우주의 차원
우주는 몇 차원일까? 사람들에게 이런 질문을 던지면 많은 이들은 3차원이 아니냐고 되물을 것이며 간혹 몇몇은 시간을 포함시켜 4차원이라고 답할 것이다. 분명 우리가 움직일 수 있는 방향은 양옆, 앞뒤, 위아래 이외에는 없기 때문에 공간은 3차원이 맞는 것 같다. 한 방향으로 흐르는 시간을 감안해도 4이상의 차원은 없을 것 같다. 그러나 오늘날 많은 물리학자들은 우주가 무려 11차원이라고 주장하며 공간이 3차원이라는 것은 우리의 착각이라고 말한다. 정말 우리가 알지 못하는 다른 차원이 어딘가에 또 있을까? 『그레이트 비욘드』는 인간의 인식 너머에 있는 차원과 그것을 탐구한 물리학자들의 이야기이다. 지난 백 년 동안 이루어진 발전으로 고차원은 아주 중요한 물리적 개념이 되었다. 저자 폴 핼펀은 고차원 이론의 시작과 발전, 그리고 앞으로의 발전 방향까지 모두 이 책에 담아냈다.

칼루차, 클라인 그리고 아인슈타인
최초의 고차원 이론인 칼루차-클라인 이론은 독일의 물리학자 테오도르 칼루차와 스웨덴의 물리학자 오스카 클라인이 공동으로 제안했다. 이 이론은 중력과 전자기력을 같이 설명하려는 시도로 시작되었다. 그리고 그 통합은 5차원을 도입해야만 가능했다. 칼루차-클라인 이론은 하나의 식으로 당시 알고 있던 자연의 모든 힘, 즉 중력과 전자기력을 함께 설명하는 강력한 이론이었다.
복잡한 대상이나 개념을 간단하고 우아한 식으로 설명하는 것은 물리학에서는 더할 나위 없이 매력적인 일이며 궁극적인 목표이기도 하다. 통일장 이론을 만들려는 꿈을 가지고 있던 아인슈타인도 처음에는 이 이론을 아름답다고 극찬했다. 그 자신도 여러 차례 5차원을 이용하여 통일장 이론을 시도했으나 그는 더 높은 차원이 있다는 것을 끝내 받아들이지 않았고 결국 이론의 완성에 실패했다. 사실 아인슈타인만이 아니라 20세기 초중반의 많은 물리학자들은 검증할 수 없는 고차원이라는 개념을 좋아하지 않았고 그것은 물리학의 영역이 아니라고 생각했다. 그리고 칼루차-클라인 이론은 물리학계에서 오랫동안 잊혀졌다.

새로운 시대의 물리학
그러나 물리학이 발전하면서 여분의 차원 없이 통일장 이론을 완성하는 것은 불가능하다는 것이 밝혀졌고 고차원 이론은 새롭게 주목받았다. 특히 11차원을 가정하는 초끈 이론이 자연의 모든 것을 설명하는 ‘만물의 이론’의 면모를 보이면서 많은 물리학자들이 고차원의 개념을 받아들였다. 전자기력, 중력, 약력, 강력을 통합하고 수많은 입자들을 하나로 설명하는 ‘만물의 이론’이 성립하려면 고차원이 있어야 한다. 물리학의 실제적인 필요가 고차원 이론을 부활시킨 것이다. 왜 중력이 다른 힘들보다 그렇게 작은가 하는 계층구조의 문제, 왜 우주가 특정한 비율로 가속되고 있는가와 관계된 우주상수와 암흑물질의 문제들도 고차원을 가정한다면 해결할 수 있을 것이다. 이제 고차원은 물리학의 가장 핵심적인 개념이 되었으며 앞으로 진행될 물리학의 발전은 고차원을 떼놓고는 생각할 수 없을 것이다.

고차원 이론의 자세한 안내서
이 책에는 최초로 인식할 수 없는 세계를 제시한 플라톤에서부터 지금도 활발히 활동 중인 초끈 이론, M-이론 학자들까지 고차원과 관계된 거의 모든 사람들이 등장한다. 저자는 그들의 다양한 견해와 연구를 차례대로 살피면서 고차원 이론의 발전 과정을 설명하고 있다. 현대 물리학의 핵심에 있는 고차원 이론을 따라가면서 상대성이론, 양자역학, 표준모형 등 다른 중요한 물리학 개념들도 만나게 된다. 고차원 이론의 발전은 사실 현대 물리학의 발전이라고 볼 수 있는 것이다. 또한 물리학자들만이 아니라 고차원에 관한 소설과 그것을 표현한 예술, 그리고 고차원 공간을 초자연적인 영역으로 본 신비주의 같은 물리학 바깥의 고차원 개념을 살펴본 것도 이 책의 중요한 사항이다. 물론 책의 중심은 물리학적인 발전에 있지만 대중문화와 예술 속에 나타난 모습을 통해 고차원의 개념이 사회적으로 어떻게 받아들여지고 대중화됐는지 알 수 있다. 고차원에 대한 거의 모든 내용을 담고 있는 이 책은 고차원을 연구하는 물리학자인 저자가 소개하는 고차원의 연대기이다.