초끈이론과 고리양자중력,
입자물리학의 최전선

20세기에 우리는 특별한 성공을 거둔 두 이론을 목격했다. ‘양자역학’은 아주 작은 규모를 경이로울 만큼 잘 설명하고, ‘일반상대성이론’은 중력과 거대 규모 우주를 아름답게 설명한다. 문제는 이 둘이 ‘같이’ 돌아가지 않는다는 것이다. 양자역학은 공간과 시간이라는 무대를 가정하고, 모든 것이 암묵적으로 이 배경 위에서 행동하는 것처럼 가정한다. 반면 일반상대성이론은 이 배경을 없애버린다. 공간과 시간은 상대적이며 중력은 휘어진 시공간을 움직이는 물질에 의해 발생하는 효과일 뿐이다. 21세기의 이론학자들은 양자 규모의 우주를 설명할 단 하나의 방법을 개발함으로써 이 두 이론을 초월하는 길을 모색해 왔다. 바로 ‘양자중력’ 이론을 찾고 있는 것이다.
양자중력으로의 접근법으로는 크게 두 가지다. 그중 하나인 ‘끈이론’은 입자물리의 관점에서 태어난 이론으로 많은 이들로부터 인기를 얻어왔고 널리 알려져 있기도 하다. 이 책은 두 번째 접근법인 고리양자중력(LQG: Loop Quantum Gravity)에 대한 이야기다. 잘 알려지지는 않았지만, 고리양자중력에 관심을 갖는 사람들이 점점 늘어가면서 영향력을 더해가고 있다. 일반상대성이론에서 출발한 이 이론은 입자이론으로부터 수많은 아이디어와 기술을 빌려오고, 공간 자체가 태생적으로 양자상태라고 예측한다. 시간은 양자공간이 ‘스핀거품’을 형성하여 이루는 기하 안에서 도약의 결과로서 발현된다. 매우 추상적인 이야기이지만, 『퀀텀 스페이스』는 어려운 수학 없이, 공간, 시간, 그리고 우주에 관한 가장 깊고 가장 기본적인 최신 아이디어를 들여다볼 기회를 마련해 준다.

카를로 로벨리의 찬사,
LQG를 이해하는 완벽한 안내서

고리양자중력은 이해하기 위해서는 일반상대성이론과 양자역학에 대한 기본지식을 바탕으로, 공간과 시간에 대한 전혀 새로운 아이디어에 도달해야 한다. 『퀀텀 스페이스』는 크게 세 부분으로 구성되어 있다.
1부, ‘토대’는 상대성이론, 양자역학, 빅뱅우주론에 대한 핵심적인 개념과 주요 아이디어를 소개한다. 특히 고리양자중력 이론의 주역인 리 스몰린과 카를로 로벨리가 학생시절과 이론 물리학자로서 성장하면서 배우고 깨달은 내용을 주축으로 이야기가 전개되는데, 이 분야에 입문하는 독자들도 마치 모험을 떠나듯 흥미롭게 새로운 양자중력 이론에 도전하는 그들의 생각을 따라 갈 수 있다.
2부 ‘형성’은 LQG(고리양자중력)의 탄생과 발전에 관한 이야기다. 1950년대 말 상대성이론과 양자역학을 결합시키려는 노력에서 출발해, 이를 가능하게 한 아브헤이 아쉬테카의 ‘새로운 변수’의 발견을 거쳐, 20세기가 끝날 무렵 아쉬테카, 스몰린, 로벨리 등 많은 과학자들의 협력으로 넓이와 부피의 양자, 스핀거품이 탄생한 과정을 이야기한다. 이 속에는 끈이론에서 초끈이론에 이르는 내용과 LQG와의 관계, 그리고 고리양자중력이 이론적 한계에 부딪힐 때마다 이를 극복하기 위한 과학자들의 치열한 고민이 담겨 있다.
3부는 LQG의 최신 소식들로, 고리양자중력을 이용해 이미 익숙한 물리량을 계산하려는 노력과, 양자우주론 그리고 블랙홀의 물리학이 미칠 영향을 논의한다. 또한 양자역학과 시간의 실체에 대한 해석을 탐구한다. 이 부분까지 읽고 나면 이후로 보이는 공간과 시간은 결코 예전과 같지 않을 것이다. 에필로그에는 저자가 리 스몰린과 카를로 로벨리와 주고받은 이메일과 화상통화로 인터뷰한 내용이 정리되어 있다. 과학자로서 중력양자 이론을 추구하는데 겪었을 어려움과 용기, 두 과학자간의 우정, 성취한 것에 대한 개인적 견해, 그리고 끈 이론과 고리 이론 커뮤니티간의 화해 가능성까지 묻는다.
로벨리는 『보이는 세상은 실재가 아니다』에서 이렇게 말했다. “[물질과 에너지의 밀도가] 플랑크 규모에 도달한 순간이 있었다. 140억 년 전이었다. 그 시점에서는 일반상대성이론의 방정식들은 더 이상 유효하지 않은데, 그 이유는 양자역학을 무시할 수 없게 되기 때문이다. 우리는 양자중력의 영역에 들어섰다.” 고리양자중력으로 가는 거대한 여정에 동참하게 된 것을 환영한다.