[rubymaker]만물의 이론 - 끈은 모든 것을 이어줄 것인가?

詩三百, 一言以蔽之, 曰思無邪(시삼백, 일언지폐지, 왈사무사)
시경에 있는 시 삼백수를 한마디로 말하면 그 생각함에 있어 사악함이 없다...라는 뜻이다.

오늘의 포스팅에선 고전 시경을 말하고자 하는 것이 아니라 바로 이 일언이폐지(一言以蔽之)라는 부분이다.

'한마디로 말해서...' 인간은 이렇게 세상만물을 관통하는 하나의 진리를 찾고자 고군분투해왔다. 무엇이 이 세상을 지배하는 원칙일까? 종교인은 종교를 통해서 철학자는 철학을 통해서 그리고 과학자는 과학을 통해서 그 진리에 도달하고자 했던 것이다.

1916년 일반상대성이론을 완성한 아인시타인은 중력과 전자기력을 같이 설명할 수 있는 통일장 이론에 여생을 바쳤다. 물론 이 외에도 자연계에는 원자핵과 관련된 강력과 약력이 있지만 양자역학을 인정하지 않았던 아인시타인에겐 관심밖이었다.

일반상대성 이론이 대표하는 거시 물리학과 양자역학이 대표하는 미시 물리학은 같은 물리학이라는 이름 아래 도저히 공존할 수 없는 것이었다. 적어도 끈이론이 나오기 전까지는 말이다.

끈이론에서 물질을 구성하는 최소 단위는 원자보다 수천억배나 작은 끈이며 이 끈의 진동 패턴에 의해 단위 물질의 질량이나 전하가 정해진다. 엄청나게 작기 때문에 실험으로는 확인할 수 없어서 최초엔 수학으로만 전개되었던 이론이다.

양자역학은 물리적 성질의 기본 요소가 양자(量子) 즉, 물리적인 독립체로 구성되어 있다는 것이다. 하지만 동시에 파동의 특성을 가지고 있기 때문에 그 존재는 확률적으로 예측이 될 뿐 정확한 위치와 운동량을 관측할 수 없다는 것이다. 이러한 양자적 특성 때문에 고전 물리학의 상식으로는 도저히 이해할 수 없는 부분이 많다.

예를 들어 원자핵 주위를 돌고 있는 전자는 일정한 에너지 준위에 해당하는 궤도에만 존재할 수 있으며 그 궤도는 불연속적이어서 중간 지점에 전자가 존재할 수는 없다. 그러면 그 전자에 어떤 에너지가 가해져서 상위 궤도로 올라갈 때 어떤 일이 일어날까? 원래 궤도에 있던 전자가 순식간에 없어지고 동시에 상위 궤도에 짠~하고 갑자기 나타난다는 것이다. 어떤 물질도 빛의 속도보다 빠를 수 없다는 상대성 이론에 근거해선 도저히 설명이 되지 않는 것이다.

여러가지 패러다임(세계관 또는 원칙)이 동시에 존재하면 세상을 살아가기가 매우 피곤해진다. 어느 패러다임을 언제 적용해야 될지 모르기 때문이다. 어떤 현상이 새로 발견되었는데 어떤 패러다임으로 이해해야 할 지 모른다면 혼란에 빠지지 않겠는가? 밤하늘의 먼 은하를 바라볼 때와 손안의 전자기기를 쳐다볼 때, 전혀 다른 패러다임을 적용해야 하는 물리학자들의 고뇌는 상상보다 훨씬 컸던 것이다.

이런 의미에서 가브리엘레 베네치아노가 에른하르트 오일러의 공식에서 끈이론의 힌트를 얻은 것은 물리학계에 내려진 복음과도 같은 것이었다. 끈이론은 양자역학의 세계에서 중력장의 영향을 설명할 수 있을 뿐만 아니라 천체 물리학에서의 빅뱅 또한 설명이 가능하기 때문이다. 물론 이 모든 것이 가설이며 실험으로 확인된 바는 없다. 하지만 양립할 수 없는 두 세계 사이에서 갈등하던 물리학자들에게 끈이론이 던져준 가능성의 실마리는 엄청난 연구 동력이 되었을 것이다.

끈이론이 만물의 이론(Theory of Everything)이란 이름으로 거창하게 등장한 이래 다시 5개의 이론이 제기되는 혼란도 겪었다. 그러나 에드워드 위튼이 이를 1개의 이론으로 다시 통합함으로써 끈이론은 양자역학과 더불어 현재 물리학의 가장 관심있는 이슈가 되고 있다.

사마천이 궁형을 받으면서도 '사기'를 집필한 목적은 역사의 정의가 어디에 있는지 밝히고자 함이었는데 정의란 '진리를 추구하는 것'이라고 본다면 이러한 끊임없는 물리학 연구의 노력도 세상을 바로 보고자하는 인류의 숭고한 의지가 아닐까 싶다.