[미치오 카쿠] 단 하나의 방정식

[insmile]

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0. 과학계 오랜 숙제

요 며칠 회사 일이 좀 바빠서 아빠가 독서편지가 뜸했구나.

그 이야기는 독서편지가 또 밀렸다는 것.^^

밀린 독서편지를 따라잡기 위해 오늘은 좀 짧게 이야기할게.

사실 오늘 이야기할 책이 아빠가 내용을 제대로 이해하지 못한 점도 있어서

길게 이야기하고 싶어도 할 수 없을 것 같구나.

오늘 이야기할 책은 미치오 카쿠의 <단 하나의 방정식>이라는 책이란다.

지은이 미치오 카쿠는 아빠가 예전에 읽은 <평행우주>를 사람이기도 해.

어려운 현대 과학에 관한 이야기였지만,

읽기 편한 문체로 되어 있어서 좋았던 기억으로 남은 책이란다.

그래서 <단 하나의 방정식>이라는 책의 지은이를 보고,

낯이 익어 찾아보니 <평행우주>의 지은이라서 이 책도 읽게 된 것이란다.

책 제목을 보면 이 책이 무엇을 이야기하는지 감이 좀 오더구나.

<단 하나의 방정식>

과학계의 오랜 숙제가 하나 있단다.

거시 세계를 설명하는 상대성 이론과

미시 세계를 설명하는 양자역학을 모두 아우를 수 있는 하나의 이론,

소위 통일장이론을 찾으려고 많은 과학자들이 연구하고 있단다.

이 책의 제목 단 하나의 방정식도 그 통일장이론을 설명하는 단 하나의 방정식을 의미하는 것이란다.

아인슈타인도 이 통일장이론을 찾으려고 노력했으나

결국 풀지 못하고 세상을 떠났단다.

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(9-10)

그 노트에는 아인슈타인이 ‘통일장이론(unified field theory)’이라 불렀던 궁극의 이론이 미완의 상태로 적혀 있었다. 그의 목표는 “신의 마음이 담겨 있는” 단 한 줄짜리 방정식으로 우주의 삼라만상을 설명하는 것이었으나, 끝내 신의 마음을 읽지 못하고 세상을 떠났다.

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이 책은 많은 과학자들이 세상을 설명하는

그 단 하나의 방정식에 대한 연구를 이야기해주는 책이란다.

1. 예전의 통일장이론

그런데 세상을 설명하는 단 하나의 방정식은 현대 물리학에서만 생각한 것은 아니었어.

중세 시대에도 그런 노력이 있었어.

르네상스와 함께 과학이 대한 관심이 높아지며 많은 과학의 업적이 이루어졌단다.

그 중에 대표적인 사람은 누가 뭐라 해도 뉴턴이란다.

너희들도 이제 뉴턴의 운동 법칙 때문에 고생을 하기도 하잖니..

뉴턴의 뉴턴 법칙은 최초의 통일 이론이라고 할 수 있다고 하는구나.

당시 세계관은 하늘과 땅이 전부인 세계였는데,

그 세계의 모든 물체의 운동을 뉴턴의 운동 법칙으로 설명이 가능했으니 말이야.

영국의 시인은 그런 뉴턴에 대한 존경을 담아 시까지 썼다고 하는구나.

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(27)

뉴턴이 발견한 운동 및 중력이론은 기존의 운동법칙을 하나의 원리로 묶은 최초의 통일이론이자, 인간의 지적 능력이 낳은 최고의 산물이다. 18세기 영국의 시인 알렉산더포프는 뉴턴에 대한 존경을 담아 다음과 같은 시를 남겼다.

 자연의 법칙은 어둠 속에 묻혀 있었다.

 그러나 “뉴턴이 있으라!”는 신의 한마디에

 모든 것이 환하게 드러났다.

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….

뉴턴의 운동 법칙으로부터 약 200년 후

또 하나의 통일 이론이 만들어진단다.

당시 자기와 전기를 별도의 물리적 특성이라고 생각했어.

그런데 패러데이가 자기와 전기가 ‘장’ 때문에,

그러니까 자기장과 전기장 때문에 특징을 갖는다는 것을 발견했어.

그리고 맥스웰은 벡터와 미적분학을 통해 전기장과 자기장을 수식으로 설명했어.

이 계산으로 전자기파의 속도를 구했는데,

빛의 속도와 거의 유사하다는 것을 알아냈어.

그래서 빛도 전자기파라고 주장을 했단다.

자기와 전기를 설명하는 맥스웰 방정식은 또 하나의 만물의 이론이었어.

이 맥스웰 방정식은 오늘날 라디오, 휴대폰 등 무선 통신의 기초가 되었단다.

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(39)

패러데이와 맥스웰이 전기와 자기를 하나로 통일할 수 있었던 것은 이들이 수학적으로 대칭적인 관계에 있기 때문이다. 맥스웰의 방정식에는 ‘이중성(duality)’이라는 대칭이 존재한다. 빛(전자기파)에 포함된 전기장을 E라 하고 자기장을 B라 했을 때, E와 B를 맞바꿔도 맥스웰의 방정식은 달라지지 않는다. 이런 이중성이 존재한다는 것은 전기와 자기가 동일한 힘의 두 가지 측면임을 의미한다. 맥스웰은 E와 B 사이의 대칭을 이용하여 전기와 자기를 통일했고, 그 덕분에 19세기 과학은 위대한 도약을 이룰 수 있었다.

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그리고 헤르츠라는 사람은 맥스웰 방정식을 실험으로 증명하여 라디오를 발견했고,

마르코니는 이것을 무선 통신에 이용했단다. 1894년의 일이었단다.

얼마 전 Jiny가 국사 공부한다면서 열심히 외웠던 1894년이네.

…

2. 언젠가는

20세가 되면서 아인슈타인이 등장하였단다.

아인슈타인은 광속불변의 법칙을 발견하여 특수상대성 이론을 발표했단다.

특수상대성이론은 여러 번 이야기해서 간단히 이야기하고 넘어갈게.

특수상대성이론은 시간이 절대적인 것이 아니라 속도에 따라 변한다는 것을 설명하는 이론이란다.

이루 아인슈타인은 일반상대성이론을 통해

질량을 가진 물체의 주변의 공간이 휜다는 것을 설명했단다.

절대적인 시간과 공간이 변한다는 혁신적인 이론을 발표한 거야.

그 이론들은 나중에 모두 증명되어 사실임이 밝혀졌단다.

상대성이론을 발표하고 나서 아인슈타인은 앞서 이야기한 것처럼

통일장이론을 연구했지만 결국 발견하지는 못했단다.

그리고 아빠가 전에 현대물리학과 양자역학 관련된 책 이야기를 할 때 이야기했듯이

아인슈타인은 양자역학의 기초를 놓았지만 평생 인정하지 않았단다.

…

당시 과학자들은 물질은 무엇으로 이루어졌는가에 대한 연구를 한창이었단다.

점점 미시세계를 연구하게 되었고 그러다가 양자역학까지 이어지게 되었단다.

양자역학은 뉴턴의 결정론적 세계관과 상충되는 불확실성을 뒷받침하고 있어.

그래서 양자역학이 처음 발표되었을 때 과학자들 사이 논란이 많았단다.

양자역학에 과한 세상에서 가장 유명한 어록도

이 책에서 다시 한번 만났단다.

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(96)

아인슈타인은 양자역학을 두고 “성공을 거둘수록 더욱 멍청한 이론처럼 보인다”고 했고, 전자파의 개념을 처음 도입했던 슈뢰딩거조차도 자신의 이론에 대한 확률적 해석을 받아들이지 않았다. 지금도 일부 물리학자들은 파동이론의 철학적 의미를 놓고 난상토론을 벌이는 중이다. 당신이 어떻게 두 장소에 동시에 존재할 수 있다는 말인가? 노벨상 수상자인 미국의 물리학자 리처드 파인먼은 이런 말을 한 적이 있다. “양자역학과 관련하여 내가 단언할 수 있는 사실은 한 가지뿐이다. 그 이론을 제대로 이해하는 사람은 이 세상에 단 한 명도 없다!”

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…

세계 2차 대전이 끝나고 나서 통일장이론에 대한 연구가 본격적으로 진행되었단다.

슈뢰딩거와 파울러가 통일장이론에 대해 발표를 했지만

모두 오류가 있었음이 확인되었단다.

과학자들은 핵력, 즉 강한 핵력과 약한 핵력을 연구가 활발했단다.

강한 핵력은 양성자와 중성자를 원자핵 속에서 강하게 묶어주는 힘이고,

약한 핵력은 입자의 성질을 변화시켜 방사성 붕괴를 일으키는 힘이란다.

머리 겔만과 그의 동료들과 핵력을 연구했는데,

양성자와 중성자가 기본 입자가 아니고

그보다 저 작은 입자들이 양성자와 중성자를 구성한다고 주장했는데,

그 입자가 너희들도 잘 알고 있는 쿼크란다.

…

이 입자들은 무엇으로 이루어졌는가에 대한 노력은 계속되어

표준모형까지 만들어졌는데, 아름답지 않다고 하는구나.

과학자들의 간단하고 깔끔한 식들을 좋아하잖니..

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(141-142)

둘째, 표준모형은 각기 다른 힘을 서술하는 여러 이론을 인위적으로 묶어놓았기 때문에 다소 부자연스러우면서 누더기 같은 인상을 준다(한 물리학자는 ‘표준모형을 칭찬하는 것은 마치 오리너구리와 땅돼지, 고래를 하나로 묶어서 희한한 동물을 만들어놓고 자연에서 가장 아름다운 생명체라고 우기는 것과 비슷하다. 그런 동물을 예뻐할 생명체는 엄마밖에 없다’고 말했다.)

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….

루게릭 병에 걸렸지만 많은 업적을 낸 스티븐 호킹은 루게릭 병을 처음 진단받았을 때

2년밖에 못 산다는 이야기를 듣고 시간이 얼마 없다고 생각하고

중력에 양자역학을 접목하는 문제에 도전했다는구나.

그리고 기존 알려져 있던 블랙홀 이론의 오류를 발견했대.

자세한 내용은 아빠가 제대로 이해하지 못했으니 발췌로 대신하고 패스.

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(160)

블랙홀과 관련된 책과 논문을 읽으면 읽을수록 무언가 잘못되었다는 느낌을 지우기가 어려웠다. 블랙홀에서는 아무것도 탈출할 수 없다고 했지만, 호킹은 이것이 양자이론에 위배된다고 생각했다. 양자역학에서는 모든 것이 불확실하다. 블랙홀이 완전이 검은색으로 보이는 이유는 빛을 비롯한 모든 것을 빨아들이기 때문인데, ‘완벽한 암흑’이라는 개념 자체가 불확정성원리에 위배된다. 양자세계에서는 암흑조차도 불확실하다. 그리하여 호킹은 블랙홀이 아주 미약하게나마 양자복사quantum radiation를 방출한다는 혁명적인 결론에 도달하게 된다.

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블랙홀을 연구하면서 블랙홀이 빨려 들어간 것들은 어디로 갔나를 설명하기 위해

웜홀이라는 개념이 생겨나게 되었고,

그러면서 시간여행이 가능한가에 대한 연구도 이루어졌는데,

시간 여행에 대한 역설은 평행우주로 설명이 가능하다고 하는구나.

그런 이야기만 있다는 것으로만 체크하고 또 패스.

…

아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 우주는 팽창 또는 수축을 해야 하는데,

당시 우주는 정적인 것이라 믿었기 때문에

아인슈타인은 우주상수를 넣어 보정했다고 하는구나.

그러다가 1929년 허블이 우주가 팽창하고 있다는 것을 발견되었어.

아인슈타인의 우주상수는 잘못 넣었던 거야.

그것 없이 일반상대성이론이 우주의 팽창을 설명했던 거야.

…

자, 이제 마지막으로 끈이론이 등장한단다.

끈이론은 양자중력이론을 설명하기 위해 등장한 이론이라고 하는데,

끈의 진동 패턴에 따라 앞서 이야기했던 쿼크, 전자 등 다른 미립자들이 될 수 있다는 이론이야.

끈이론에 대한 이야기는 예전에 다른 책에서도 보긴 했는데

직관적으로 이해하기는 쉽지 않았어.

끈이론을 설명하려면 10차원으로 설명해야 하는데,

우리가 살고 있는 3차원, 시간까지 포함해도 4차원 세상인데

10차원 세상을 어찌 이해할 수 있겠니.

그런데 끈이론으로 중력과 상대성이론과 양자이론을 모두 설명할 수 있다고 했어.

한마디로 그토록 찾던 통일장이론이자 만물의 이론이라고 할 수 있는 거야.

10차원에 대한 이야기도 홀로그램의 원리로 설명할 수 있다고 했어.

홀로그램이 3차원의 정보를 2차원에 저장하는 것처럼

끈이론의 10차원과 11차원이 현실에서는 3차원에 저장되어 있을 수 있다고 하는 거야.

그럴 듯하긴 하지만 10차원은 너무 고차원이구나.

끈이론이 이론적으로 오류가 없어 통일장이론의 강력한 후보이긴 한데,

검증이 어렵다는 치명적인 단점을 가지고 있다는구나.

끈이론이 등장한지 수십 년 동안 검증하려고 노력했지만 아직 검증을 하지 못했대.

우주가 흩어지지 않게 하는 중력의 근원 물질인 암흑물질을 분석을 해서

검증을 해야 한다고 하는데 쉽지 않은가 보구나.

앞으로는 가능할까? 모르겠다는구나. 끝내 검증하지 못할 수도 있대.

대략 이렇게 이야기가 끝이 났단다.

비록 모든 것을 설명하는 하나의 이론을 아직 찾지는 못했지만

그 이론을 찾으면서 다른 이론들을 만들고 과학계의 많은 발전을 이루었다고 하는구나.

예전에 연금술처럼 말이야.

그러니 앞으로도 만물의 이론에 대한 연구는 지속되어야겠구나.

인류는 과연 통일장이론을 찾을 수 있을까.

혹시 너희들도 도전해 보고 싶은 생각은 없니?^^

짧게 이야기한다고 했는데, 주저리 주저리 길어졌구나.

그럼 오늘은 이만.

PS,

책의 첫 문장: 궁극의 이론이란 우주에 작용하는 모든 힘을 하나로 통일하고, 팽창하는 공간에서 소립자의 미세한 운동에 이르는 우주 만물의 안무(按舞)를 설명하는 이론이다.

책의 끝 문장: 오랜 세월 동안 무지한 상태로 살아왔던 인간이 드디어 신의 마음을 알아냈기 때문이다.

책제목 : 단 하나의 방정식

지은이 : 미치오 카쿠

옮긴이 : 박병철

펴낸곳 : 김영사

페이지 : 292 page

책무게 : 409 g

펴낸날 : 2021년 11월 29일

책정가 : 17,800원

읽은날 : 2026.06.18~2026.06.20

글쓴날 : 2026.07.08,10,11