현대 물리학이 추구하는 것: TOE

 

현대 물리학의 3대 이론이 추구하는 것

 

갈릴레이로부터 시작된 근대물리학은 아이작 뉴턴에 이르러 정점에 이르게 된다. 그러나 1905년 알베르트 아인슈타인이 발표한 특수 상대성 이론, 그리고 1915년에 발표한 일반 상대성 이론은 고전역학 세계관의 근간을 뒤흔들었다. 각각 절대적인 개념으로 이해되던 시간과 공간이 이제는 더 이상 절대적이지 않게 되었다. 아인슈타인의 상대성 이론은 우주를 이해하는 데 중요한 통찰력을 제공하였다. 간단하게 두 상대성 이론을 정리해 보면 다음과 같다.

 

특수 상대성 이론

 

1. 빛의 속도는 초속 30만km로 누가 관찰해도 똑같다는 광속도 불변의 원리

2. 나의 동시와 남의 동시는 다르다는 동시성의 불일치 원리

3. 관측자마다 다른 시간이 있다.

4. 빛의 속도에 가까워질수록 시간이 느려진다.

5. 시간과 공간이 함께 늘어나거나 함께 줄어든다.

6. 어떤 물체도 빛의 속도를 넘어설 수 없다.

7. 빛의 속도에 가까워지면 물체의 질량이 커진다.

8. 질량과 에너지는 사실상 같다.(E=mc2)

 

일반 상대성 이론

 

1. 중력에 의해 빛이 휘어진다.

2. 뉴턴의 만유인력의 법칙으로는 타원형 궤도로 공전하는 수성의 움직임을 설명할 수 없었다.

3. 낙하하는 상자 안에서는 중력이 사라진다는 것을 발견했다.

4. 아인슈타인에 의하면 관성력과 중력은 사실상 같다. (뉴턴은 관성력을 힘으로 인정하지 않았다.)

5. 질량은 시공간을 휘게 만든다.

6. 낙하하는 것은 휘어진 공간을 따라 나아가는 것이다.

7. 중력은 시공간의 휘어짐이 일으키는 힘이다.

8. 중력이 강할수록 시간의 흐름이 느려진다.

 

양자역학은 아인슈타인의 광자효과이론으로 본격화되었다고 볼 수 있다. 빛이 파동이면서 동시에 입자라는 주장이 증명되었는데, 빛뿐만 아니라 물질의 세계 역시 빛과 비슷한 성질을 띠고 있다는 것이 관측되었기 때문이다. 아인슈타인의 상대성 이론은 우리가 살고 있는 거시세계와 우주를 이해하는 데 큰 도움을 주었다. 그러나 매우 작은 원자의 세계를 다루는 미시세계에서는 잘 적용되지 않는 것이 드러났다. 그래서 아인슈타인은 자신의 이론으로 설명이 되지 않는 양자역학 이론을 시종 마음에 들지 않아 했다. 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 아인슈타인과 열띤 논쟁을 벌였는데 시간이 지날수록 많은 과학자들이 닐스 보어의 편을 들기 시작했다. 1927년 벨기에의 브뤼셀에 열린 5차 솔베이 회의에서 양자역학은 본격적으로 그 모습을 드러내기 시작했다.

 

앞에서 양자역학의 역사에서 잠시 언급했듯이 원자의 세계를 다루는 것은 모든 과학의 기초라 할 수 있다. 만물이 원자로 되어 있으므로 원자를 이해하는 것이 만물을 이해하는 첫걸음이 되기 때문이다. 양자론(quantum theory)의 핵심은 양자의 움직임이 연속적이지 않다는 것이다. 빛이나 입자 모두 불연속적인 값, 덩어리로 되어 있는, 그래서 셀 수 있는 형태의 모습을 가지고 있다. 1900년 독일의 물리학자 막스 플랑크는 높은 온도를 가진 물체에서 나오는 빛의 법칙을 연구하다가 광자, 즉 빛을 내는 입자의 에너지가 불연속적임을 발견했다. 아인슈타인과 논쟁을 벌였던 닐스 보어는 원자 내 전자는 띄엄띄엄 존재하는 불연속적인 궤도를 따라 ‘도약’하면서 전자기파를 방출한다고 했다. 1923년 프랑스의 물리학자 루이 드 브로이는 모든 입자가 파동의 성질을 가지고 있다고 주장했다. 그리고 그 유명한 이중 슬릿 실험을 통해 전자의 파동-입자 이중성이 증명되었다. 그리고 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1926년 전자의 파동을 수학적으로 나타낸 파동함수를 발표했다. 원자나 분자가 어떻게 움직이는가에 대한 양자이론의 기초방정식인 슈뢰딩거 방정식이다. 그리고 하이젠베르크는 관측하기 전에는 입자의 위치와 속도를 동시에 알 수 없다는 불확정성 원리를 발표했다. 그러나 아인슈타인은 여전히 양자이론을 받아들이지 못했다.

 

이러한 양자이론은 100년이 지난 지금도 완전히 정립되지 않았다. 여전히 논쟁은 계속 진행 중이다. 특히 양자역학은 관찰 혹은 측정이 무엇인가에 관한 해석의 문제가 아직 해결되지 않았다. 또 다른 문제는 우주의 4가지 근본적인 힘(핵력, 약력, 전자기파, 중력) 중의 하나인 중력을 설명하기 어렵다는 점이었다. 양자이론에 근거해 중력을 설명하려는 ‘양자 중력 이론’을 체계화하려고 노력했지만 아직도 정립되지 못했다. 여러 가지 이론이 있는데 그중에 가장 유력한 것이 ‘초끈이론’(super-string theory)이다. 최근에는 우주론에서는 블랙홀과 암흑물질에 관한 연구를 통해, 입자물리학에서는 초끈이론으로 모든 힘을 설명하려는 추세다.

 

‘초끈이론’(super-string theory)은 모든 물질은 ‘끈’으로 되어 있다는 이론이다. 원자에는 양성자와 중성자 그리고 전자가 있는데 그것을 구성하는 더 작은 입자들이 있다는 것이 입자가속기와 같은 실험으로 밝혀졌다. 보통 양성자 하나는 세 개의 쿼크(quark)와 쿼크를 연결시켜 주는 글루온으로 되어 있다고 한다. 그리고 쿼크와 글루온 이외에도 밝혀진 소립자가 20여 종이나 된다고 한다. 그리고 발견되지 않은 소립자가 더 있다고 한다. 초끈이론에 의하면 모든 소립자가 ‘끈’으로 구성되어 있다는 것이다. 마치 기타(guitar)와 같은 현악기에서 현의 진동방식에 따라 다양한 소리가 만들어지는 것과 같아서 끈의 진동에 따라 다양한 에너지와 물질의 형태가 결정된다는 것이다. 초끈이론은 양자이론과 상대성 이론을 연결시켜 주는 통합 이론인 것이다. 초끈이론은 우주는 4차원을 넘어서 9차원, 혹은 10차원으로 되어 있을 것이라고 가정한다.

 

이와 같이 현대 물리학은 모든 현상, 모든 물질, 모든 힘을 설명하는 단 하나의 이론(TOE: theory of everything)을 갖기 위해 노력하고 있다. 이것은 마치 우주의 끝은 어디인가를 찾는 노력과도 같이 결코 끝나지 않을 것이다. 양자세계를 향한 인류의 탐구결과는 한 가지 공통적인 사실을 보여⋁주고 있다. 모든 자연 만물은 언뜻 정적으로 보이지만 그 어느 것 하나라도 진동하지 않는 것은 없다. 인간의 의식과 영혼을 포함하여 우주의 모든 것은 떨고 있다.

 

 

표준모형

 

그렇다면 양자세계는 어떤 입자들로 구성되어 있는가? 최근까지 정립된 ‘표준모형’에 의하면 물질을 계속 쪼개고 쪼개다 보면 12개의 소립자(6개의 쿼크와 6개의 렙톤)가 4개의 소립자(매개입자 혹은 게이지입자)를 통해 서로 상호작용(=힘) 한다고 보고 있는데 2012년 유럽입자가속기(CERN) 실험을 통해 17번째 입자인 힉스(Higgs)가 발견되었다. 힉스 입자의 역할은 질량을 부여함으로써 힘을 주고받을 수 있도록 하는 것이다. 즉, 각각의 입자들이 힉스와 상호작용 하는 정도에 따라 질량이 결정된다. 표준모델에서 아쉬운 것은 ‘중력을 결정하는 입자’(graviton)가 빠져 있는 것이다. 현대 물리학자들은 아직도 ‘중력’과 씨름하고 있다.

 

표준모형