수학이나 물리를 전공하다보면 머리에 뭐가 들었는지 알 수 없을 것같은 천재들을 간혹 보게
된다. 사실 많은 학자들이 짧게는 몇십년 길게는 몇백년전에 사망한 사람들이라 후대에 과장,
미화된 사람도 적지않은게 사실이다. 그런데 진짜 천재가 살아있고 이미 인간의 능력을 초월한
ㅚ수처럼 보이는 인간이 우리 눈 앞에 있다면?
이론물리쪽 전공자를 만나면 한결같이 얘기하는 사람이 있다. 바로 에드워드 위튼이다.
프린스턴대 물리학과 모 교수가 하버드, 프린스턴, MIT 등등의 잘나가는 교수들을 모아놓고
강연할 때 "여기있는 분들도 모두 뛰어나지만, 넘을 수 없는 신의 경지에 오른 인물"이라
소개했던 인물.
그의 경력또한 기이하다. 그는 20세의 나이에 존스홉킨스 대학에서 언어학과 역사학을 전공
했다.(그는 문과출신이다.-_-) 졸업 후 저널리스트로도 활동했으며 대통령 선거 참모로도 활
동했다. 그러다 23세에 물리학으로 전향하여 Bradeis Univ.에 입학하지만 1년만에 학부수준의
모든 물리와 수학적 지식을 습득하고 교수의 추천을 받아 Princeton에 가서 다시 2년만에
이론물리로 박사학위를 받는다.(26세)
(믿거나말거나이지만 그 때 당시 추천서에는 이렇게 쓰여있었다한다. "이 학생은 천재다. 이
학생을 받든지말든지는 당신 학교 마음이다.")
그리고 2년 후 단번에 프린스턴 정교수로 임용된다. 이과로 전향한지 딱 5년만의 일이다.(28세)
그 후 몇년동안의 연구로 뛰어난 업적을 낸 그는 만 40세가 되던 해 수학의 노벨상이라 불리는
필즈상을 받았다.(필즈상은 4년마다 한번씩 주고 만 40세이하만 수상할 수 있기때문에 20~
30대에 뛰어난 업적을 내지못하면 받을 수 없다. 그런데 20대 중반에 이과로 전향한 사람이
필즈상을...ㅡ.,ㅡ)
그는 '제2의 아인슈타인'으로 불리는 인물이다.
사실 많은 학자들은 그가 아인슈타인보다 뛰어나다고도 말한다.
혹자는 그를 '태어날 때부터 모든 우주의 진리를 알고태어난 인물'이라고까지 말한다.
그는 통일장 이론을 설명해 줄 이론으로 각광받고있는 초끈이론(String theory)의 실질적인
창시자다. 그 전에 이미 초끈이론에 대한 얘기가 있었지만, 본격적으로 이론을 발전시킨 것은
위튼이 혼자서 한 일이다. 이 세상이 11차원이니 몇차원이니 하는 얘기가 전부 그의 이론에서
나온 이야기다.
수학이나 물리를 전공하는 사람은 알겠지만, 순수이론쪽으로 들어갈수록 학문의 발전속도는
느려진다. 예를들어 전산분야는 하루가 다르게 변하지만, 수학이나 물리에서 쓰는 교재들은
몇 십년전 교재들이 태반이다. 그 사이에 변한게 거의 없기때문이다. 이것은 그만큼 새로운 논
문을 쓰기가 힘들다는 것과도 연결된다.
(논문을 써보면 알겠지만 실험쪽은 거의 노가다가 절반이다. 거기에 매달려 실험해보고 컴퓨터
돌리고 데이타 분석하고 그러면 논문이 나온다. 그러다 새로운 사실들도 발견되고. 하지만 이론
분야는 수학적으로 설명되는 새로운 발견이 없으면 논문이 나오지않는다. 그래서 이론물리나
순수수학쪽에선 교수들도 논문을 많이 쓰는 경우가 거의없다.)
그런데 이 위튼이란 인간은 머리속에 뭐가들었는지 논문을 마구 쏟아낸다.-_-
그가 지금까지 쓴 논문이 308편. 그 중 절반에 해당하는 143편이 100회 이상 인용되었다.
(이론물리쪽은 전공자가 워낙적어서 획기적인 논문이 아니고서는 50회이상 인용되기 힘들다.)
우리에게 잘 알려진 스티븐 호킹이 총 160편을 썼고, 100회 이상 인용된 논문이 39편에 불과
한 것에 비교하면 엄청난 결과다. 게다가 위튼은 이제 54세로 호킹보다 10살이나 적다.
(2004년 노벨물리학상을 받은 사람은 3명이었는데 그들은 모두 이론물리학자였다. 그런데
그들이 쓴 논문 중 500회 이상 인용된 논문은 단 두개 뿐이다. 그리고 그 논문들로 노벨 물리
학상을 받았다. 반면 위튼은 현재까지 36편이 500번이상 인용되었다.)
위튼과 관련된 재밌는 일화가 있다.
그가 몇년 전 교통사고로 잠시 학업을 중단한 적이 있었는데, 그 사이에 이론물리쪽 논문수가
절반으로 줄었다는 것이다. 그가 쏟아내는 논문이 얼마나 큰 비중을 차지하는지 알 수 있는
대목이다.
그런데 왜 호킹이나 위튼같은 사람은 노벨상을 받지 못할까?
그것은 그들의 천재성이 너무 시대를 앞섰기 때문일 것이다. 노벨상은 실험으로 검증되지 않은
이론에 대해선 상을 주지않는다. 아인슈타인이 상대성 이론으로 노벨상을 받지 못한 것과 같다.
게다가 위튼이 주장한 초끈 이론에 의하면 이것을 실험으로 검증하기 위해선 최소한 태양계
크기 정도의 입자가속기가 있어야하는데 이것은 불가능하지 않는가? (태양계보다 작아지면 그
입자의 에너지로 인해 가속기가 폭발해버린다나뭐라나..;;)
많은 학자들이 앞으로 100년 내에 그의 이론이 실험적으로 검증되는 것에 회의를 보인다.
그만큼 혼자 앞서간 천재라고나 할까.
후대는 그를 어떻게 기억할지 궁금하다.
출처: 오르비 / 나도 칼럼니스트 Written By Unique
끈이론->초끈이론->M이론
음악이 물리학의 마지막 해결사였다. 과학자들은 음악을 우주의 신비를 풀어내는 실마리로 보았다. 고대 피타고라스학파는 구형음악(music of the spheres)을 통해, 오늘날의 과학자들은 자연의 조화(Harmonies of nature)와 같이 미시세계에서도 어떤 조화로운 음악적 특성을 발견해 왔다. 그런데 최근의 초끈이론은 미시세계의 만물들은 모두가 조그만 끈으로 이루어져 있으며, 이들이 진동하는 패턴에 따라 우주의 운명이 결정된다고 하여 음악(끈의 진동)이 우주의 실체라고 했다.
지금까지 표준모델에 위한 우주를 구성하는 물질의 최소단위로 '점'처럼 생긴 입자라고 생각해 왔다. 표준모델의 계산결과 10의 -18승 cm 영역까지 정확하게 들어맞았지만 중력을 포함하고 있지 않기 때문에 문제가 있었다. 그러던 중 1984년 퀸메리대학의 물리학자 마이클 그린(Michael Green)과 켈리포니아 공과대학 존 슈바르츠(John Schwarz)가 그 문제를 해결해 줄 초끈이론을 발견하였다.
[끈이론의 간략한 역사]
1968년 가브리엘리 베네치아노(Gabriele Veneziano)는 스위스 제너바에 있는 입자가속기(CERN)의 연구원이었는데, 양성자와 중성자 사이에서 작용하는 강력을 연구하고 있었다. 강력을 주고 받는 입자들의 성질을 수학적으로 기술하다보니, 그것이 200년 전에 스위스의 수학자 레온하르트 오일러(Leonhard Euler)가 찾아냈던 오일러 베타함수(Euler beta fuction)과 너무나도 정확하게 일치했던 것이다. 그후 몇사람에 의해 오일러의 베타함수에 물리학적 의미를 찾게 되었다.
소립자의 형태를 극소형의 진동하는 1차원 끈으로 간주했을 때, 핵자들 사이의 상호작용을 수학적으로 표현한 것이 바로 오일러의 베타함수였다.
1974년 슈바르츠와 조엘 셔크(Joel Sherk)에 의해 강력과 관련된 실험에서 그동안 그렇게 물리학 난제로 여겼던 중력을 매개하는 입자 중 중력자를 발견한 것이다. 이들은 중력자에 해당되는 끈의 진동패턴을 수학적으로 규명하였다.
1984년 그린과 슈바르츠가 끈이론에 내재해 있던 양자역학적 모순점을 해결하였다. 또 끈이론 속에서 4가지 힘(전기기력, 강력, 약력, 중력)과 모든 물질이 포함된다는 것도 발표하였다.
1984~1986년은 초끈이론의 1차 혁명기였다. 1995년 에드워드 위튼(Edward Witten)에 의해 초끈이론이 2차 혁명기를 맞았다.
초끈이론의 입장에서 물리학의 역사를 새롭게 써보면...
모든 만물의 최소단위는 더 쪼갤 수 없는 원자(고대 그리스의 원자론)가 아니라, 더 쪼갤 수 없는 '진동하는 고리형 끈(oscillating loop of string)이다. 그런데 이 끈의 길이는 원자핵의 1/(10의 20승)이며, 끈이 점입자의 형태가 아니라는 사실을 입증하려면, 현재의 가속기보다 약 10의 15승배나 큰 파워를 지닌 가속기로 탐사입자를 가속시켜서 물질에 입사시켜야 한다.
끈이론에 의한 물리학의 통일
표준모델은 중력을 다룰 수 없다는 것 말고도 아주 결정적인 결함을 지니고 있다. 즉 이 우주가 왜 이렇게 지금과 같은 모습으로 존재하는 지 설명하지 못한다는 것이다. 왜 자연은 표준모델의 표에 나타난 특정입자와 4종류의 힘만을 허락했는가? 소립자와 관련된 19개 숫자들은 왜 하필 그런 값을 가져야 했는가? 이 숫자들은 외견상 아무런 규칙성이 없는 데, 그 속에 무언가 감춰진 규칙이 존재하는 것일까? 아니면 아주 우연에 의해 이런 값들을 선택된 것일까?
[표준모델]-입자족I
입자 |
질량 |
전기전하 |
약전하 |
강전하 |
전자(electron) |
0.00054 |
-1 |
-1/2 |
0 |
전자-뉴트리노(Electron-neutrino) |
<10의 -8승 |
0 |
1/2 |
0 |
업-쿼크(up-quark) |
0.0047 |
2/3 |
1/2 |
red, green, blue |
다운-쿼크(down-quark) |
0.0074 |
-1/3 |
-1/2 |
red, green, blue |
[표준모델]-입자족II
입자 |
질량 |
전기전하 |
약전하 |
강전하 |
뮤온(muon) |
0.11 |
-1 |
-1/2 |
0 |
뮤온-뉴트리노(muon-neutrino) |
<0.0003 |
0 |
1/2 |
0 |
참-쿼크(charm-quark) |
1.6 |
2/3 |
1/2 |
red, green, blue |
스트레인지-쿼크(strange-quark) |
0.16 |
-1/3 |
-1/2 |
red, green, blue |
[표준모델]-입자족III
입자 |
질량 |
전기전하 |
약전하 |
강전하 |
타우(tau) |
1.9 |
-1 |
-1/2 |
0 |
타우-뉴트리노(tau-neutrino) |
<0.033 |
0 |
1/2 |
0 |
탑-쿼크(top-quark) |
189 |
2/3 |
1/2 |
red, green, blue |
바텀-쿼크(bottom-quark) |
5.2 |
-1/3 |
-1/2 |
red, green, blue |
그런데 끈이론의 경우는 하나의 고정된 체계를 가지고 있기 때문에, 기존의 입단명단에 없는 새로운 입자와 새로운 종류의 힘이 발견되면 큰 일이다. 끈은 미세한 공간상에서 마루와 골이 정수개로 딱 맞아떨어지는 파형을 유지하면서 공명진동을 하고 있는 것이다. 만약, 만물의 근원인 끈이 진동패턴이 달라지면, 그것은 다른 질량과 다른 힘전하를 가진 입자의 모습으로 나타난다는 것이다. 즉 소립자의 특성(질량과 힘전하)은 전적으로 끈의 진동패턴에 의해 좌우된다.
진폭이 클수록, 파장이 짧을수록 끈의 에너지는 커지게된다. 진동이 격렬한 끈일수록 에너지가 크고, 진동이 줄어들면 에너지도 작아진다. 즉 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 결정하는데, 끈의 진동패턴과 중력사이에는 직접적인 상호관계가 있다는 말이다.
또한 매개입자인 광자, 위크게이지보존, 글루온 역시 끈의 진동패턴에 따라 나타나는 다양한 모습들 중 하나라는 것이다. 또한 아주 중요한 사실은 끈의 다양한 진동패턴들 중의 하나가 중력의 매개입자인 중력자에 정확하기 대응된다는 것이다. 이로서 끈이론은 표준모델이 다루지 못했던 중력까지도 하나의 통일된 체계 속에 담는 만물의 이론으로 각광받게 된 것이다.
초강력 끈으로 부터 유도되는 세가지 결과
1. 끈은 짧을 수밖에 없다.
2. 끈의 장력이 엄청나게 크다는 것은 곧 고리형 끈의 진동에너지가 엄청나게 크다는 의미이다. (플랑크장력(Planck tension)-10의 39승 톤) 진동하는 끈 에너지는 끈의 진동방식과 장력에 의해 결정된다. 에너지의 최소단위는 끈의 장력에 비례하는 데, 장력자체가 엄청나게 크기 때문에 소립자에서 존재하는 에너지의 최소값도 역시 엄청나게 크다는 것이다. 이는 플랑크에너지(Planck energy)라고 불리는 에너지량의 정수배에 해당한다. 대략 양성자 질량의 10의 19승 배이다. 이것을 플랑크질량(Planck mass)이라 부른다.