hubble)의 관측이 이를 뒷받침하고 있다. 
그의 관측에 의하면 우리 우주는 현재 팽창하고 있으며 그는 그 팽창속도를 측정한 것이다. 
현재 거대우주는 과거의 작은 우주로부터 팽창하여 왔다는 얘기가 되고 
태초에는 티끌보다도 더 작은 우주가 대폭발에 의해 생겨났다는 것이 빅뱅이론이다. 
우주가 탄생하는 그 순간에는 대폭발로 인해 시공자체를 진동케 하는 중력파가 생겼고 
“빛이 있으라 하시니 빛이 있었고…”로 표현되는 태초의 빛도 있었다는 이야기다. 

- 화광 속에서 원시우주의 모습 찾아 -

배경복사로 알려진 이 태초의 빛은, 
마치 동물의 화석(化石)이 옛날의 모습을 선명하게 간직하고 있듯이 
팽창하는 우주의 얼어붙은 화광(化光)이 돼 지금 이 순간에도 관측되고 있다. 
1967년 이 화광을 발견한 벨 연구소의 펜지아와 윌슨 박사는 노벨상을 받았고 
지금 이 순간에도 많은 천체물리학자들이 이 화광 속에서 우리가 살고 있는 
이 우주의 옛 모습을 밝혀내려 하고 있다. 
그들은 화광에 나타난 무늬를 수학적으로 분석하여 
태초에 있었다는 중력파의 흔적을 찾아내려 하고 있다. 

또 그들은 파워스펙트럼으로 알려진 기술적 분석법을 이용해 
도대체 우리 우주는 얼마나 무거운 것인지 그 체중을 알아내려 하고 있다. 
태초의 순간, 티끌보다 작았던 뜨거운 우주가 
눈 깜짝하는 사이에 힉스입자라는 소립자가 응고되면서 쏟아낸 에너지 때문에 
1060배의 자몽만한 크기로 급격한 팽창을 했다는 소위 ‘급팽창이론’에 대한 연구도 활발하다. 

2001년 3월 8일자 『천체물리학 속보』에 의하면 CBI(Cosmic Background Imager)팀이 
급팽창이론이 예측한 골(dip)을 파워스펙트럼에서 확인했다고 한다. 
몇 개월 전에는 유럽 국가들의 합동연구소인 CERN에서 힉스입자의 흔적을 보았다고도 한다. 
그러나 태초의 순간을 작고 순간적으로 재생하는 거대한 가속장치인 
거대하드론가속장치(LHC)가 완성될 무렵이면 우주탄생의 비밀은 더 한층 벗겨질 것이다. 

실리만을 추구하는 각박한 이 시대에 이런 논의가 
“그래도 지구는 돈다…”라는 갈릴레오의 넋두리처럼 들릴 수도 있다. 
하지만 지금 모든 사람이 쓰고 있는 http라는 인터넷 프로토콜의 개발은 
극소의 세계를 개척하려는 CERN에서 파생된 기술임을 알아야 할 것이다. 
눈앞의 작은 이익이 아니라 더 큰 앞날을 보는 물리학의 세계는 역시 멋지다는 생각이 든다. 

※ 용어해설 

[초대칭성] 초끈이론이 성립하기 위한 전제. 
물질을 구성하는 입자인 페르미온과 보존이 서로 대칭적이며 본질적으로는 같다는 것. 
[초끈이론] 자연계를 구성하는 기본 입자들이 사실은 미세한 끈으로 이뤄져 있다는 이론. 
[빅뱅이론] 초기에 우주는 하나의 점과 같은 상태였으며, 
이 점에서 일어난 대폭발로부터 현재의 우주가 만들졌다는 이론. 
[급팽창이론] 우주 초기에 급격한 공간 팽창이 있었다는 이론. 
우주 배경 복사의 균일성과 등방성 및 우주의 평균밀도와 임계값의 일치를 설명한다.