엘러건트 유니버스(저자:브라이언 그린)

[miramonte]

엘러건트 유니버스

브라이언 그린.Brian R. Greene .1963~

「미국의 이론 물리학자 , 수학자 , 끈 이론가. 1990년부터 1995년까지 Cornell University 의 물리학 교수. 1996년부터 Columbia University 의 교수. 2008년 공동 창립 이후 World Science Festival 의 회장. 현재뉴욕에 거주」

1부 지식의 변두리에서

[제1장] 끈 String으로 단단히 묶다

현대물리학은 두 개의 커다란 기둥에 의해 그 체제가 유지되고 있다. 하나는 방대한 스케일의 우주를 설명해주는 이론, 즉 아인슈타인의 일반상대성이론으로, 별과 은하, 성단 등 광활한 우주에서 일어나는 현상들을 이해할 수 있는 이론적 기틀을 마련해 주었다. 그리고 다른 하나의 기둥은 분자와 원자를 비롯하여 그 내부에 존재하는 전자, 쿼크(quark)등의 소립자 세계를 설명해주는 양자역학이다.

지난 100년 동안 물질의 미세 구조로부터 우주의 법칙에 이르기까지 수많은 사실들이 이 두 개의 이론에 의해 밝혀졌음에도 불구하고, 일반상대성이론과 양자역학은 아직도 물과 기름처럼 별개로 존재하고 있다.

우주는 양쪽 극단의 성질들을 동시에 가질 수도 있다. 블랙홀의 중심부에는 엄청난 질량이 아주 작은 공간 속에 밀집되어 있다. 빅뱅이 일어나기 직전에 우주는 모래알 하나 정도의 크기에 불과했다. 이것은 극미의 영역에 거대한 질량이 상상을 초월할 만큼 압축되어 있는 상태이므로, 미시세계의 양자역학과 거시세계의 일반상대성이론이 동시에 적용되어야 올바른 답을 얻을 수 있을 것이다.

초끈이론이야말로, 일반상대성이론과 양자역학 사이의 대립관계를 해소시켜줄 가장 강력한 후보라고 힘주어 강조하고 있다.

● 세 번의 충돌 사건

첫 번째 충돌 사건은 18세기 후반에 빛의 이상한 성질로부터 발생하였다. 뉴턴의 운동법칙에 의하면 운동하는 두 물체의 상대 속도는 각각의 속도를 더하거나 뺌으로써 구해진다. 따라서 당신이 무슨 수단을 쓰건 충분히 빠른 속도로 달릴 수만 있다면 당신은 멀어져가는 빛을 얼마든지 따라잡을 수 있다. 그러나 맥스웰의 전자기법칙에 의하면 아무리 빨리 달려도 빛을 따라잡는 것은 불가능하다. 앞으로 이 책의 2장에서 다루게 되겠지만, 아인슈타인은 특수상대성이론으로 이 문제를 해결하였으며, 그 결과로 우리는 시간과 공간의 개념을 기본바닥부터 송두리째 바꿔야했다. 시간과 공간은 모든 사람들에게 동일하게 느껴지는 절대적인 물리량이 아니라, 개개인의 운동 상태에 따라 주조와 외형이 고무줄처럼 변형되는 ‘상대적인’물리량이었던 것이다.

특수상대성이론이 알려지면서 곧바로 두 번째 충돌사건이 발생했다. 아인슈타인이 얻어낸 결론들 중에는 이 우주 내에 존재하는 그 무엇도 빛보다 빨리 이동할 수 없다는 내용이 포함되어 있었다. 그런데 뉴턴의 만유인력, 즉 중력의 법칙에 의하면 질량을 가진 물체가 다른 물체에게 중력을 행사하는 데에는 전혀 시간이 소요되지 않는다(예를 들어, 아무 것도 없는 우주 공간에 질량을 가진 물체 A를 갖다 놓고 잠시 기다렸다가 멀리 떨어진 곳에 또 다른 물체 B를 잽싸게 갖다 놓는다면, B가 A의 중력을 느낄 때까지 시간이 얼마나 걸릴까? 뉴턴은 B를 갖다 놓는 즉시 A의 중력을 느낀다고 생각했다. 이것은 논리적 사고의 결과라기보다는 직관이 수용할 수 있는 한도 내에서 더 이상 문제를 복잡하게 만들기 싫었기 때문에 어쩔 수 없이 내려진 결론이다:옮긴이) 이 충돌을 해결한 사람도 역시 아인슈타인이었다. 그는 1915년에 중력을 새로운 개념으로 이해하는 일반상대성이론을 발표했다. 특수상대성이론이 시간과 공간에 대한 기존의 관념을 뒤집어엎었던 것처럼, 일반상대성이론도 중력의 개념에 일대 혁명을 일으켰다. 이제 시간과 공간은 관측자의 운동 상태에 영향을 받을 뿐만 아니라, 물질이나 에너지가 존재하는 곳에서는 뒤틀리고 휘어질 수 잇는, 참으로 난해한 물리량이 되었다.

시공간의 이러한 왜곡 현상은 한 지점에서 다른 지점으로 중력이 전달되는 수단으로 작용한다. 따라서 시간과 공간은 우주의 사건들이 진행되는 무대 배경이 아니라, 사건들과 어우러져 함께 우주의 스토리를 만들어가는 어엿한 배우였던 것이다.

충돌→해결→혁명으로 이어지는 이러한 일련의 과정은 또 한 번 반복되었다. 일반상대성이론이 기존의 문제를 해결하면서 또 하나의 문제를 야기시킨 것이다. 1900년부터 시작하여 약 30년 동안 물리학자들은 미시세계에 적용되는 양자역학을 발전시켰는데, 이것이 일반상대성이론과 세 번째 심각한 충돌을 일으키고 말았다.

● 극미의 우주 : 물질에 대해 우리가 알고 있는 것들

1968년에 스텐포드 선형 가속기 센터에서 물질의 미세 구조를 연구하던 중 양성자와 중성자조차도 물질의 최소 단위가 아니라는 충격적인 사실이 밝혀졌다. 실험결과에 의하면 하나의 핵자(양성자 또는 중성자)는 3개의 소립자로 이루어져 있는데, 이 소립자에는 쿼크라는 괴상한 이름이 붙여졌다. 이는 쿼크의 존재를 미리 예견했던 머리 켈만이 아일랜드의 소설가 제임스 조이스의 <피니건의 경야>라는 소설에서 눈에 띄는 단어 하나를 따다가 명명한 것이다. 당시에는 두 가지 형태의 쿼크만이 발견되어 업 쿼크와 다운 쿼크라는 이름으로 구별하였다. 양성자는 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 이루어져 있으며 중성자는 두 개의 다운 쿼크와 하나의 업 쿼크로 이루어져 있다. 이 우주 안에 산재해 있는 모든 물질들은 업 쿼크와 다운 쿼크, 그리고 전자로 이루어진 것처럼 보인다. 그리고 이 소립자들은 더 작은 단위로 쪼갤 수 있다는 실험적 증거는 아직 발견되지 않았다. 그러나 실험실에서 얻어진 결과들을 종합해볼 때, 우주에는 이들 이외에 다른 소립자들이 반드시 존재해야 한다.

※양자는 전자(0.511 MeV)보다 약 1,836 배 무겁다. 양자의 질량은 업 쿼크와 다운 쿼크 질량, 그리고 글루온 질량(= 0)을 다 합쳐도 13 MeV/c2를 넘기지 못하는데 이는 양성자 질량(938 MeV)에 비해 턱없이 작은 값이다. 얼핏 보면 말이 안 되는 것 같아 보이지만 사실 상대성 이론을 고려하면 이상할 게 없는 현상이다. 상대성 이론에 따르면 어떤 계 system가 가진 총체적인 질량은 그 계에 속한 입자들 질량을 합치는게 아니라, 그 입자들 에너지와 운동량을 모두 합친 걸 가지고 얻어야 하는 값이다.(나무위키)

1950년대 중반에 프레데릭 라인스와 클라이드 코완은 네 번째 소립자를 발견하는 데 성공했다. 이 입자는 1930년대 초반에 볼프강 파울 리가 그 존재를 미리 예견했던 ‘뉴트리노’였다. 뉴트리노는 다른 물질과 상호 작용을 거의 하지 않는 유령 같은 성질을 갖고 있기 때문에 관측하기가 매우 어렵다. 평균치 정도의 에너지를 갖고 있는 뉴트리노는 수 조(10¹²)마일 두께의 납덩이를 가볍게 통과할 정도로 투과력이 강하다. 이것은 다른 한편으로 생각하면 매우 다행스러운 일이기도 하다. 지금 당신이 이 책을 읽고 있는 순간에도 태양에서 날아온 수십억개의 뉴트리노들이 당신의 몸을 관통하고 있기 때문이다. 물론 이들은 지구도 가볍게 통과하여 우주 저편을 향해 고독한 여행을 계속한다. 1930년대 후반에는 ‘뮤온'(전자보다 200배 가량 무겁다는 것만 빼고는 모든 성질이 전자와 동일하다)이라는 소립자가 우주선(외부에서 지구로 쏟아져 내리는 입자들)을 연구하던 한 물리학자에 의해 발견되었다.

그 후 물리학자들은 더욱 강력한 기구를 발명하여, 빅뱅이후로 한 번도 도달한 적이 없는 초고에너지 상태를 순간적으로나마 만들 수 있게 되었다. 그들은 이러한 환경 속에서 입자의 족보에 새롭게 추가될 새로운 소립자들을 하나씩 찾아나갔다. 지금까지 알려진 입자의 명단은 다음과 같다.

※네 종류의 쿼크가 추가로 발견(charm, strange, bottom, top)되었고 전자와 사촌지간이면서 큰 질량을 가진 tau입자, 그리고 뉴트리노와 성질이 비슷한 두 개의 입자(muon neutrino, tau neutrino, electron- neutrino)가 발견되었다. 이 입자들은 고에너지 충돌과정에서 탄생했다가 순식간에 사라져버린다. 즉, 이들은 우리 주변의 일상적인 물질들을 이루는 구성 요소가 아닌 것이다.

모든 입자들은 자신의 파트너인 반입자를 가지고 있다. 반입자란 질량이 같으면서도 다른 성질들(전기 전하나 기타, 다른 힘의 근원이 되는 전하량)이 정반대인 입자를 말한다. 예를 들어 전자의 반입자는 양전자로서, 질량은 전자와 정확하게 같지만 전자와 정반대인 +1의 전하를 갖고 있다. 입자와 반입자가 만나면 에너지를 방출하면서 사라져 버린다. 바로 이러한 이유 때문에 우리 주변에는 반입자가 거의 존재하지 않는 것이다.

우리 주변에 있는 대부분의 물질들은 전자와 업-쿼크, 다운-쿼크만으로 이루어져 있음에도 불구하고, 왜 자연계에는 이렇게 많은 종류의 입자들이 존재하는 것일까?

● 자연계에 존재하는 힘들/광자photon는 어디에 있는가?

물체의 질량은 중력의 크기를 결정하는 척도로서, 질량과 중력은 서로 비례하는 관계에 있다. ~~~전기 전하는 전자기력의 크기를 결정하는 물리량인 것이다.

강력과 약력은 원자 스케일의 근거리에서만 작용하고 거리가 멀어지면 급격히 감소하기 때문에 우리에게는 다소 낯선 힘이다. 이 두 개의 힘들이 중력이나 전자기력보다 한참 뒤에 발견된 것도 바로 이런 이유 때문이다. 강력은 양성자와 중성자 내부의 쿼크들을 단단하게 결속시켜 주면서, 동시에 양성자와 중성자를 원자핵 속에서 강하게 결합시켜주는 힘이다. 그리고 약력은 우라늄이나 코발트 같은 원소에서 방사선 붕괴를 일으키는 힘이다.

지난 한 세기 동안 물리학자들은 이 네 종류의 힘들에서 두 가지의 공통적인 성질을 발견했다. 첫 번째 공통점은 이 힘들이 아주 미세한 입자(힘을 매개하는 입자)들에 의해 전달된다는 것이었다. 레이져 빔은 전자기파의 일종으로서 그 안에는 수많은 광자(photon)들이 들어 있는 데, 전자기력은 바로 이 광자라는 다발에 의해 매개된다(광자는 전자기파, 즉 빛을 이루는 구성입자이다). 그리고 이와 비슷하게 약력과 강력은 각각 위크게이지 보존과 글루온이라는 다발에 의해 매개된다.

※(힘― 매개입자 ―질량)

강력 ― 글루온 ― 0

전자기력 ― 광자 ― 0

약력 ― 위크 게이지 보존 ― 86, 97

중력 ― 중력자 ― 0

(중력자는 아직 실험적으로 발견되지 않았다)

당신이 양손에 전자를 하나씩 쥔 채로 이들을 서서히 접근시키면 두 개의 전자들 사이에는 서로 끌어당기는 중력과 서로 밀쳐내려는 전자기력이 동시에 작용할 것이다. 이 두 개의 힘 중 어느 쪽이 더 셀까? 실제로 계산을 해 보면, 한 마디로 말해서 쨉도 안 된다. 전자기력에 의한 척력이 중력보다 10⁴²(100만x10억x10억x10억x10억)배나 크다.

우리 주변의 모든 물체들은 양전하와 음전하를 똑같은 양만큼 갖고 있기 때문에 전자기적 효과가 서로 상쇄되어 겉으로 나타나지 않지만 중력은 항상 끌어당기는 인력의 형태로 작용하기 때문에 전자기력과 같은 상쇄 효과가 나타나지 않는다. 질량이 많으면 많을수록 중력의 세기는 오로지 증가하기만 한다.

실험적으로 알려진 사실에 의하면 강력은 전자기력의 100배, 그리고 약력의 10만 배에 해당하는 위력을 갖고 있다. 그런데 이 힘들은 왜 존재하는 것일까? 이들의 존재 이유를 논리적으로 설명할 수는 없을까?

원자핵 내부의 양성자들은 모두 +전하를 갖고 있기 때문에 이들 사이에는 서로 밀쳐내려는 전자기력이 작용하고 있다. 그러나 다행히도 양성자의 구성 입자인 쿼크들 사이에 작용하는 핵력(인력)이 전자기력(척력)보다 훨씬 크기 때문에 양성자들은 서로 흩어지지 않고 단단히 붙어서 안정된 핵을 이룰 수 있는 것이다. 만일 전자기력과 강력의 크기 비율이 조금만 달라진다면 두 힘의 균형 상태가 붕괴되어 대부분의 원자핵들은 당장 분해되고 말 것이다. 그리고 만일 전자의 질량이 지금의 몇 배로 커진다면 전자와 양성자는 서로 맹렬하게 결합하여 중성자가 되고, 그 결과 수소 원자(한 개의 양성자와 한 개의 전자로 이루어진 가장 단순한 형태의 원자)는 당장에 씨가 말라버릴 것이다. 뿐만 아니라, 무거운 원자들도 지금의 형태를 유지하지 못하고 산산이 분될 것이다.

● 끈이론string theory의 기본 개념

모든 입자들은 점이나 구sphere의 형태가 아니라 지극히 미세한 1차원 고리(가느다란 끈의 양 끝을 한데 이어놓은 모양으로 원형일 필요는 없음:옮긴이)모양을 하고 있다는 것이다. 지극히 가느다란 고무줄처럼 진동하고 춤추는 입자들-이 아이디어를 처음 제기했던 물리학자들은 겔만 만큼 문학적 안목이 없었는지, 여기에 끈이라는 재미없는 이름을 붙여놓았다.) 언뜻 보기에 잘 이해되지 않겠지만, 입자의 궁극적 구조를 끈의 형태로 대치시키면 양자역학과 일반상대성이론의 대립관계를 해소시킬 수 있다.

● 끈이론은 만물의 이론인가?

아인슈타인은 중력과 전자기력을 하나의 법칙으로 통일시키는 통일장이론을 연구하면서 30년의 세월을 보냈다.

끈이론에 의하면 만물의 최소 단위인 끈이 진동하는 방식에 따라 겉으로 나타나는 형태가 달라진다. 즉, 하나의 끈은 진동모드에 따라서 업-쿼크가 될 수도 있는 것이다. ~~~소립자들과 매개 입자들은 모두 진동하는 끈의 여러 가지 얼굴 중 하나로 간주될 수 있다. 바이올린이나 피아노의 줄이 각기 고유의 공명 진동수를 갖고 있는것처럼, 만물을 이루는 끈 역시 다양한 형태의 진동 모드를 갖고 있다. 그러나 이 끈은 음악을 만들어내는 것이 아니라, 진동 패턴에 따라 특정 질량과 힘 전하를 갖는 입자의 형태로 나타나는 것이다.

물리학 역사상 처음으로 , 우리는 우주의 근본 원리를 과학적으로 설명할 수 있는 능력을 갖게 되었다.

● 끈이론의 현주소

이 책의 주된 목적은 끈이론의 관점에서 우주의 원리를 설명하는 것이다. 특히 끈이론이 말하는 시공간의 구조를 이해하는데 중점을 두고자 한다. ~~~~끈이론은 이론적 체계가 아직 완전하게 확립되지 못한 상태이며, 따라서 실험적으로 엄밀한 검증을 거친 완성된 이론이 아니다. 그리고 학계에서는 아직도 정설로 받아들여지지 않고 있다.

2부 시간과 공간, 그리고 양자의 딜레마

[제2장]시간과 공간, 그리고 관찰자의 눈

맥스웰의 이론은 모든 종류의 모든 종류의 전자기파들이 결코 멈추거나 느려지는 일 없이 영원히 빛의 속도로 여행한다는 사실을 입증해냈다. (물론, 매질이 달라지면 빛의 속도는 달라질 수 있다. 예를 들어, 유리 속에서 진행하는 빛은 진공 상태에서 진행하는 빛 보다 속도가 느리기 때문에 굴절된다. 여기서 빛의 속도가 항상 일정하다고 말하는 것은 동일한 매질을 통과할 때 그렇다는 뜻이다: 옮긴이) .~~~멈춰 있는 빛은 어디에도 존재하지 않는다.

● 직관의 맹점

관찰자들이 동일한 현상을 관측했을 때 서로 다른 결과를 얻는다는 것은 일상적인 경험을 통해 이미 잘 알려진 사실이다. 자동차를 타고 고속도로를 달리는 사람에게는 가로수가 뒤로 움직이는 것처럼 보이지만, 도로변에 서서 히치하이크를 하고 있는 사람의 눈에는 가로수들이 제자리에 서 잇을 뿐이다. 이와 반대로, 자동차의 운전석 앞에 있는 계기판의 경우에는 운전자의 관점에서 볼 때 정지해 있지만, 도로 위에 서 있는 사람의 눈에는 자동차와 동일한 속도로 내달리고 있다. ~~~이것이 바로 이 세계의 상대성에 대한 직관적 이해 방법이다.

그러나 특수상대성 원리에 의하면, 서로 다른 운동 상태에 있는 두 사람의 관찰자가 각기 얻어낸 관측 결과는 이보다 더욱 복잡하고 미묘한 형태로 달라지게 된다. 즉, 서로에 대하여 움직이고 있는 관찰자들에게는 거리와 시간도 달라진다는 것이다. 다시 말해서, 동일한 시계를 차고 있는 두 사람의 관찰자가 서로 상대방에 대하여 움직이면서 어떤 두 사건 사이의 시간 간격을 관측했다면 이들은 서로 다른 결과를 얻게 된다. 물론 이것은 시계의 오차 때문이 아니다. 시간이라는 물리량은 원래 이러한 성질을 갖고 있다.

이와 비슷하게, 서로에 대하여 움직이고 있는 두 사람이 어떤 물건의 길이를 각자 자신이 가진 줄자로 측정한 경우에도 동일한 결과를 얻을 수 없다. 이것 역시 측정상의 오차에서 기인하는 현상이 아니다.

특수상대성이론의 결과는 우리가 경험을 토대로 쌓아온 직관과 매우 동떨어져 있다. 왜 그럴까? 이유는 간단하다. 상대론적 효과는 움직이는 속도가 빠를수록 크게 나타나는데, 우리가 일상적으로 경험하는 자동차나 비행기등의 속도는 빛의 속도에 비교할 때 달팽이보다 느리기 때문에 그 효과가 거의 눈에 보이지 않는 것이다. 지구 위에서 제각각의 속도로 이동하고 있는 모든 사람들은 각자 나름대로의 고유한 시공간을 경험하고 있지만, 그 차이가 너무 작아서 느끼지 못하는 것뿐이다.

그러나 미래형 우주선을 타고 우주공간을 매우 빠른 속도로 비행하는 경우에는 특수상대성이론에 의한 효과들이 매우 크게 나타난다. 물론 이런 경험은 아직 공상 과학 소설에서나 가능하다. 상대론적 효과는 빛의 속도와 견줄만한 초고속에서 두드러지게 나타나지만, 정밀하게 세팅된 실험 장치로 관측해본 결과, 아인슈타인의 특수상대성이론은 범우주적으로 적용되는 진리임이 분명하게 밝혀졌다.

슬림은 운전석에 앉아 차를 출발 시킨뒤 시속 12마일까지 속력을 냈으며, 도로변에 서 있던 점은 초시계로 주행시간을 측정했다. 나중에 결과를 확인하기 위해, 슬림도 똑같은 종류의 초시계로 자신의 주행시간을 측정했다.

이 경우, 슬림과 짐의 측정 결과는 어떻게 나올 것인가? 특수상대성이론이 알려지기 전까지는, 두 사람이 측정한 주행 시간이 정확하게 같다는 데 아무도 이견을 달지 않았다. 그러나 특수상대성이론에 의하면 두 사람의 시계는 결코 같을 수가 없다. 만일 짐의 시계가 30초를 가리키고 있다면, 슬림의 시계는 29.99999999999952초를 가리키고 있을 것이다. ~~~~우리가 일상적으로 겪는 속도에서 일어나는 상대론적 효과는 이렇게 미미한 것이다.

길이를 측정하는 경우에도 이와 유사한 차이가 발생한다. 예를 들어. 짐이 차의 길이를 측정하기 위해 다음과 같은 아이디어를 떠올렸다고 가정해보자. 즉, 슬림이 타고 있는 차의 앞쪽 R트이 자신이 서 있는 지점을 통과할 때 초시계를 작동시키고, 차의 뒤쪽 끝이 지나갈 때 초시계를 멈추는 것이다. 짐은 차의 속도가 시속 120마일이라는 사실을 알고 있으므로, 차의 속도에 자신이 측정한 시간을 곱하면 차의 길이를 알아낼 수 있다. 자, 이렇게 해서 얻어진 차의 길이는 과연 차가 정지해 있을 때 슬림이 자로 측정한 결과와 일치할 것인가? 고전적으로 생각해보면 다를 이유가 하나도 없다. 그러나 특수상대성이론에 의하면 이 역시 같을 수가 없다, 차가 멈춰 있는 상태에서 슬림이 측정한 결과가 16피트였다면, 짐의 측정고과는 15.99999999999974피트가 된다. ~~~바로 이 차이로 인해 불변의 시간과 공간이라는 절대적인 개념은 작별을 고하게 되었다. ~~~

빛의 속도는 초속186,000마일(초속 30만 킬로미터), 또는 시속 6억 7천만 마일이다. 슬림의 차가 시속 5억 8천만 마일로 달린다면(빛 속도의 87%) wal이 측정한 차의 길이는 8피트로 줄어들 것이며, 짐이 측정한 주행 시간은 슬림이 측정한 시간보다 두 배 가량 길어질 것이다.

● 상대성이론의 기본 원리

상대성원리는 매우 단순한 사실에 기초를 두고 있다. 우리가 어떤 물체의 속도(빠르기와 진행 방향)를 논할 때에는 그 속도를 측정하고 있는 관찰자(또는 관측기계)의 운동 상태까지 정확하게 명시해야 한다.

조지라는 한 우주선의 승무원이 우주공간에서 유영을 하고 있다. 그는 근처에 행성이나 별, 은하 등의 천체가 전혀 없는 완전한 암흑 속에서 우주복을 입은 채로 공간 속을 떠다니고 있다. 그가 지니고 있는 도구라고는 붉은 빛을 내는 손전등이 전부이다. 조지의 입장에서 볼 때, 근느 암흑의 우주 속에서 완전히 정지해 있는 것처럼 느꼊니다(물체에 가해지는 힘이 전혀 없을 때, 그 물체는 정지해 있거나 균일한 속도로 움직이게 된다. 위의 경우, 조지의 근처에는 그에게 힘을 행사할 만한 질량이 없기 때문에, 조지의 몸은 완전히 정지해 있거나 균일한 속도로 이동 중일 것이다. 이럴 때 조지의 입장에서 자기 스스로를 바라본다면 자신이 정지해 있는지, 아니면 움직이고 있는지를 판단할 방법이 없다:옮긴이). 그런데 갑자기 저만치서 푸른 빛을 발하는 물체가 조지의 시야에 들어왔다. 그 불빛은 조지가 있는 쪽으로 점점 가까이 다가오더니 마침내 정체를 드러냈다. 그것은 우주공간을 떠돌고 있는 또 한 사람의 우주인, 그레이시였던 것이다. 두 사람은 스치듯이 지나치면서 서로 흔들어 인사를 나누었고, 그레이시는 반대편 방향으로 멀어져갔다. 그러나, 그레이시의 입장에서 이 상황을 다시 설명한다면, 먼발치에서 붉은 빛이 점점 다가오더니, 조지라는 우주인이 손을 흔들며 인사를 하고는 반대편으로 멀어져갔다고 생각할 r서이다.

동일한 상황에 대한 이 두 개의 상반된 관점들 중에서 어느 것이 진실인지를 판별할 수 있는 방법은 없다. 즉, 두 개의 상반된 주장이 갖는 진실성의 정도가 완전히 똑같다는 것이다. “모든 운동은 상대적이다” 이것이 바로 상대성 원리의 핵심이다.

~~~절대 운동이라는 개념은 이 우주에 존재하지 않는 것이다. 운동은 언제나 상대적인 개념이다.

여기서 주목할 점은 조지와 그레이시에게 외부로부터 어떠한 힘도 작용하지 않았다는 점이다. 즉, 이들은 등속운동(속도와 크기와 방향이 변하지 않는 운동, 완전한 정지 상태도 등속운동으로 간주할 수 있다:옮긴이)을 하고 있었다.

엄밀하게 표현한다면 힘이 작용하지 않고 있는 상태에서 진행되는 모든 운동은 다른 대상과의 상대적인 비교 하에서만 서술될 수 있다. 여기서 힘이 작용하지 않는다는 전제는 매우 중요한 의미를 담고 있다. ~~~등속운동은 상대적이지만 가속운동은 상대적이 아니다.

당신이 기차를 탄 채로 졸다가, 맞은편에서 다가오는 기차와 스쳐 지나가는 순간에 잠에서 깨었다고 가정해보자. 창밖을 내다보니 스쳐가는 기차 때문에 시야가 가려서 다른 풍경은 전혀 보이지 않는다. 이 경우에 당신은 내가 탄 차가 움직이고 있는지, 아니면 맞은편의 기차가 움직이는 건지, 또 둘 다 움직이고 있는지, 판단을 내리기가 곤란할 것이다.

아인슈타인이 떠올렸던 아이디어는 바로 이것이었다.. 이것이 바로 상대성우너리의 핵심이다. 힘이 작용하지 않는 모든 운동(정지 상태를 포함한 모든 등속 운동)은 상대적이기 때문에, 등속운동을 하고 있는 다른 물체를 기준으로 삼아 그것에 대한 운동 상태를 서술하는 것이 우리가 할 수 있는 최선이다. ~~~절대 등속운동이라는 개념은 말로만 존재할 뿐, 우리가 사는 우주에서는 오로지 상대적인 등속운동만이 물리적 의미를 갖는다. ~~~등속으로 이동하고 있는 모든 관찰자들에게 모든 물리법칙은 동일하다.

● 빛의 속도(광속)

특수상대성 이론의 두 번째 핵심은 빛의 운동과 밀접한 관계가 있다. 앞서 말했던 대로 조지가 시속 10마일의 속도로 달리고 있다는 서술은 무엇에 대해서 시속 10마일인지가 명시되어 있지 않으므로 물리적 의미를 가질 수 없다. 그러나 빛은 관측자의 운동 상태에 상관없이 항상 시속 6억 7천만 마일이라는 한결 같은 속도로 진행한다는 것으로 알려져 있다.

당신의 친구가 당신을 향해 레이저 빔을 발사했을 때 빔의 속도를 측정한다면 당연히 시속 6억 7천만 마일일 것이다. 그러나 만일 당신이 그 빛을 피해 도망가면서 레이저 빔의 속도를 측정한다면, 그 결과는 어떻게 될까? 뉴턴의 고전 역학적 관점에서 볼 때, 당신을 쫓아오는 레이저 빔의 속도는 당신이 가만히 서 있을 때보다 느리게 보여야 한다. 시속6억 7천만 -시속 당신이 도망가는 거리가 될 것 같다. 그러나 놀랍게도 위의 계산은 다르다. 당신이 빛의 추적을 피해 달아나면서 빛의 속도를 관측한 경우에도, 빛의 속도는 언제나 시속 6억 7천만 마일로 일정하다. ~~~이 얼마나 황당한 결과인가? ~~~~결론적으로 광원과 관찰자의 상대 속도에 관계없이 관측된 빛의 속도는 언제나 동일하다.

20세기를 맞이하던 무렵에, 전 세계의 물리학자들은 이 문제를 놓고 격렬한 논쟁을 벌였다. ~~~그런데 아인슈타인은 이 가설을 혼쾌히 받아들였다.

● 진실의 결과

속도란 정해진 시간 내에 얼마나 먼 거리를 이동할 수 있는지를 나타내는 척도이다. 만일 우리가 65마일로 달리는 차에 타고 있다면, 이는 한 시간 동안 이 속도를 유지할 때 65마일의 거리를 이동할 수 있다는 뜻이다.

거리는 분명히 공간적인 개념으로서, 공간상의 두 지점 사이가 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 나타내는 양이다. 그리고 시간 간격은 시간적인 개념이며, 두 개의 사건 사이에 흘러간 시간의 양을 뜻한다. 따라서 속도는 시간과 공간의 개념과 밀접하게 연관되어 있음이 분명하다.

빛의 속도는 어떤 상태에서 관측을 하건 간에, 항상 불변이다. 이것은 분명히 속도에 관한 우리의 상식에 위배되는 결과이다. 그렇다면 우리가 옛날부터 믿어왔던 시간과 공간의 개념 자체에 문제가 있는 것은 아닐까? 이리하여 빛의 속도는 아인슈타인에 의해 또 한 차례 엄밀한 검증을 거치게 되었으며, 그 결과는 기존의 물리학을 송두리째 뒤엎을 정도로 엄청난 것이었다.

● 시간 개념의 혁명 : 제1부

광속불변의 성질을 이용하면 우리가 습관적으로 받아들이고 있는 시간의 개념이 잘못되었다는 사실을 간단하게 입증할 수 있다. 등속으로 달리는 열차 안에서 두 사람이 탁자를 가운데 두고 앉았다. 한 사람은 열차가 달리는 방향으로 앞을 보고 상대방은 반대 방향을 향하고 있었다. 탁자 가운데는 전구가 놓여 있고 스위치를 켜는 순간 두 사람은 동시에 전구의 불빛을 확인할 수 있다. 그러나 이 모습을 열차 밖에 있는 사람이 볼 때는 상황이 다르다. 열차가 달리는 방향을 보고 있는 사람은 빛을 향해 나아가고 반대에 앉은 사람은 빛을 보고 후퇴한다. 따라서 열차 밖에 있는 관찰자의 입장에서는 빛을 보고 나아가는 사람이 그와 반대로 앉은 사람의 거리보다 빛과의 거리가 짧아 보인다. 빛의 속도는 같지만 관찰자의 입장에서는 달라 보이는 것이다. 그렇다면 누가 옳은가? 둘 다 옳다고 말할 수밖에 없다.

이 우주는 상대성 원리의 지배를 받고 있다. ~~~ 만일 빛이 야구공처럼 우리의 직관대로 움직이는 성질을 가졌다면 열차 안의 사람들과 바깥에 서 있는 사람들은 아무런 문제없이 의견 일치를 볼 수 있을 것이다. 즉 달리는 방향의 사람은 전구와 눈 사이의 거리가 짧아진 대신 다가오는 빛의 속도가 느려지고(열차의 진행방향과 빛의 진행 방향이 반대이므로), 반대로 앉은 상대방은 전구와 눈 사이의 거리가 길어진 대신 빛의 속도가 빨라지기 때문에 득과 실이 정확하게 상쇄되어, 바깥에 있는 관찰자가 보기에도 빛은 정확히 동시에 두 사람의 눈에 도달할 것이다. 그러나 실제의 세계에서 빛은 결코 빨라지거나 느려지지 않는다. 바로 이러한 빛의 특성 때문에 바깥에 있는 사람들의 눈에는 열차가 달리는 방향을 보고 앉은 사람이 빛을 먼저 본 것으로 여겨진 것이다.

● 시간 개념의 혁명 : 제2부

이제부터는 물체의 운동이 시계에 미치는 영향을 살펴 볼 차례다.

● 달리는 물체의 수명

빛의 속도가 불변이라는 사실로부터 움직이는 광자시계가 정지해 있는 광자시계보다 늦게 간다는 것을 입증했다. 그리고 상대성원리에 의해 이 현상은 광자시계뿐 아니라 이 세상에 존재하는 모든 시게에 똑같이 적용된다는 사실도 입증했다. 즉, 이것은 시계의 성질이 아니라 시간 자체의 독특한 성질인 것이다. 따라서 움직이고 있는 사람의 시간은 정지해 있는 사람의 시간보다 늦게 흘러간다. 그렇다면 계속해서 움직이는 사람은 제자리에 정지해 있는 사람보다 오래 살게 될까? 그렇지는 않다. 시간이 늦게 가는 것은 시계에만 해당되는 것이 아니다. 움직이는 사람의 심장 박동을 비롯한 모든 생체 현상도 똑같이 느껴져서, 정작 당사자는 아무런 변화도 느끼지 못한다. 이 사실은 이미 실험을 통해 사실임이 입증되었다. 실험 대상은 사람이 아닌 뮤온이라는 소립자였지만, 이 결과가 알려진 후로 빠른 속도로 달리면서 젊음을 유지하는 상대론적 회춘법은 한갓 허황된 꿈에 머물게 되었다.

움직이고 있는 사람의 시간은 정지해 있는 사람의 시간보다 늦게 흘러간다. 그렇다면 계속해서 움직이는 사람은 제자리에 정지해 잇는 사람보다 오래 살게 될까? 그렇지는 않다. 시간이 늦게 가는 것은 시계에만 해당되는 것이 아니다. 움직이는 사람의 심장 작동을 비롯한 모든 생체 현상도 똑같이 느려져서, 정작 당사자는 아무런 변화도 느끼지 못한다. 이 사실은 이미 실험을 통해 사실임이 입증되었다. 실험대상은 사람이 아닌 뮤온이라는 소립자였지만, 이 결과가 알려진 후로 빠른 속도로 달리면서 젊음을 유지하는 상대론적 회춘법은 한갓 허황된 꿈에 머물게 되었다.

실험실 안에서 정지 상태에 있는 뮤온은 방사능 붕괴와 비슷한 과정을 거치면서 백만분의 2초 만에 붕괴되어 사라진다. 이 붕괴 현상은 이미 수많은 실험을 통해 익히 알려져 있다. 뮤온의 삶은 덧없다는 말이 무색할 정도로 짧다. 한 번 탄생한 뒤, 백만분의 2초가 지나면 전자의 뉴트리오로 분해되면서 전광석화와 같은 삶을 마감하는 것이다. 그러나 이 뮤온을 입자가속기 내부에 잡아넣고 거의 광속에 가까운 속도로 가속시키면 수명이 엄청나게 길어진다. 이것은 분명히 실제로 일어나는 현상이다. 뮤온의 운동 속도가 시속 66억 7천만 마일(광속의 99.5%)로 가속하면, 뮤온의 수명은 10배로 길어진다. 이 현상을 특수상대성이론으로 설명하자면 다음과 같다. 뮤온이 차고 있는 손목시계는 실험실의 벽에 걸려있는 시계보다 늦게 가기 때문이다. 이는 운동이 시간에 미치는 극적인 영향을 직접 증명해보인 대표적인 실험이었다. 만일 사람이 뮤온처럼 빠른 속도로 이동한다면, 70살의 수명은 700살로 늘어날 것이다.

그러나 움직이는 사람의 손목시계가 늦게 간다는 것은 정지해 있는 사람이 볼 때 그렇다는 뜻이다. 정작 움직이고 있는 사람의 입장에서 보면 시간과 함께 진행되는 모든 현상이 느려지기 때문에 본인은 아무런 변화도 느낄 수 없다. 따라서 뮤온의 경우에도 수명이 길어지는 것은 실험실 내에 정지해 있는 관측자가 볼 때 그렇게 보이는 것뿐이다. 고속으로 달리는 뮤온은 수명뿐만 아니라 운동 중에 겪는 모든 현상들이 똑같이 느려져서, 이득을 보는 것이 하나도 없다. 예를 들어, 정지 상태에 있는 뮤온이 평생 동안(그래봐야 100만분의 2초밖에 안되지만) 100권의 책을 읽을 수 있다면, 고속으로 달리는 또 다른 뮤온 역시 100권밖에는 읽을 수 없다. 비록 수명은 길어졌지만, 이와 함께 모든 현상들이 느리게 진행되기 때문이다. 그래서 정지 상태의 관찰자가 보면 움직이는 뮤온에게는 모든 일이 슬로우 모션으로 일어나는 듯이 보인다. 고속으로 움직이는 뮤온이 정지상태의 뮤온보다 오래 사는 것은 분명하지만, 그가 느끼는 수명은 조금도 길어지지 않는다. 사람의 경우도 마찬가지다. 초고속으로 이동 중인 사람은 정지해 있는 사람보다 긴 수명을 누리지만, 그에게서 일어나는 모든 생명활동과 물리적 현상들도 똑같이 느려지기 때문에 아무런 이득도 볼 수 없다.

● 도대체 누가 움직이고 있는가?

상대운동은 상대성이론을 이해하는 가장 중요한 열쇠이자 온갖 혼동을 불러일으키는 원흉이기도 하다. 움직이는 뮤온과 정지해 있는 뮤온의 역할은 보는 관점에 따라서 얼마든지 뒤바뀔 수 있다.

고전적인 시간관념으로는 아무 문제가 없었던 동시성의 개념은 특수상대성이론에 의해 대대적인 수정이 불가피하게 되었다. 그러나 지금 제기된 문제는 우리를 더욱 혼란스럽게 만든다. 두 사람의 관찰자가 볼 때, 어떻게 똑같이 상대방의 시계가 늦게 가는 것처럼 보일 수 있다는 말인가? 좀더 적극적으로 표현하자면, 정지 상태의 뮤온과 초고속으로 달리는 뮤온은 둘 다 상대방을 부러워하면서, 상대방보다 자기가 먼저 죽게 될 것이라며 자신의 운명을 똑같이 한탄한다는 것이다. 특수상대성이론의 결과가 기존의 상식과 많이 다르다고는 하지만, 이건 해도 너무한 것 같다. 전통적인 논리로는 도저히 납득이 가지 않는다. 대체 어찌된 영문일까?

특수상대성이론으로부터 얻어진 역설적인 결과들을 면밀하게 분석하다보면, 이 우주의 운영ㅂ아식이 기존의 관념들과는 전혀 다르다는 놀라운 사실을 깨닫게 된다.

● 운동 공간에 미치는 효과

시간은 운동에 영향을 받는다고 말할 수 있다. 그런데 운동은 시간뿐만 아니라 공간까지도 변형시키는 성질을 가지고 있다.

● 시공간에서의 운동

빛의 속도가 관측 상태에 상관없이 항상 일정하다는 사실은 기존의 절대적인 시공간의 개념에 일대 혁명을 불러일으켰다. 이제 시간과 공간은 관측자와 관측 대상의 상대 운동 상태에 따라 얼마든지 달라질 수 있는 상대적인 개념이 된 것이다.

광속으로 이동하는 물체에게는 시간의 흐름이 정지된다. 광자(빛의 구성입자)가 영원히 젊음을 유지할 수 있는 이유가 바로 이것이다. 빅벵 때 탄생한 광자는 150억 년이 지난 지금도 그때의 나이를 유지하고 있다. 광속으로 움직이는 물체는 결코 나이를 먹는 법이 없다.

● E=mc²의 의미는 무엇인가?

질량을 알고 잇을 때 여기에 광속의 제곱을 곱하면 에너지가 얻어지고, 반대로 에너지를 알고 잇을 때 이것을 광속의 제곱으로 나누면 질량이 얻어진다. ~~~그러므로 아주 작은 질량이라고 해도 이것이 에너지로 전환되면 엄청난 위력을 발휘하게 된다. 제2차 세계대전 당시 히로시마에 투하되었던 핵폭탄의 위력은 2파운드의 우라늄 중 1% 질량(9.1g)이 에너지로 전환되면서 발생한 것이다.

물체의 속도가 빨라지면 물체의 에너지가 증가한다(운동하는 물체는 1/2x(질량)x(속도)²의 운동에너지를 갖는다:옮긴이). 그리고 이렇게 증가한 에너지는 E=mc²의 관계식에 의해 고스란히 질량의 형태로 저장된다. 즉, 물체의 이동 속도가 빨라질수록 질량이 증가하는 것이다. 예를 들어, 광속의 99.9%로 운동하고 있는 뮤온의 질량은 정지 상태에 있는 뮤온의 질량보다 22배 정도 크다. 그런데, 입자의 질량이 커지면 가속시키기도 그만큼 어려워진다.

광속의 99.999%로 달리는 뮤온의 질량은 정지 상태일 때 질량의 224배가 되며, 광속의 99.99999999%가 되면 질량은 무려 70,000배로 증가한다. 속도가 광속에 접근할수록 뮤온의 질량은 무한정 커지기 때문에, 결국 뮤온을 빛보다 빨리 달리게 하려면, 무한대의 에너지가 투입되어야 한다. (역자는 여기서 한 가지 사실을 짚고 넘어가고자 한다. 모든 물체는 빛보다 빨리 달릴 수 없다는 명제는 사실인즉 원래 빛보다 느리게 움직이던 물체를 가속시켜서 빛보다 빠르게 만들 수 없다는 뜻이다. 만일 우주 탄생 초기부터 운명적으로 빛보다 빨리 움직이는 팔자를 타고난 입자가 있어서 지금까지 살아 있다면, 이 입자가 빛보다 빨리 달린다고 문제될 것은 없다. 물리학자들은 이 입자에 타키온이라는 이름을 붙여놓고, 필요할 때마다 유용하게 써먹고 있다 : 옮긴이)

[제3장] 뒤틀림과 굴곡

아인슈타인은 특수상대성이론의 여파로 나타난 수많은 문제들 중에서, 특히 어떤 한 문제가 심상치 않다는 심증을 갖고 있었다. 빛보다 빠른 운동은 있을 수 없다는 대전제가 뉴턴의 중력이론과 정면충돌을 일으켰기 때문이었다.

아인슈타인은 모든 문제를 해결해주는 일반상대성이론을 완성시켰다. 이 이론에서 아인슈타인은 또 한 차례의 혁명을 불러일으켰다. 시간과 공간은 중력에 의해 뒤틀리고 구부러져 있다는 주장이 바로 그것이다.

●뉴턴이 상상했던 중력

모든 만물은 다른 모든 만물을 자기 쪽으로 끌어당기는 힘(중력)을 행사하고 있다. 이것이 뉴턴의 주장이었다. ~~~~뉴턴의 중력이론에 따르면 질량이 클수록 이 물체에 작용하는 중력이 커지며, 질량이 작아지면 중력도 작아진다. 또, 두 물체 사이의 거리가 가까울수록 중력은 커지고, 거리가 멀어질수록 중력은 작아진다.

(중력은 두 물체의 질량을 서로 곱한 값에 비례하고 두 물체 사이의 거리의 제곱에반비례한다.)

이렇게 계산상으로 얻어진 결과와 실제 실험을 통해 나타난 결과는 입이 딱 벌어질 정도로 잘 들어맞는다.

●뉴턴의 중력이론과 특수상대성이론의 충돌

특수상대성이론의 결과들 중 가장 눈길을 끄는 것은 모든 물체들이 낼 수 있는 속도의 한계치가 광속이라는 주장이다. ~~~~한 장소에서 다른 장소로 신호를 보내거나 모종의 영향력을 행사할 때, 그것이 빛보다 빠른 속도로 전달될 수 있는 방법은 어디에도 없다.

그런데, 여기에 한 가지 문제가 있다. 뉴턴의 중력 이론에 의하면, 질량을 가진 한 물체가 주변에 있는 다른 물체를 끌어당기는 힘, 즉 중력의 크기는 오로지 두 물체의 질량과 둘 사이의 거리에 의해 결정된다. 두 개의 물체가 현재의 상태를 얼마나 오랫동안 유지해 왔는가?

뉴턴의 중력이론에 의하면 어느 날 갑자기 태양이 폭발했을 때 그로부터 9,300만 마일(1억 5천만 킬로미터)이나 떨어져 있는 지구는 그 즉시로 태양이 사라졌음을 느끼고 기존의 타원 궤도에서 벗어난 운동을 당장 시작해야 한다. 다시 말해서, 태양의 부재 현상을 지구가 알아차리는데 아무런 시간도 걸리지 않는다는 뜻이다. 태양에서 출발한 빛조차도 지구에 도달하려면 8분 이상 걸리는데, 태양이 사라졌다는 것을 어떻게 그 즉시로 눈치 챌 수 잇다는 말인가? 아무래도 무언가 대대적인 수정 작업이 필요한 것만 같다.

두말할 필요도 없이, 뉴턴의 중력이론은 특수상대성이론과 정면으로 대립되었다. 어떤 물체도, 신호도, 영향력도 빛보다 빠를 수는 없다는 특수상대성이론의 제1교리를 뉴턴의 중력이론이 지키지 않는 것처럼 보였기 때문이다.

●아인슈타인의 행복한 생각

뉴턴의 중력이론은 중대한 결점을 가지고 있었다. 이 이론은 중력의 영향 하에서 움직이는 물체의 운동을 매우 정확하게 계산해주었지만, 중력이 왜 작용하는가? 라는 질문에는 그야말로 속수무책이었다.

뉴턴은 중력의 법칙을 발견한 후에 중력이 작용하는 구체적인 과정을 밝히려고 노력했지만, 아무런 단서도 찿아내지 못했다.~~~~중력이 왜 작용하는가에 대해서는 그도 굳게 입을 다물었다.

아인슈타인은 수백년 동안 진리로 여겨져 왔던 뉴턴의 중력법칙에서 심각한 오류를 발견하였다. ~~~

1907년 어느 날, 스위스 베른에 있는 특허청 사무실에서 이 문제에 심취해 있던 아인슈타인은 머릿속에 갑자기 섬광과도 같은 아이디어가 스쳐 지나갔다. 그로부터 얼마 후, 뉴턴의 중력이론의 맹점을 깨끗하게 해결해주는 전혀 새로운 중력이론이 세상 빛을 보게 되었다.

중력과 가속운동이 서로 깊게 연관되어 있다는 생각이 바로 베른의 특허청 사무실에서 아인슈타인이 떠올렸던 행복한 생각이었다.

(창문도 없이 외부와 차단된 캡슐 안에 있다고 하자, 캡슐이 등속운동을 한다면 이때 당신은 캡슐의 이동속도를 알 수 없다. 그런데 만일 캡슐이 어느 순간 가속운동을 하면 몸에는 어떤 힘이 느껴질 것이다)

외부와 완전히 차단된 상태에서, 중력에 의한 효과와 가속운동에 의한 효과를 구분할 수 있을까? 아인슈타인은 모든 상황을 신중하게 검토한 끝에, 이 두 가지 효과를 구별할 만한 방법은 어디에도 존재하지 않는다는 결론에 도달하였다. ~~~이인슈타인은 중력과 가속운동은 완전하게 동일하다는 이 새로운 발견에 등가 원리라는 이름을 붙였으며, 이 원리는 일반상대성이론을 따받치는 주춧돌이 되었다.

특수상대성이론에서의 상대성이란, 관찰자들 사이에 존재하는 관점의 평등성을 mt한다. 즉, 서로에 대하여 등속운동을하고 있는 관찰자들에게는 모든 물리법칙이 동일한 형태로 나타난다는 것이다(만일, 이들 중 어느 한 사람이 유별난 법칙을 얻었다면, 그것은 곧 관찰자들의 관점이 불평등하다는 뜻이 된다. 그렇다면 당장에 누구의 관점이 진실에 더 가까운가?라는 문제가 발생할 것이다.;옮긴이)

그러나 이 평등성에는 한계가 있다. 등속운동이 아닌 가속운동을 하고 있는 관찰자들에게는 분명히 다른 관점이 형성되기 때문이다. 그런데 아인슈타인은 등속운동을 하고 있는 관찰자뿐만 아니라, 가속운동을 하는 관찰자의 관점까지도 한데 합쳐서 모두 동등한 관점으로 취급할 수 있는 가장 일반적인 상대성이론을 완성시켰다. 앞서 말한 대로 중력이 전혀 없는 상태에서 가속운동을 하고 있는 관찰자의 관점과 가속운동이 전혀 없는 상태(등속운동)에서 중력의 영향을 받고 있는 관찰자의 관점은 완전하게 동일하기 때문에, 우리는 이 두 가지의 경우를 후자의 경우로 통합시켜서 다음과 같이 자신 있게 선언할 수 있다. “모든 관찰자들은 자신의 운동 상태(등속및 가속운동)에 상관없이, 자신은 완전하게 정지해 있고 자신을 제외한 모든 우주가 움직인다는 관점을 가질 수가 있다. 가속운동을 하는 경우, 자신의 주변에 적절한 질량을 배치하여 가속운동의 효과를 중력에 의한 효과로 전환시킬 수 있기 때문에, 결국 모든 관찰자는 자신의 운동 상태를 고려할 필요가 없다.

외부에 있는 비교 대상이 차단되어 있는 상태에서는 당신의 이동속도를 결정할 만한 수단이 이 세상에는 존재하지 않는다. 그런데, 만일 당신을 싣고 이동 중인 캡슐이 가속운동을 한다면, 외부와 완전하게 차단된 상태에서도 당신의 몸에는 어떤 힘이 느껴질 것이다.

●가속운동과 휘어진 시공간

아인슈타인은 중력의 실체를 규명하기 위해 거의 광적으로 연구에 몰입했다. ~~~1912년, 드디어 그는 중력과 가속운동의 관계를 특수상대성이론에 접목시키는 작업을 끝냈다.

가속운동이란, 속도의 크기나 진행 방향(또는 둘 다)이 변하는 운동을 말한다. ~~~여기서는 속도의 크기가 일정하고 진행방향만 수시로 변하는 가속운동을 다루기로 한다. 그 중에서도 물체의 궤적이 정확하게 원을 그리는 경우가 가장 간단할 것이다.

토네이도를 처음 타보는 사람들은 대부분 회전하는 원형 아크릴 유리면에 자신의 등을 기댄 자세로 서게 된다. ~~~원판이 회전하기 시작하면 그곳에 서 있는 당신은 운동을 느낄 수 있다. 무언가가 당신을 바깥쪽으로 떠미는 듯한 힘이 느껴지면서, 당신의 등은 회전하는 아크릴 유리면에 밀착된다.

가속운동은 공간뿐만 아니라 시간까지도 왜곡시킨다. ~~~공간은 가속운동에 의해 휘어지는 성질을 갖고 있다. 그렇다면 휘어진 시간은 어떻게 이해되어야 하는가?

※(회전하는 토네이도의 가장자리에 있는 사람이 원주를 따라서 회전방향으로 움직이고, 가운데 있는 사람이 바깥쪽을 향해 반지름 방향으로 움직인다고 가정해보자. 이때 가장자리에는 속도가 빠르므로 시간이 지연되고 중앙에는 속도가 느리기 때문이 상대적으로 시간이 빨리간다. 그러나 중앙에 있는 사람이 가장자리에 가까워질수록 속도가 빨라지고 궁극적으로는 같아진다. 이것이 휘어진 시간을 보여주는 대표적인 사례다. )또 한 가지 위치가 중심에서 멀어질수록 회전속도가 빨라질 뿐만 아니라, 가속도도 따라서 증가하기 때문에, 자신의 몸을 바깥쪽으로 밀어내는 힘이 점점 더 크게 느껴지는 것이다. 그러므로 회전하는 토네이도의 내부에서는 증가하는 가속도와 느려지는 시간 사이에 모종의 관계가 성립한다고 볼 수 있다. 좀 더 정확히 표현하자면, 가속도가 커졌기 때문에 시간의 휘어진 정도, 즉 시간의 곡률이 커질 것이다.~~~결국 시공간은 중력에 의해 왜곡된다는 마지막 결론을 얻어낼 수 있었다. 다시 말해서, 휘어진 시공간 자체가 곧 중력의 존재를 의미한다는 것이다.

동일한 반지름을 가진 원들이 3종류(구면, 평면, 말안장 곡면)의 면에 그려져 있다고 할 때 원주의 길이는 모두 다르다. ※구면<평면<말안장

아인슈타인은 이러한 사실로부터 하나의 아이디어를 떠올렸다. 즉, 정상상태의 공간은 유클리드 기하학으로 서술되지만(2x반지름x원주율=원의 둘레), 가속운동을 겪고 있는 공간은 유클리드식의 평평함을 잃어버리고 휘어진다는 실로 획기적인 발상이었다. ~~~실제로 가속운동은 공간뿐만 아니라 시간까지도 왜곡시킨다.

●일반상대성이론의 기본개념

태양과 같이 질량이 큰 물체는 주변의 다른 물체들에게 커다란 중력을 행사한다. 그로인해 그 일대의 공간은 질량의 존재로 인해 왜곡된다. 이것은 마치 고무판 위에 무거운 볼링공을 올려놓았을 때, 공의 무게 때문에 고무판이 움푹 파이는 현상과도 비슷하다. ~~~~우리가 사는 우주공간은 일련의 사건들이 벌어지는 죽은 공간이 아니라, 질량의 분포상태에 따라 그 형태가 변하는 매우 능동적인 공간인 셈이다. ~~~공간이 휘어지면 그 주변을 움직이고 있는 다른 물체들도 휘어진 공간 속을 여행하면서 왜곡된 영향을 받게 된다.

~~~고무판 위에 볼링공이 놓여 있는 경우, 그 일대가 심하게 왜곡되어 조그만 쇠구술은 곡선궤적을 그리게 될 것이다적ㄷ아한 속도로 이동중인 쇠구술이 적절한 방향으로 볼링공 근처에 접근한다면, 볼링공 주변을 공전하는 궤도운동을 하게 된다.

아인슈타인의 새로운 개념은 뉴턴의 중력이론과 달리, 중력이 전달되는 과정까지 규명함으로써 중력에 숨어 있던 최대의 미스터리를 해결하였다. 즉, 질량의 존재가 공간을 왜곡시킴으로써 중력이 전달된다는 것이다. 과거에는 행성들이 태양의 주위를 공전하는 이유가 그저 중력 때문이라는, 다소 모호한 이론으로 만족해야 했지만, 이인슈타인은 혁명적인 사고를 통해 중력이라는 것이 질량으로부터 공간이 왜곡되면서 나타나는 현상임을 천명하였다.

중력장의 개념도

우리는 중력에 관해서 두 가지의 중요한 성질을 새롭게 간파할 수 있다. 첫째로, 볼링공의 질량이 클수록 고무판은 더욱 깊숙하게 파인다는 것이다. 다시 말해서, 물체의 질량이 클수록 그 주변의 공간이 더욱 심하게 왜곡된다는 뜻이다. 이것은 물체의 질량이 클수록 자신의 주변 물체에 행사하는 중력이 커진다는 뜻이다. 둘째로, 볼링공에 의해 만들어진 고무판의 굴곡이 볼링공이 놓인 곳에서 가장 크고, 볼링공에서 멀어질수록 작아진다는 점이다. 따라서 태양으로 인해 휘어진 공간은 태양으로부터 먼 곳일수록 곡률이 작아져서, 거의 평평한 공간을 형성하게 되는데, 이 역시 두 물체 사이의 거리가 멀어질수록 중력의 크기가 작아진다는 기존의 법칙과 잘 맞아 떨어진다.

●잘못 생각하기 쉬운 몇 가지 문제들

중력 현상을 고무판 위의 볼링ㄱ오에 비유하여 설명하면 휘어진 우주공간을 머릿속에 쉽게 떠올릴 수 있기 때문에 여러 가지로 좋은 점이 많다. ~~~그러나 고무판 위에 얹혀진 볼링공만으로는 중력 문제를 완전하게 이해할 수 없다. ~~~지구는 볼링공 근처를 맴도는 쇠구술 처럼 태양 근처에 어떤 흠이 패어 있어서 그 지점을 따라 공전한다는 의미가 아니다. 아인슈타인의 설명에 의하면, 모든 물체는 공간상에서 최단거리를 따라 운동하려는 성질이 있다. 이를 가리켜 최소저항경로라 부르기도 한다. 공간이 휘어져 있는 경우, 최소저항경로는 대개 곡선의 형태를 띠고 있다. 그러므로 고무판 위의 볼링공으로 중력을 설명한다면 그 상황을 쉽게 머릿속에 그려볼 수는 있겠지만, 휘어지는 원인이 전혀 다르기 때문에 혼란을 야기하기가 쉽다. 이것은 어디까지나 휘어진 공간을 직관적으로 이해하기 위해 다소 부적절하게 도입된 하나의 비유에 지나지 않는다.

●모순점의 해결

중력은 결코 광자, 빛의 구성입자를 앞지르지 않았다.

●시간의 왜곡

●일반상대성이론의 실험적 증거

어떤 특정 위치에 있는 별들로부터 방출된 빛은 지구로 도달하기 전에 태양근처를 지나치게 되는데, 앞서 말한 대로 태양 근처의 시공간이 휘어져 있기 때문에 이 지역을 통과하는 빛은 왜곡된 시공간을 통과하면서 진행경로의 변화를 일으킨다. 빛이 태양에 가깝게 스쳐 지나갈수록 경로의 변화는 크게 나타난다. 이런 별들은 육안으로 볼 때 태양에 너무 가깝기 때문에 평상시에는 관측되지 않지만, 일식 때가 되면 그 존재가 선명하게 드러난다.

●블랙홀과 빅뱅, 그리고 팽창하는 우주

특수상대성이론의 효과는 운동하는 물체의 속도가 빠를수록 크게 나타나는 반면에, 일반상대론적 효과는 물체의 질량이 커서 시공간의 왜곡이 심할수록 크게 나타난다.

만일 어떤 별의 질량이 매우 좁은 영역 안에 밀집되어 있어서 질량을 반지름으로 나눈 값이 어떤 임계값보다 커지면, 시공간의 왜곡이 급격하게 커져서, 그 근처에 존재하는 물체들을 하나도 남김없이 그 별의 중력에 빨려들어가게 된다. 물론 여기에는 빛도 예외가 될 수 없다. 이런 식으로 응축된 별에서는 빛조차도 중력권을 탈출하지 못한다.

우리의 태양이 블랙홀로 변신하려면 지금의 질량을 그대로 유지한 채, 450,000마일에 달하는 현재의 반지름이 단 2마일로 축소되어야 한다. ~~~~지구를 예로 든다면 현재 반지름이 6400km를 약 1.27cm가 될 때까지 압축시켜야 한다. ~~~우주는 팽창하고 있으므로, 은하들 사이의 간격도 점차 멀어지고 있다.

●일반상대성이론은 과연 옳은 이론인가?

[제4장] 불가사의한 미시세계

●양자역학의 이론적 구조

양자역학의 거장 중 한 사람인 리처드 파인만은 1965년에 이렇게 말했다. “현재 이 세상에 양자역학을 제대로 이해하고 있는 사람이 단 한 명도 없다고 자신있게 말할 수 있다.” 파인만이 이 글을 쓴지 37년이 지났지만, 그 내용은 지금도 여전히 사실로 남아 있다.

●부엌이 너무 더워요!

오븐 속의 공기를 모두 빨아내어 진공상태로 만든다 해도 일단 스위치를 켜면 복사파가 발생하면서 오븐이 달구어진다. ~~~전자기파는 에너지를 운ㅂ나하는 능력이 있다. ~~~20세기가 시작되던 무렵에, 물리학자들은 특정 온도의 오븐 속에서 발생된 전자기파의 에너지를 계산하고는 난감한 사태에 직면하게 되었다. 오븐의 온도에 상관없이, 전자기파가 실어 나르는 에너지의 총량이 항상 무한대라는 황당한 결과가 얻어진 것이다.

맥스웰의 전자기이론에 의하면, 오븐의 뜨거운 내벽에서 발생된 전자기파는 반드시 정수개의 최고, 최저점을 가져야 하며, 하나의 전자기파는 내벽의 양끝에서 매끄럽게 연결되어야 한다. ~~~파장이 길면 진동수가 줄어들고, 파장이 짧으면 진동수는 커진다.

물리학자들은 19세기에 개발된 열역학 이론을 이용하여 뜨겁게 달구어진 오븐의 내벽에서 방출되는 전자기파의 세기(에너지)를 각 주파수대별로 계산하였다. ~~~다양한 전자기파들은 주파수에 상관없이 모두 동일한 양의 에너지를 실어 나르고 있다. ~~~오븐 속에는 무한개의 파동이 존재할 수 있다. 그렇다면 개개의 전자기파가 아무리 작은 양의 에너지를 실어 나른다 해도. 이들을 모두 합한 에너지의 총량은 항상 무한대라는 말이 아닌가!

●20세기로의 전환기에 나타난 양자 덩어리

●덩어리의 정체는 과연 무엇인가?

1887년 독일의 물리학자였던 하인리히 헤르쯔는 금속에 전자기파를 쪼였을 때 금속의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 처음으로 발견하였다. ~~~금속성 물질들은 구성 원자가 주변의 wsj자를 쉽게 잃어버리는 성질을 갖고 있다(금속이 전기를 잘 통하는 이유). 빛이 당신의 피부를 때리면 조금 따뜻한 기운을 느낄 뿐이지만, 그것이 금속의 표면을 때리는 경우에는 대부분의 에너지가 표면의 전자에게 전달되어, 원자의 약한 구속을 뿌리치고 표면 밖으로 얼마든지 튀어나올 수 있다.

빛을 강하게 쪼여주면 표면에서 튀어나오는 전자의 개수만 많아질 뿐, 전자의 속도는 조금도 빨라지지 않았다. 그런데 빛의 wlsedh수를 바꾸어서 금속 표면에 쪼였더니, 전자의 속도가 변하기 시작했다. ~~~진동수가 큰 빛을 쪼일수록 튀어나오는 전자의 속도가 빨라지고, 진동수가 작은 빛을 쪼이면 전자의 속도도 느려진다는 사실을 알게 되었다.

100와트짜리 전구를 켰을 때, 여기서 방출되는 광자의 수는 1초당 1,000억x10억(10²°)개에 달한다.

●파동인가, 입자인가?

뉴턴은 빛이 입자라고 주장한 적이 있었다. ~~~그러나 뉴턴의 동료 중 한 사람이었던 네덜란드 출신의 물리학자 호이겐스가 뉴턴의 의견에 동의하지 않고, 빛의 실체가 파동임을 주장하여 격렬한 논쟁이 벌어졌다. ~~~1800년대 초반에 영국의 물리학자인 Thomas Young의 실험(이중 슬릿 실험)에 의해 결론을 보게 되었다. 그의 실험은 빛이 분명히 파동임을 보여 주었고, 그 결과 인류 최대의 물리학자로 추앙받던 뉴턴의 명성에는 약간의 흠집이 생기는 듯했다.

그러나 뉴턴의 중력이론을 뒤집어엎은 장본인이었던 아인슈타인이, 이번에는 광자라는 개념을 도입하면서 뉴턴의 빛의 입자설을 부활시켰다. ~~~광자는 입자임이 분명하지만, 파동의 성질도 함께 갖고 있는 것 같다. 이 광자들이 실어 나르는 에너지, 즉 빛의 에너지는 진동수에 의해서 결정된다고 했는데, 진동수란 바로 파동의 성질이 아니었던가! ~~~빛은 파동적 성질과 입자적 성질을 갖고 있다는 해괴한 결론을 내릴 수밖에 없다. ~~~그러나 왜 미시세계의 모든 존재들이 파동성과 입자성을 동시에 갖고 있는지, 그 이유를 설명할 수 있는 사람은 어디에도 없다.

●물질파도 파동이다.

닐스 보어가 이끌던 코펜하겐의 물리학자들은 수소원자에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 새로운 이론으로 설명하였는데, 이를 포함하여 1920년대 중반 이전에 탄생한 이론들은 우주 내의 물리적 현상들을 일괄된 논리로 설명했다기보다는, 양자라는 새로운 개념을 도입하여 19세기식 물리학을 재서술하는 수준에 머무르고 있었다.

1923년 프랑스의 귀족이었던 브로이왕자는 이 양자적 혼란의 와중에서 양자역학의 수학적 기초를 다지는 획기적인 발상을 제안하여 1929년에 노벨물리학상을 받았다. ~~~파동-입자의 이중성이 빛의 경우에만 적용되는 특성이 아니라, 모든 물질들이 원래부터 갖고 있는 본성이라고 주장했다.

아인슈타인은 E=mc²라는 공식으로 질량과 에너지가 불가분의 관계임을 보였고, 또 플랑크와 아인슈타인은 파동의 진동수와 에너지 사이의 관계를 규명했다. 따라서 이 두 가지 결과를 결합시키면 질량이 파동적 성질을 갖고 있다는 새로운 결론이 얻어진다.

1920년대 중반 무렵, 벨 전화 회사의 연구원이자 실험물리학자였던 데이비슨과 거머는 전자빔을 니켈 금속의 표면에 쪼였을 때 일어나는 현상을 연구하고 있었다. 이것은 앞에서 말했던 2중 슬릿 실험과 비슷한 방식으로 진행되었는데, 다른 점이 있다면 2중 슬릿이 뚫린 판을 니켈로 만들었다는 것과, 빛 대신 전자빕을 사용했다는 것뿐이었다. 슬릿을 향해 발사된 수많은 전자들 중 운 좋게 슬릿을 통과한 전자는 그 뒤에 놓여 있는 인광성 스크린에 도달하여 조그만 점을 흔적으로 남긴다. 그런데 데이비슨과 거머는 실험 도중 놀라운 사실을 발견했다. (전에 빛을 사용했던)2중 슬릿과 비슷한 간섭무늬가 스크린에 나타난 것이다. 이것은 전자라는 입자가 파동의 특성을 갖고 있다는 기존의 가설을 입증하는, 실로 놀라운 발견이었다. ~~~결국 물리학자들은 모든 물질들이 파동성을 갖고 있다는 다소 황당한 가설을 인정할 수박에 없었다.

●물질파의 정체는 무엇인가?

데이비슨과 거머의 실험으로 인해, 전자가 파동성을 갖고 있음이 분명하게 입증되었다. 그러나 이 파동의 정체가 대체 무엇이란 말인가?

1926년 은 전자의 파동을 확률이라는 관점에서 바라보아야 한다고 주장했다. 막스 본(독일의 물리학자)

●파인만의 관점

●불가사의한 양자역학

분명히 양자역학은 상대성이론보다 받아들이기가 힘들다.~~~1927년에 독일의 물리학자였던 하이젠베르크에 의해 발견된 ‘불확정성원리’는 이런 혼란스러움에서 새로운 길을 열었다. ~~~2중 슬릿 실험에서 전자가 어느 쪽 슬릿을 통과했는지를 d라기 위해~~~~빛을 아주 약하게 쪼여서 전자를 교란시키지 않고도 전자의 위치를 파악할 수 있지 않을까? ~~~희미한 빛을 쪼여준다면 전자가 교란되는 정도를 거의 무시할 수 잇을 만큼 줄일 수 잇을 것 같다. 그러나 양자역학적 관점에서 볼 때, 이것은 절대로 불가능한 일이다. 빛의 강도를 줄인다는 것은, 광우너에서 방출되는 광자의 개수가 줄어들었음을 의미한다. 빛의 강도를 wajck 줄여서, 한 번에 하나의 광자를 발사하는 정도까지 줄였다면, 우리는 더 이상 밝기를 줄일 수가 없다. 여기서 더 줄이려면 아예 광원을 꺼야 한다.

플랑크의 법칙에 의하면 광자 하나의 에너지는 진동수에 비례한다. 따라서 전자를 쪼이는 빛의 진동수를 점점 작게 가져가면(파장을 점점 늘이면) wsj자의 교란은 얼마든지 줄일 수 있다. 그러나 진짜 문제는 지금부터 발생한다.

빛이 물체에 반사되어 우리의 눈이나 정교한 특정 장치에 들어 왔을 때, 우리가 알아낼 수 있는 위치의 정확도는 사용된 빛의 파장만큼 오차의 범위를 갖는다. 다시 말해서, 물체의 위치를 측정할 때에는 측정기기가 아무리 완벽해다 해도 사용된 빛의 파장만큼의 오차가 반드시 수반된다는 뜻이다.

☞[광자와 전자: 빛 알 덩어리인 광자가 금속판에 닿으면 광전효과에 의해 금속에 있던 전자들이 튀어 나온다. 굴러들어온 돌이 박힌 돌을 빼내는 것과 같은 이치다. 이때 빠져나온 전자가 광전자다. 아무 빛에서나 광전자가 나오지 않는다. 파장이 길어 진동수가 작은 적외선이나 빨간빛은 광자의 운동에너지가 작아 아무리 밝고 강하게 쪼여도 광전자가 나오지 않는다. 파장이 짧아 진동수가 큰 자외선이나 보랏빛은 입자의 운동에너지가 크기에 약하게 쪼여도 광전자가 쉽게 나온다. 밖으로 나온 전자인 광전자의 움직임은 전류의 흐름이 된다. 전류의 흐름이 신호전달로 쓰이면 광섬유 케이블, 복사기 스캐너나 디지털 카메라의 이미지 센서가 된다. 전류 흐름이 전기 생산에 쓰이면 태양 전지인 태양광 발전이다.]

전자를 향해 높은 진동수의 빛을 쪼이면 위치는 매우 정확하게 측정될 수 있다. 그러나 높은 진동수를 가진 광자는 에너지 함유량도 크기 때문에, 전자의 속도를 많이 바꾸어 놓는다. 이와 반대로, 낮은 진동수의 빛을 쪼이면 광자의 에너지가 작아서 전자와 충돌했을 때 전자가 교란되는 정도를 최소한으로 줄일 수 있지만, 이번에는 전자의 정확한 위치측정을 포기해야 한다.

하이젠베르크는 이렇게 발생하는 오차의 크기를 정량화하여, 위치 측정과 속도측정의 오차 값 사이에 성립하는 하나의 관계식을 유도해 냈다. 공식에 의하면 위치의 측정오차를 줄이면 상대적으로 속도의 오차가 커지고, 속도의 측정오차를 줄이면 위치의 오차가 커진다.

[제5장] 새로운 이론의 필요성이 대두되다 : 일반상대성이론 대 양자역학

양자역학과 일반상대성이론이 우리에게 가장 근본적인 이해를 가져다주지 못한다는 증거는 도처에 널려 있다.

●양자역학의 핵심

불확정성원리에 의하면, 우리가 작은 스케일을 관측할수록, 그리고 짧은 시간 내에 관측할수록 이 우주는 더욱 광폭한 존재로 변한다. 하나의 전자를 한 장소에 고정시키려고 하면 전자가 미친 듯이 날뛴다는 사실은 이미 4장에서 언급한 바 있다. 또 전자를 향해 높은 진동수의 빛을 쪼이면 전자의 위치는 정확하게 측정할 수 있지만, 그 대가로 전자의 정확한 속도측정을 거의 포기해야 한다는 것도 알았다. 높은 진동수를 가진 광자는 에너지를 많이 함유하고 있어서, 전자의 운동 상태를 크게 교란시키기 때문이다. ~~~입자의 위치와 속도를 동시에 정확하게 알 수 없다는 것은 곧 미시세계가 원래부터 혼란스러운 세계였음을 의미한다.

●양자장 이론

약력은 원자 이하의 미시세계에서만 영향력을 행사할 뿐, 일상적인 스케일에서는 거의 감지되지 않을 정도로 약한 힘이다. 그러나 글래쇼와 살람, 그리고 와인버그는 초고에너지와 초고온의 상태에서(빅뱅이 일어난 지 1초도 채 지나지 않은 상태)전자기장과 약력장이 서로 구별할 수 없는 하나의 역장이었음을 입증하였고, 거기에는 약전자장electroweak field이라는 이름이 붙여졌다. 빅뱅 이후에 우주가 점차 식으면서 전자기력과 약력이 분리되어 각자 고유의 성질을 갖게 되었는데, 학자들은 이 과정을 가리켜 대칭성 붕괴symmetry breaking라 부르고 있으며, 차디차게 식어버린 지금의 우주에는 이 두 개의 힘이 별개로 존재하고 있다.

1970년대의 물리학자들은 자연계에 존재하는 4종류의 힘 중에서 중력을 제외한 세 가지의 힘(강력, 약력, 전자기력)을 양자역학적으로 설명하는 데 성공하였고, 이들 중 2개(약력과 전자기력)는 동일한 원리(약전자력)에서 파생된 것임을 입증하였다.

●전령입자Messenger Particle

표준모델에 의하면 전자기장을 이루는 최소단위의 입자가 광자인 것처럼 강력과 약력장 역시 최소단위의 입자들로 이루어져 있다. 강력장의 최소단위는 글루온gluon이며, 약력장의 최소단위 입자는 위크 게이지 보존weak gauge bosons으로 알려져 있다. 이 매개입자들은 더 이상의 세부구조를 갖고 있지 않다.

전하를 띤 입자가 자신과 같은 종류의 전하를 띤 다른 입자에게 척력(미는 힘)을 행사하는 경우를 상상해 보자. 이 상황을 쉽게 이해하려면 개개의 하전입자들이 전기장에 둘러싸여 있다고 생각하면 된다. 그리고 이 입자들이 느끼는 척력은, 각 입자의 전기장들이 서로 밀어내려는 힘을 행사하면서 발생하는 것으로 이해할 수 있다. 그러나 이들이 서로 상대방을 밀어내는 과정을 미시적 단계에서 세밀하게 추적해보면, 전혀 다른 스토리가 펼쳐진다. 전자기장은 수없이 많은 광자들로 이루어져 있다. 그리고 두 개의 하전입자들이 상호작용을 주고받는 것은 이들이 서로 상대방을 향하여 광자를 발사하고 있기 때문이다.

스케이트를 타고 있는 두 사람이 서로 볼링공을 주고 받는다면, 둘 사이에는 항상 척력만이 작용한다. 즉 두 사람 사이의 거리는 계속해서 멀어지기만 할 것이다. 그러나 서로 반대부호의 전하를 띠고 있는 두 개의 입자들은 광자를 주고받으면서 상대방을 자기 쪽으로 끌어당기는 인력을 행사한다. 따라서 이들이 주고받는 광자는 힘을 직접 전달하는 것이 아니라, 광자를 받는 측에 어떤 반응을 보여야 할지를 알려주는 일종의 전령사로 이해되어야 한다. 같은 부호의 하전입자들 사이를 매개하는 광자는 상대방으로부터 멀어지라는 메시지를 전달하고, 서로 다른 부호의 하전입자들을 매개하는 광자는 서로 가까이 오라는 뜻의 메시지를 전달하는 것이다. 이런 이유 때문에 광자는 때때로 전자기력의 전령입자라 불리기도 한다. 이와 비슷하게, 글로온과 위크 게이지 보존은 각각 강력과 약력의 전령입자로 불린다. 양성자와 중성자의 내부에서 쿼크들을 단단하게 결속시키고 있는 강력은 개개의 쿼크들이 글루온을 교환하면서 발생한다. 그리고 방사능 붕괴현상의 원천인 약력은 위크 게이지 보존에 의해 매개되고 있다.

●게이지 대칭성 Gauge Symmetry

●일반상대성이론 대 양자역학

물리학자들은 그동안 일반상대성이론과 양자역학의 충돌을 무마시키기 위해 거의 모든 방법을 동원해왔다. 일반상대성이론을 뜯어고쳐 보기도 하고, 또는 양자역학의 일부를 수정하여 결합을 시도하기도 했지만 결과는 항상 실망이었다. 그러던 와중에 혜성과도 같이 나타난 해결사가 있었으니.... 그것이 바로 초끈이론 superstring theory이었다.

3부 우주의 교향곡

[제6장] 그것은 그냥 음악일 뿐이다: 초끈이론의 본질

초끈이론에 의하면 미시세계의 만물들은 모두가 조그만 끈으로 이루어져 있으며, 이들이 진동하는 패턴에 따라 우주의 운명이 결정된다.~~~표준모델에 의하면 우주를 구성하는 최소단위는 ‘점’처럼 생긴 입자들이며, 이들은 더 이상의 내부구조를 갖고 잇지 않다. 지금까지 알려진 여러 사실들로 미루어볼 때, 표준모델은 강력한 이론임에 틀림없지만 (계산결과는 오늘날 측정기술의 한계인 10⁻¹⁸cm영역까지 정확히 들어맞는다)중력을 포함하고 있지 않기 때문에 궁극적인 이론이 될 수는 없다. 게다가, 중력을 양자역학적 기초에서 이해하려는 시도가 실패로 돌아간 것은, 플랑크길이보다도 작은 초미세 공간에서 일어나고 있는 양자적 요동 때문이었다. 이 충돌을 무마시키기 위해서는 더욱 깊은 단계에서 자연을 바라보고 이해하는 새로운 이론이 개발되어야만 했다. 그러던 중 1984년에 퀸메리 대학의 물리학자인 마이클 그린과 캘리포니아 공과대학 Caltech의 존 슈바르츠는 초끈이론이 그 문제를 해결해줄 수 잇다는 사실을 처음으로 발견하였다.

이 이론에 의하면 우주를 구성하고 있는 최소단위는 점같이 생긴 입자가 아니다. 끊임없이 진동하는, 매우 가느다란 끈이 모든 만물의 최소단위를 이루고 있다. 그러나 여기서 개념상 주의해야 할 점이 있다. 우리가 흔히 보는 일상적인 끈들은 원자와 분자들로 이루어진 집합체이지만, 끈이론에 등장하는 끈은 더 이상의 세부구조를 갖고 있지 않다. 다시 말해서, 끈이론이 말하는 끈이란 물질을 이루는 가장 궁극의 최소단위인 것이다. 하지만 이 끈은 길이가 너무도 짧기 때문에(플랑크 길이와 비슷하다)최첨단의 관측 장비를 동원한다해도 마치 점 입자처럼 보인다.

끈이론의 가장 뛰어난 특징은, 그것이 일반상대성이론과 양자역학의 충돌을 무마시킬 수 있는 가능성을 지녔다는 점이다.

●끈이론의 간략한 역사

1968년에 가브리엘레 베네치아노(Gabriele Veneziano)라는 젊은 물리학자는 핵자들(양성자와 중성자)사이에 작용하는 강력을 연구하면서, 실험적으로 얻어진 결과들을 논리적으로 설명하기 위해 안간힘을 쓰고 있었다. 당시 CERN(스위스 제네바에 있는 유럽 입자가속기 연구소)의 연구원이었던 그는 지난 수면 동안 이 문제에 몰두해오던 끝에, 마침내 놀라운 사실을 발견해냈다. 강력을 주고받는 입자들의 성질을 수학적으로 기술하다보니, 그것이 200여 년 전에 레온하르트 오일러라는 스위스(Leonhard Euler)의 수학자가 이미 찾아냈던 오일러 베타함수(Euler beta-function)와 너무나도 정확하게 일치했던 것이다. 베네치아는 이 획기적인 발견으로 강력을 서술하는 수학적 체계를 세울 수 있었으며, 학계에서는 전 세계에서 수집된 실험데이터를 오일러 베타 함수로 설명하려는 연구가 유행처럼 퍼지기 시작했다.

1970년에 시카고 대학의 요이치로 남부와 닐스 보어 연구소의 홀거 닐센, 그리고 스템포드 대학의 레너드 서스킨드에 의해, 오일러 베타 함수에 숨어 있는 물리학적 의미가 만 천하에 드러나게 되었다. 소립자의 형태를 극소형의 진동하는 1차원 끈으로 간주했을 때, 핵자들 사이의 상호작용을 수학적으로 표현한 것이 바로 오일러의 베타 함수였던 것이다. 이 세 사람은 ‘끈의 길이가 매우 짧다면 점입자처럼 보일 것이기 때문에, 소립자를 끈으로 간주해도 실험결과에 위배되지 않는다.’고 주장하였다.

그러나 강력을 진동하는 끈으로 설명하려는 노력은 곧 실패로 끝나고 말았다. 입자가 끈의 형태를 띠고 있다는 가정 하에 유도된 결론들이, 1970년대 초반에 실행된 실험(입자가속기를 이용하여 원자보다 작은 규모의 미시세계를 탐구하는 실험)결과들과 일치하지 않았기 때문이다.

대부분의 입자물리학자들은 끈이론이 완전 폐기처분 되었다고 생각했다. ~~~끈이론에는 글루온(※gluon :원자는 원자핵과 전자로 이루어져있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 양성자와 중성자는 6종류의 쿼크(quark) 중 3개의 쿼크가 모여 만들어지는데, 글루온은 바로 이 쿼크들을 엮어 놓는 힘인 강한상호작용을 전달하는 소립자)과 비슷한 성질을 가진 ‘진동하는 끈’이 등장하는 데, 이것은 기존의 강력이론과 잘 부합되기 때문에 별 문제가 없다. 그러나 끈이론에는 강력과 관련된 실험에서 단 한 번도 발견된 적이 없는 또 다른 매개입자(끈)가 포함되어 있다. 이것을 어떻게 설명할 것인가?

1974년에 슈바르츠와 조엘 셔크는 매개입자 형태로 진동하는 끈들을 집중적으로 연구한 끝에, ~~~그 끈의 정체가 그 동안 가설 속에서만 존재하던 중력의 매개입자, 즉 중력자(graviton)라는 사실을 알아냈다. 중력을 매개한다는 이 최소다발은 실험실에서 단 한 번도 발견된 적이 없지만, 그 성질을 이론상으로 예견한다고 해서 해가 될 것은 없다. ~~~1984년, 드디어 그린과 슈바르츠가 끈이론에 내재되어 잇던 양자역학적 모숝머을 12년의 연구 R트에 해결했다. 뿐만아니라 끈 이론 속에 4 가지의 힘(전자기력, 약력, 강력,중력)과 모든 물질들이 포함된다는, 매우 고무적인 사실도 발견되었다.

1995년, 남부 캘리포니아 대학에서 개최된 끈이론 학회에서 당대 최고의 물리학자인 에드워드 위튼은 청중들의 넋을 완전히 뺏어가는 역사적인 강연을 함으로써 ‘초끈이론의 2차 혁명기’에 불을 댕겼다.

●고대 그리스의 원자론으로 다시 돌아가다?

끈이론은 모든 만물의 최소단위가 아주 미세한 끈으로 이루어져 있다고 주장하고 있다. 즉, 표준모델에서 말하는 점입자들의 세부구조를 현대물리학이 다룰 수 없는 미세영역까지 추적해보면, 궁극적인 최소단위는 ‘진동하는 고리형 끈(oscillating loop of string)'이라는 것이다.

전형적인 고리형 끈의 길이는 대략 플랑크길이 정도로서, 원자핵의 100x10억x10억분의1(10⁻²°)밖에 되지 않는다.

●끈이론에 의한 물리학의 통일

만물의 근원인 끈의 진동패턴이 달라지면, 그것은 다른 질량과 다른 힘전하를 가진 입자의 모습으로 나타난다는 것이다.이것은 끈이론을 이해하는데 매우 중요한 개념이다.

입자의 질량을 예로 들어보자. 어떤 특정한 진동패턴을 갖고 있는 끈의 에너지는 진폭과 파장에 의해 결정된다. 진폭이 클수록, 그리고 파장이 짧을수록 끈의 에너지는 커지게 된다. ~~~즉 소립자의 질량은 끈의 진동패턴에 따른 에너지에 의해 그 값이 좌우된다. 무거운 입자는 그 입자를 이루는 끈이 격렬하게 진동하고 있으며, 가벼운 입자들은 끈이 상대적으로 부드럽게 진동한다는 뜻이다. 한 입자의 질량은 그 입자가 행사할 수 있는 중력의 크기를 결정한다. 그러므로 끈의 진동패턴과 입자의 중력 사이에는 직접적인 상호관계가 존재할 r서이다. 아직 분명한 이유는 밝혀지지 않았지만, 물리학자들은 질량 이외의 다른 성질들도 끈의 진동방식에 의해 결정되며, 이로부터 힘의 종류와 세기가 결정된다는 강한 심증을 갖고 있다. 예를 들어, 하나의 끈이 갖고 있는 전기전하와 약 전하, 강전하 등은 진동 패턴에 의해 결정된다. 또한 이것은 매개입자의 경우에도 똑같이 적용된다. 즉 광자와 위크 게이지 보존, 그리고 글루온 역시 끈의 진동패턴에 따라 나타나는 다양한 모습들 중 하나라는 것이다. 그리고 무엇보다 중요한 것은 끈의 다양한 진동패턴들 중 하나가 중력의 매개입자인 중력자에 정확하게 대응된다는 사실이다. 그러므로 끈이론은 표준모델이 다루지 못했던 중력까지 하나의 통일된 체계 속에 담고 있는 만물의 이론이라 할 수 있다.

●끈이론 속의 음악

●초강력끈 으로부터 유도되는 세 가지 결과

불확정성원리에 의하면 이 우주 내의 어떤 것도 완전한 정지 상태에서 잇을 수 없다. 모든 만물들은 항상 양자적 요동상태를 겪고 있는 것이다. 만일 그렇지 않다면 우리는 어떤 물체의 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수 잇게 되고, 이는 하이젠베르크의 선언에 위배된다.

●끈이론에 등장하는 중력과 양자역학

일반상대성이론은 중력에 의해 시공간이 부드럽게 휘어진다고 주장한 반면, 양자역학은 초미세 영역에서 일어나는 양자적 요동 때문에 시공간이 도저히 부드럽게 휘어질 수 없음을 천명하였다.

양자장이론에 의하면 입자와 반입자가 서로 충돌하면 광자가 생성되면서 순간적으로 소멸되었다가, 다시 새로운 입자와 반입자가 생성되어 변경된 경로를 따라 이동한다.

그림 1. 끈 이론에 의하면 모든 물질은 궁극적으로 매우 작은 끈으로 이루어져 있다. ① 거시적인 물질, ② 분자, ③ 전자와 양성자, 중성자로 구성된 원자, ④ 전자, ⑤ 쿼크로 구성된 양성자와 중성자, ⑥ 끈. (출처:네이버 물리학 백과)

[제7장] 초끈의 초란 과연 무슨뜻인가?

●스핀spin

전자와 같은 소립자는 지구가 태양의 주변을 공전하듯이 원자핵의 주변에서 궤도운동을 하고 있다. 그러나 전통적인 점입자이론의 관점에서 볼 때, 이 입자들은 스스로 회전하는 자전운동을 하지 않는 것처럼 보였다. 임의의 물체가 어떤 축을 중심으로 회전할 때, 회전 중심축상에 있는 점들은 전혀 움직이지 않는다. 그런데 점입자란 문자 그대로 하나의 점으로 이루어진 존재이기 때문에 자신을 통과하는 어떤 축을 중심으로 회전한다는 말 자체가 성립하지 않는다. 이 문제는 오래 전부터 양자역학의 골칫거리로 대두되었다.

울렘벡과 구드스미트가 발견한 전자의 스핀은 그들의 연구결과에 따르면 이 우주 안에 존재하는 모든 전자들은 항상 동일한 회전속도를 유지하면서 영원히 돌아간다. ~~~스핀에 관한 초기의 연구는 주로 전자에 집중되어 있었지만, 시간이 흐르면서 물리학자들은 스핀이라는 성질이 모든 물질입자들에게도 적용된다는 사실을 알게 되었다. 모든 물질입자들(그리고 이들의 파트너인 반입자들)은 전자와 동일한 스핀을 갖고 있다. ~~~물리학자들은 여기서 그치지 않고 중력을 제외한 세 가지의 힘의 매개입자들(광자, 위크 게이지 보존, 글루온)의 스핀까지도 규명해 냈는데. 이들의 스핀은 물질입자의 두 배, 즉 1로 알려져 있다. ~~~중력자의 스핀은 다른 매개입자 스핀의 두 배였다.

●초대칭과 초대칭짝

스핀이라는 개념은 표면적으로 볼 때 회전하는 팽이의 속성과 비슷한 점도 잇지만, 양자역학적 관점으로 가면 전혀 다른 개념이 된다. 1925년에 올렌백과 구드스미트는 고전적 우주에서 전혀 볼 수 없었던 새로운 종류의 회전운동이 존재한다는 사실을 발견하였고, 이로부터 스핀은 입자의 새로운 속성으로 부각되기 시작했다.

스핀이라는 새로운 현상에도 모종의 대칭성이 존재할 것인가? ~~~1971년 경에 물리학자들은 이 질문의 대답이 ‘그렇다’임을 알게 되었다. ~~~스핀을 고려한다면 자연게에는 수학적으로 정의할 수 있는 또 하나의 대칭성이 존재한다. 이것이 바로 초대칭이다.

초대칭은 사물을 바라보는 각도나 위치, 또는 시간이나 속도 등을 바꾸는 식의 객관적이고 단순한 변환에 대하여 나타나는 대칭성이 아니다. 애초부터 스핀이란 양자역학적 요소가 가미된 회전운동 이었으므로, 초대칭 역시 양자역학적으로 정의된 시공간상에서 사물을 바라보는 관점을 바꾸었을 때 나타나는 대칭성으로 이해되어야 한다.

1970년대 초반에, 물리학자들은 만일 이 우주가 초대칭성을 갖고 있다면, 자연게에 존재하는 모든 입자들은 자신과 스핀값이 1/2만큼 차이 나는 파트너를 갖고 있어야 한다는 사실을 알게 되었으며, 그 파트너가 점입자이건, 끈이건 상관없이 거기에는 초대칭짝이라는 이름이 붙여졌다. 물질입자의 스핀은 1/2이고, 매개입자들 중 일부는 스핀이 1이기 때문에, 학자들은 초대칭이라는 체계 안에서 이들이 하나의 그룹으로 통일될 수도 잇다는 희망을 품게 되었다. ~~~자연게에 존재하는 모든 입자들은 아직 그 존재가 확인되지 않은 초대칭짝을 따로 갖고 있어야 한다는 결론을 내렸다. 예를 들어, 전자의 스핀은 1/2이므로 스핀이 0인 전자의 초대칭짝이 어딘가에 반드시 존재해야 한다.

●초대칭의 사례

●끈이론 속의 초대칭

●너무나 많은 가능성들이 초 당혹감을 유발하다.

[8장] 눈에 보이는 것 이상의 차원을 찾아서

●너무나도 친숙한 우주-그것은 환상이었다.

●수도용 호스 위에서 오고 가는 것들

●높은 차원에서의 통일 이론

칼루자의 이론이 나오기 전까지만 해도, 중력과 전자기력은 아무런 상관관계가 없는 별개의 힘으로 간주되었다. 그런데 공간에 하나의 차원을 추가시켰더니 이들 둘 사이에 깊은 관계가 모습을 드러낸 것이다. 칼루자는 중력과 전자기력이 모두 공간의 진동과 관련되어 있다고 주장하였다. 즉, 중력은 기존 3차원 공간의 진동에 의해 전달되고, 전자기력은 새롭게 도입된 숨겨진 차원의 진동에 의해 전달된다는 것이었다.

양자역학의 상승세가 진정국면을 맞이하면서 1960년대 후반부터 1970년대 초반까지는 표준모델의 이론적 구조가 최대의 관심사로 부각되었다. 그리고 1970년대 후반부터 1980년대 초반에 걸쳐서 대부분의 이론들이 실험적으로 검증되었으며, 이에 자신감을 얻은 입자물리학자들은 나머지 이론들이 검증되는 것은 오로지 시간문제라고 여기게 되었다. 물론, 그때까지도 해결되지 않은 중요한 문제들이 몇 개 남아 있긴 했지만, 많은 사람들은 강력과 약력, 그리고 전자기력에 관한 중요한 문제들이 모두 해결되었다고 믿었다.

그러다가 마침내 일반상대성이론과 양자역학이 정면충돌을 일으켰다. 전자기력과 약력, 강력을 양자역학적 체계 속에서 하나로 통일시키는데 성공한 물리학자들이, 중력까지도 유사한 방법으로 통일시키려고 덤볐다가 지독한 딜레마에 빠진 것이다. 오만 가지 방법이 모두 실패로 돌아가자, 물리학자들은 점차 비정상적인 방법을 동원하기 시작하였으며, 그런 와중에 1920년대에 이미 사장되었던 칼루자-클라인이론이 부활되게 된 것이다.

●현대판 칼루자-클라인 이론

●더욱 많은 차원들.... 그리고 끈이론

●몇가지 질문들

●여분의 차원이 갖는 물리학적 의미

끈이론에 의하면 이 우주를 이루고 있는 최소단위는 끈이며, 끈의 진동패턴은 입자의 질량과 힘전하를 결정하는 가장 원초적 요인으로 작용하고 있다. 또한 끈이론은 아주 작은 영역 속에 여섯 개의 차원들이 똘똘 감겨져 있다고 주장하고 있다. 이 영역은 너무나 작아서 지금까지 단 한 번도 관측된 적이 없지만, 끈 역시 만만치 않게 작기 때문에 숨겨진 차원으로부터 커다란 영향을 받는다. 진동하면서 앞으로 이동하고 있는 끈의 입장에서 볼 때, 숨겨진 차원들의 기하학적 특성은 끈의 진동 패턴을 좌우하는 결정적인 요인으로 작용하고 있다. 끈의 진동 패턴은 소립자의 질량이나 전하를 나타내기 때문에, 결국 이 우주의 가장 근본적인 특성은 숨겨진 차원의 기하학적 특성(크기나 모양 등)에 의해 좌우되고 있는 셈이다.

[제9장] 실험적 증거들

●쏟아지는 비난들

과연 끈이론은 옳은 이론인가? 아무도 모른다. 그러나 거시세계를 지배하는 물리법칙과 미시세계의 물리법칙이 서로 다르지 않다면, 그리고 적용범위에 한계가 없는 만물의 이론이 정말로 존재한다면, 끈이론은 이 조건들을 모두 만족시킬 수 잇는 유일한 후보이다.

●실험으로 가는 길

관측기술에 일대 혁신이 일어나지 않는 한, 미세한 끈을 직접 눈으로 확인할 수는 없다. 오늘날 물리학자들은 직경이 수 마일이나 되는 입자 가속기를 이용하여 10억 x 10억분의 1m(10⁻¹⁸m)영역까지 탐사할 수 있게 되었다. 여기서 관측 범위를 더욱 작게 가져가려면 더 큰 에너지가 필요하고, 이는 곧 하나의 탐사입자에 더욱 많은 에너지를 실을 수 있는 초대형 가속기가 필요하다는 뜻이다.

●모든 가능성을 찾아서

●초대칭입자

4부 끈이론과 시공간의 구조

[제10장] 양자기하학

[11장] 공간 찢기 Tearing the Fabric of Space

고무판을 사정없이 잡아당기면 얹네가는 찢어지고 만다. 지난 세월 동안 수많은 물리학자들은 우주 공간도 이러한 성질을 갖고 잇는지, 항상 궁금하게 여겨왔다. 공간을 찢는 것이 과연 가능할까?

그 대표적인 예가 웜홀인데, 아이디어는 매우 간단하다. ~~~웜홀은 우주의 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 지름길 역할을 한다.

[제12장] 끈이론 이상의 이론: M-이론 M-Theory을 찾아서

이 우주는 왜 지금의 형태를 가질 수박에 없었는가? 지난 한 세기 동안 이론 물리학자들은 이 질문의 해답을 얻기 위해 엄청난 노력과 시간을 투자해왔다.

[제13장] 끈/M-이론의 관점에서 본 블랙홀

●블랙홀과 소립자

[제14장] 우주론 Cosmology

현대 우주론의 시나리오는 다음과 같다. 지금부터 약 150억 년 전에 엄청난 에너지를 가진 작은 덩어리가 대폭발을 일으키면서 모든 공간과 물질들이 그 언에서 쏟아져 나왔다. 빅뱅이 일어난 지 10⁻⁴³초 후에 우주의 온도는 약 10³²k였으며, 이는 지금의 태양 중심부 온도의 10²⁵배에 해당하는 엄청난 온도였다. 그 후로 시간이 흐르면서 우주는 계속 팽창되엇고 뜨거웠던 열기도 서서히 식어갔다. 그리고 탄생 초기에 모든 방향으로 균질하게 존재했던 뜨거운 플라즈마는 점차 그 등방성을 잃어가면서 군데군데 뭉쳐지기 시작했다. 이리하여 빅뱅이 발생한지 10만분의 1초가 지난 후에는 온도가 충분히 내려가서 (약 10¹³K, 태양 내부온도의 100만 배정도), 쿼크입자가 셋씩 그룹을 지어 양성자와 중성자를 형성하게 되었다. 그리고 빅뱅 10⁻²초(0.01초)후에는 지금 원소 주기율표에 존재하는 가벼운 원자핵들이 식어가는 플라즈마 속에서 탄생하였으며, 빅뱅 3분 후에는 우주의 온도가 수십억 도까지 낮아져서 수소, 헬륨, 중수소, 리튬 등의 원자핵들이 만연하게 되었다. 이 시간까지를 흔히 원시 핵합성기라 부른다.

그로부터 수십만 년 동안, 우주는 별다른 사건 없이 계속 팽창하면서 꾸준하게 식어갔다. 그런데 온도가 수천 도까지 떨어지면서 사방에 흩어져 있던 전자들이 원자핵들에게 붙잡혀서 전기적으로 중성인 원자가 최초로 탄생하게 되었다. 당시에는 가장 흔한 원자핵이 수소와 헬륨의 원자핵이었으므로, 가장 먼저 만들어진 원자 역시 수소와 헬륨이었으며, 바로 이러한 이유 때문에 향후의 우주는 지금과 같이 투명한 모습을 띠게 된다. 전자가 원자핵에 붙잡히기 전의 우주는 전기전하를 가진 입자들이 한데 어우러져 플라즈마 상태를 이루고 있었다.

이들 중에는 양성자와 같이 양전하를 가진 입자도 있었고, 음전하를 가진 전자도 함께 섞여 있었다. 전기전하를 띤 입자들 하고만 상호작용을 하는 광자는 하전입자들과 수시로 부딪히고 튕겨나가면서 수시로 방향이 굴절되거나 흡수되었다. 이러한 광자의 진행을 방해하는 하전입자들 때문에, 초창기의 우주는 마치 안개 자욱한 거리나 눈보라 치는 산길처럼 거의 앞이 보이지 않았다. 그런데 음전하를 가진 전자들이 양전하를 띤 핵에 붙잡혀 전기적으로 중성인 원자들이 생겨나면서 진한 안개가 걷히기 시작했다. 그리고 이때부터 광자는 아무런 방해 없이 자유롭게 움직일 수 있게 되었고, 이 우주의 모습이 비로소 눈에 보이기 시작했던 것이다.

그로부터 약 10억 년이 지난 후, 탄생 초기의 아수라장이 거의 진정된 우리의 우주는 무엇이든 끌어당기는 중력에 의해 은하와 별, 행성 등을 만들어내기 시작했다. 그리고 빅뱅으로부터 150억 년이 지난지금, 우리는 우주의 광대함에 경탄하면서 또 한편으로는 여러 가지 이론과 관측 결과를 짜깁기 하여 우주의 근원을 추정해낸 우리 자신의 능력에도 감탄하고 있는 것이다.

●빅뱅이론의 검증

현재 지구상에서 가장 성능이 좋은 천체망원경을 동원하면, 빅뱅이 일어난 지 수십억 년 후에 은하나 퀘이사(준항성)로부터 방출된 빛을 관측할 수 있다. 천문학자들은 이렇게 얻은 관측자료들로 부터 우주가 팽창하고 있다는 빅뱅이론의 진위 여부를 검증하고 있는 데, 지금까지 얻어진 결과는 한결같이 긍정적이다. 물리학자들과 천문학자들은 더욱 엄밀한 검증을 위해 다소 간접적인 검증방법을 사용하고 잇는 데, 그 중 하나가 바로 ‘우주 배경 복사cosmic background radiation'이다.

어떠한 상황이건 간에, 무언가를 압축시키면 온도가 올라간다. 반대로, 무언가가 팽창되면 온도는 내려간다. ~~~일단 전자가 핵에 붙잡혀서 그 주변을 돌게 되면(즉, 원자가 형성되면)광자는 아무런 방해 없이 우주 공간을 여행할 수 있게 된다. 다시 말해서 이 우주 전체가 균일하게 퍼진 ‘광자 가스’로 가득 차 있다는 뜻이다. 그런데 우주는 광자를 담는 일종의 용기이므로, 우주가 확장되면 광자 가스도 함께 확장된다. 기체의 부피가 커지면 온도가 떨어지듯이 우주가 팽창됨에 따라 광자 가스의 온도도 감소하게 된다.

1960년 대 중반에 로버트 딕케와 짐 피벨스등은 빅뱅 무렵에 탄생했던 ‘원시 광자’들이 150억 년의 세월을 거치면서 절대온도 0k에 가까이 식은 채로 아직도 우주 전역을 돌아다니고 있음을 알아냈다. 그리고 1965년에 뉴저지의 벨연구소에 근무하던 아르노 펜지아스와 로버트 윌슨은 통신위성과 교신 중인 안테나의 시그널을 분석하던 중에 우연히도 이 시대 최고의 발견인 빅뱅의 잔광을 발견함으로써 물리학자들과 천문학자들을 흥분의 도가니로 몰아넣었다. 그 후로 후속 연구가 이론과 실험 분야에서 활발하게 진행되어 1990년대 초반에는 NASA에서 COBE(cosmic background explrer)위성을 띄우기까지 했다. 물리학자들과 천문학자들은 그동안 얻은 데이터들을 종합하여 우주공간이 마이크로복사파로 가득 차 잇다는 사실을 알아냈다(만일 우리 눈으로 마이크로 복사파를 볼 수 있다면, 우리가 사는 세상은 천지 사방으로 정신없이 반짝이고 있을 것이다). 이 복사파의 온도는 절대온도 2.7k(-270.3℃)로서, 빅뱅이론이 예견한 값과 정확하게 일치했다. 조금 더 실감나게 표현하자면, 이 우주 전역에 걸쳐서 1㎥당 평균 4억 개의 원시 광자가 아직도 존재하고 있는 셈이다. TV 방송이 모두 끝난 후에 화면에 나타나는 흰색 반점들도, 바로 빅뱅 무렵에 탄생했던 복사의 여파인 것이다. 이렇게 이론적 예상과 관측 결과가 일치함으로써, 우리는 광자가 처음으로 자유롭게 움직이기 시작했던 빅뱅 후 수십만 년 까지 거슬러 올라가는 우주론을 완성하게 되었다.

그렇다면 빅뱅의 순간을 향해 조금 더 거슬러 갈 수는 없을까? 물론 가능하다. 핵물리학과 열역학의 원리를 도입하면 ATB수백분의 1초~몇 분 무렵까지 거슬러 올라가서, 초기 핵융합으로 탄생한 가벼운 원자들이 얼마나 많이 분포되어 있었는지를 추정할 수 있다. 계산 결과에 의하면, 이 우주의 23%는 헬륨으로 이루어져 있다고 한다. 천문학자들은 별과 성운에 존재하는 헬륨의 분포를 조사한 결과, 이론적 예견치와 관측 결과가 정확하게 일치함을 확인하였다. 이보다 더욱 인상적인 것은 중수소의 양을 이론적으로 예측했다는 것인데, 빅뱅이론을 제외한 다른 어떤 천체 물리학으로도 중수소의 생성과정을 설명할 수 없기 때문에, 이 또한 빅뱅이론을 지지하는 하나의 증거로 간주 될 수 있다(우주 안에 산재하는 중수소는 지극히 소량이지만, 어쨌거나 분명히 존재하고 있다!)최근에는 리듐의 양가지 관측되어 초기 우주론의 검증에 더욱 박차를 가하고 있다. ~~~지금 우리가 갖고 있는 데이터를 이용하면 ATB 1/100초(빅뱅에 일어난지 1/100초가 지난 시점)부터 현재에 이르기까지, 150억년의 역사를 검증할 수 있다. 그러나 우주 탄생의 초기에는 커다란 변화들이 순식간에 일어났기 때문에, 1/100초보다 훨씬 짧은 찰나의 순간에 우주의 미래가 결정되었다고 보아야 한다. 다시 말해서 ATB 1/100초 보다 더 거슬러 올라간 우주의 모습을 알아야만 빅뱅이론이 완성될 수 있는 것이다.

●ATB플랑크 시간(1/10⁴³초)에서 ATB 1/100초까지

엄청나게 뜨거웠던 초기의 우주에서는 중력을 제외한 세 종류의 힘들(약력, 강력, 전자기력)이 서로 구별되지 않는 하나의 힘으로 존재했었다. 온도에 따른 힘의 변화를 계산해보면, ATB 10⁻³⁵ch 이전까지 이들은 한 종류의 힘이었으며, 물리학자들은 이 힘을 가리켜 대통일 힘grand unified force 또는 초힘super force이라고 부른다. 이 무렵의 우주는 지금 보다 훨씬 더 높은 대칭성을 갖고 있었다. 서로 다른 물질들을 섞어놓고 열을 가하면 한데 녹아서 융합되듯이, 현재 우리에게 관측되는 힘들은 초고온, 초에너지 상태에서 그 개성이 드러나지 않는다. 초창기의 우주가 바로 이러한 상태였다. 그러나 시간이 흐름에 따라 우주가 팽창하고 온도가 내려가면서 고도의 대칭성이 붕괴되고, 몇 단계의 갑작스런 변화를 거치면서 자연계의 힘들은 지금과 같이 비교적 대칭성이 낮은 형태를 띠게 되었다.(예: 물은 대칭성이나 물이 얼 때 비대칭성으로 변함)

물리계의 온도를 낮추면 어느 임계점에서 상변화가 일어나며, 그 결과로 기존의 대칭성 중 일부가 붕괴된다. 그리고 온도의 변화폭이 매우 크면 상변화가 여러 차례 일어날 수도 있다. ~~~물리학자들은 ATB 플랑크 시간 ~ATB 1/100초 사이의 짧은 시간 동안에 이 우주가 최소한 두 번 이상의 상변화를 겪었을 것으로 믿고 있다. 10²⁸k이상의 고온에서는 중력을 제외한 세 개의 힘들이 고도의 대칭성을 가진 채 하나의 통일된 형태로 존재한다. 그런데 온도가 10²⁸k아래로 떨어지면서 우주는 상변화를 겪었고, 그 결과로 세 개의 힘이 결정화 되어 각자의 길을 걷게 되었다는 것이다.

●우주적 수수께끼

현대 우주론의 최대 난제 중 하나는 바로 지평선 문제horizon problem이다. 우주 배경복사를 세밀하게 연구한 결과, 우주 어느 곳에서 날아온 복사이건 간에 온도가 거의 균일하다는 사실이 밝혀졌다(0.001%의 오차 이내). 곰곰 생각해 보면, 이것은 참으로 신기한 현상이 아닐 수 없다. 이 우주가 그토록 광활한데, 어째서 그토록 회;r일적인 온도를 유지하고 있단 말인가? 우주의 정반대편에 잇는 두 장소를 생각해 보자. 우주가 처음 생성될 무렵에는 한 지점이었지만. 지금은 우주의 크기만큼이나 떨어져 잇다. 그래도 태초에는 같은 지점이었으니, 온도와 같은 물리적 특성이 같을 수도 있지 않을까? -독자들은 이렇게 생각할지도 모른다.

그러나 표준 우주론에 의하면 이것은 잇을 수 없는 일이다. 왜 그런가? 뜨거운 국물이 담긴 그릇을 식탁 위에 놓아두면 국물의 온도는 서서히 실내온도와 가까워진다. 뜨거운 국물이 차가운 실내공기에 둘러싸여 있기 때문이다. ~~~그러나 만일 국그릇을 단열재로 포장해 놓았다면 뜨거운 기운이 훨씬 더 오래 지속될 것이다. ~~~~두 물체의 온도가 같아지려면 둘 사이의 교류가 다른 방해요인 없이 꾸준하게 계속되어야 한다는 것이다. 우주의 정 반대편에 있는 두 지점이 탄생 초기에 서로 붙어 있었다는 이유로 온도가 같다는 식의 논리를 펴려면, 우리는 우주탄생 초기에 두 지점 사이의 정보교류가 얼마나 원활하게 이루어졌는지를 검증해야 한다. 얼핏 생각하기에는 태초에 두 지점이 한 곳에 모여 있었기 때문에 정보의 교환도 쉽게 이루어졌을 것 같다. 그러나 공간적으로 가깝다고 해서 상황이 유리한 것만은 아니다. 시간지연 현상temporal duration이 복병처럼 숨어 있기 때문이다.

●인플레이션Inflation

지면 위에서 공을 위로 던지면 그 공을 아래로 잡아당기는 중력이 작용한다. 그리고 바로 이 중력 때문에 우주의 팽창 속도가 늦춰진다.

●우주의 끈이론

●태초에, 플랑크 크기만한 덩어리가 있었다.

5부 21세기형 통일 이론

[제15장] 앞으로의 전망

앞으로 1세기가 지나면 초끈이론 또는 M-이론은 지금의 석학들도 짐작하기 어려울 정도로 커다란 진보를 이룰 것이다.

●끈이론의 저변에 깔려 있는 기본 원리는 과연 무엇인가?

지난 100년의 세월을 겪으면서 우리가 배웠던 가장 큰 교훈 중의 하나는 물리학의 중요한 법칙들이 대칭성의 원리와 깊게 연관되어 있다는 것이었다. 특수상대성원리는 상대성의 대칭원리, 즉 등속운동을 하고 있는 모든 관찰자들의 관점이 동등하다는 원리에 기초를 두고 있으며, 중력을 다룬 일반상대성원리는 등속운동뿐만 아니라 임의의 운동을 하고 있는 모든 관찰자들의 관점이 동등하다는 등가원리에 기초를 두고 있다. 뿐만 아니라 약력과 강력, 그리고 전자기력은 이보다 다소 추상적인 게이지 대칭성을 갖고 있다.

중력은 모든 관측자의 관점이 동등해지기 위해 (등가원리가 성립하기 위해)필연적으로 존재해야하며, 약력 강력, 전자기력도 게이지 대칭성이 유지되려면 반드시 자연계에 존재해야만 한다.

●시간과 공간의 정체는 과연 무엇인가? 그것 없이는 할 수 있는 일이 없는가?

●끈이론은 양자역학의 체계를 바꿔놓을 것인가?

이 우주는 양자역학의 원리에 의해 운영되고 있다. 실험 결과도 엄청나게 정확하여, 여기에는 이견이 있을 수 없다.

●끈이론은 실험적으로 검증될 수 있는가?

중력과 양자역학은 우주의 작동원리를 설명하는 불가분의 요소이므로 어떠한 형태의 통일이론이건 간에 이 두 가지는 반드시 고려되어야 한다.

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