엘러건트 유니버스

 

책이름 : 엘러건트 유니버스

지은이 : 브라이언 그린

옮긴이 : 박병철

펴낸곳 : 승산

 

초끈이론(superstring theory)의 이론물리학자 브라이언 그린(Brian Greene, 1963- )의 『우주의 구조』에 이어 『엘러건트 유니버스』를 만났다. 책은 저자의 첫 번째 교양과학서였다. 겉표지의 카피는 ‘초끈이론과 숨겨진 차원, 그리고 궁극의 이론을 향한 탐구여정’으로 5부 15장으로 구성되었다. 나는 어쩔 수없이 후미의 ‘용어해설’부터 읽었다. 저자는 가장 어렵기로 소문난 최첨단 물리 이론을 독자에게 앍기쉽게 풀어 설명했다.

1부 지식의 변두리에서. 아인슈타인의 일반상대성이론은 우주에서 일어나는 현상들을 이해할 수 있는 기틀을 마련. 소립자의 세계를 설명해주는 양자역학. 초끈이론은 원자 내부의 퀴크quark에서 방대한 은하까지 우주에 속한 모든 만물과 현상을 하나의 원리, 즉 우주 전체를 대변하는 단 하나의 방정식으로 설명. 우주에서 일어나는 모든 상호작용은 네 가지 힘 - 중력, 전자기력, 약력, 강력(핵력). 끈이론은 입자들은 지극히 미세한 1차원 고리(가느다란 끈의 양끝을 이어놓은) 모양을 하고 있다는 것.

2부 시간과 공간, 그리고 양자의 딜레마. 스코틀랜드 물리학자 제임스 클럭 맥스웰은 전기 현상과 자기 현상을 하나로 통일하여 ‘전자기장’ 개념을 확립. 광원과 관찰자의 상대속도에 관계없이 관측된 빛의 속도는 시속 6억7천만 마일로 언제나 동일. 중력과 가속운동은 완전히 동일, 가속운동에 의해 시간과 공간이 왜곡, 휘어진 시공간 자체가 곧 중력의 존재를 의미. 미국 천문학자 에드윈 허블은 멀리 있는 은하를 관측하여 현재 우주가 팽창하고 있다는 것을 발견. 양자역학에서 우주는 엄격한 수학적 법칙에 따라 운영되지만, 이 법칙들은 어떤 특정 사건이 발생할 확률만은 알려줄 뿐, 미래에 실제로 어떤 사건이 발생할지는 알아낼 수 없다.

3부 우주의 교향곡. 전자기력의 세기는 강력의 1%정도, 약력은 강력보다 수천 배가 약하고 중력은 강력의 1억x10억x10억x10억분의 1(10⁻³⁵)배 밖에 되지 않는다. 현재의 관측기술로 측정할 수 있는 한계는 10억x10억분의 1(10⁻¹⁸m)정도. 숨겨진 차원의 거의 플랑크 길이의 영역 이내에 존재한다는 ‘칼루자-클라인 이론’. 끈이론에 의하면 우주의 최소 단위는 끈이며, 끈의 진동 패턴은 입자의 질량과 힘전하를 결정하는 가장 원초적인 요인으로 작용. 아주 작은 영역 속에 여섯 개의 차원들이 똘똘 감겨져 있다고 주장. 끈이론은 만물의 궁극적인 구조, 우주의 모든 삼라만상을 하나의 체계 속에 통일시킬 수 있는 이론.

4부 끈이론과 시공간의 구조. 플랑크 길이 이하의 초미세 영역에서 양자역학과 일반상대성이론은 양립 불가능, 끈이론에 의존. 칼라비-야우 공간이 찢어질 때 실제로 영향을 받는 것은 입자의 질량, 즉 끈의 진동 패턴에 의해 결정되는 ‘에너지’. 여러 종의 끈이론들을 하나로 통합하는 새로운 이론 ‘M-이론‘. 엔트로피는 주어진 물리계의 전체적인 무질서도를 나타내는 양자역학적 개념. 스트로밍거와 바파는 ‘극단적인 블랙홀’에 대해서 끈이론을 적용하여 블랙홀의 엔트로피를 이해하는데 성공, 25년 동안의 물리학계의 난제를 해결. 빅뱅이 일어난 지 10⁻⁴³초 후에(플랑크 시간Plamk Time) 우주의 온도는 약 10³² °K 였으며, 이는 지금의 태양 중심부 온도의 10조x1조배(10²³배)에 해당되는 엄청난 온도, 약 10억년이 지난 후 우리의 우주는 중력에 의해 은하와 별, 행성들을 형성. 1965년 아르노 헨지아스와 로버트 윌슨은 빅뱅의 잔광(殘光, 우주배경복사)을 발견, 절대온도 2.7 °K(-273.3 °C)로 빅뱅이론이 예견한 값과 정확하게 일치.

5부 21세기 통일이론. 빅뱅, 또는 빅뱅 이전의 시대에서 출발하여 끈의 진동으로부터 우주의 진화가 설명되고, 그로부터 시공간의 개념이 유도되는 이론 - 끈이론/M-이론의 궁극적 완성(?).