새로운 혁명의 시작, 우주의 궁극 이론을 찾아서

20세기 후반 물리학에 새로운 기류가 흐르기 시작했다. 한 세기를 지배한 아인슈타인의 시공간 개념에 감히 도전장을 던지고 나선 젊은 물리학자들은 시간과 공간에 대해 완전히 새로운 그림을 그리면서 물리학의 두번째 혁명을 이끌게 된다. 이름하여 ‘끈 이론’의 등장이다. 이 책은 바로 이 끈 이론의 주역들을 다룬다. 20세기 후반에 등장하여 21세기에 가장 유력한 우주의 궁극 이론으로서, 모든 물리학을 통합하는 삼라만상의 원리로서 화려한 명성을 누리고 있는 끈 이론의 역사적 배경과 그 주역들의 열정과 투지, 그리고 최신 우주론의 모든 것을 상세히 밝힌다.
‘만물의 이론’을 찾아 흥미로운 모험을 즐기는 이들 중에는 한국의 학자들도 여럿 있다. 한국의 물리학은 최근 몇십 년 동안 놀라운 발전을 거듭했다. 과학 선진국들과 어깨를 나란히 하면서 이제는 아인슈타인이 말년의 30년 동안 고군분투하였으나 끝내 이루지 못한 ‘통일장 이론’의 꿈을 실현하는 데 우리 학자들 여럿이 앞장서고 있는 것이다. 이 책은 전 세계 끈 이론 학자들과 더불어 첨단 우주론 연구의 현장에서 맹활약하고 있는 한국 학자들의 생생한 모습과 증언을 담고 있는 보기 드문 책이다.


자연의 모든 힘을 통합하는 진정한 통일 이론인 끈 이론

20세기 물리학의 발전은 상대성 이론과 양자역학이라는 두 기초 위에서 출발했다. 분명 두 이론의 탄생은 물리학의 일대 혁명이었다. 그러나 이 두 개의 혁명이 일어났다는 자체가 문제였다. 두 혁명의 노선이 서로 달라 도저히 조화롭게 하나의 완성된 통일 체계로 정립될 수 없었던 것이다. 다시 말해 두 이론은 마치 물과 기름처럼 섞일 수 없다는 데 물리학자들의 깊은 고민이 있었다. 이 모순을 해결하고 두 이론을 아우르는 통합된 이론의 정립이야말로 물리학의 오랜 숙원이었다. 그 통일 이론이 바로 ‘양자중력 이론’이다.
양자중력 이론은 아직 완성되지 않았다. 양자중력 이론의 완성은 물리학이 해결해야 할 가장 중요한 과제이며 물리학자들은 성공적인 양자중력 이론을 가지게 되면 우주 탄생의 비밀을 밝힐 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 즉 우주 탄생이라는 최대의 미스터리를 풀 수 있는 가장 중요한 단서를 제공하는 것이 바로 양자중력 이론이다.
양자중력 이론을 완성하려는 시도는 1930년대부터 있었다. 그러나 대부분의 이론이 실패하고 말았다. 그런데 1980년대에 본격적으로 양자중력 이론들이 등장하기 시작했는데, 단연 돋보이는 것이 끈 이론이다. 양자중력 이론 중에서 현재는 끈 이론이 가장 진리에 근접해 있다. 나아가 끈 이론은 자연의 모든 힘(우주를 지배하는 네 가지 힘)을 통합하는 진정한 의미의 통일장 이론으로서도 가장 유력한 후보이다.


끈에 매달린 물리학자들의 흥미진진한 도전

끈 이론은 작디작은 끈이 만물을 이루는 기본 단위라는 가정에서 시작한다. 1970년대에 끈 이론이 처음 나왔을 때는 아무도 여기에 관심을 갖지 않았다. 그러나 1984년과 1995년의 혁명적인 두 번의 대전환으로 끈 이론은 물리학계의 총아가 되었다. 특히 에드워드 위튼이 다섯 가지 끈 이론과 막 이론(D-브레인)이 서로 다른 이론이 아니라 모두 연결돼 있으며 ‘M-이론’이라는 근본 이론의 특별한 예들이라는 놀라운 사실을 밝히면서 끈 이론은 마침내 모든 사람들의 주목을 한 몸에 받게 된다.
오늘날 전 세계의 천재적인 물리학자들은 이 이론에 매달려 우주의 수수께끼에 도전하고 있다. 이 책은 눈에 보이지도 않는 조그만 ‘끈’의 실체를 찾아 일생을 건 물리학자들의 세계를 생생히 보여준다. 이 20여 년 동안 물리학의 근본적인 문제를 해결하고 우주 궁극의 이론을 알아내려는 물리학자들의 도전은 어느 소설이나 영화보다 흥미진진하고 드라마틱하다.
이 책의 저자는 M-이론과 끈 이론, 블랙홀, 초대칭 양자장론 등 이론물리학 분야에서 50여 편의 국제논문을 발표하는 등 우주의 궁극 이론을 찾는 양자중력 이론 분야에서 활발한 연구를 펼치고 있는 우리나라의 대표적인 학자이다. 그가 들려주는 인물들의 이야기는 인상적인 사진들과 함께 생동감이 넘친다. 특히 외국 작가들이 쓴 과학 책에서는 찾아볼 수 없는 우리나라 학자들의 활약상은 무척 흥미롭다.


끈, 우주의 비밀을 풀다

우주는 어떻게 탄생했으며 우주를 이루는 물질은 무엇인가? 물질이란 과연 무엇이고 물질을 계속 쪼개면 결국 어떻게 될까? 중력은 왜 존재하고 어떻게 작용하나? 우주의 경계는 있을까? 있다면 그 너머에는 무엇이 있을까? 시간에도 끝이 있을까? 우주의 미래는 어떻게 될 것인가?
찬란한 별이 빛나는 밤하늘을 볼 때마다 우리를 찾아오는 신비로운 의문들. 우리가 이 중 단 하나라도 진정 알 수 있을까. 오늘날 물리학자들은 ‘끈 이론’이 이 모든 질문들에 답해줄 수 있을 것이라 말한다. 끈 이론으로 세상을 다시 보면 새로운 우주가 펼쳐진다. 시공간은 4차원이 아니라 10차원 또는 11차원이 된다. 우리가 사는 4차원 밖에 눈에 보이지 않는 또 다른 우주가 있을 수도 있다. 그곳에 혹시 다른 생명체가 살고 있지는 않을까? 끈 이론은 이전에는 아무도 몰랐던 빅뱅 이전의 모습을 보여주기도 하며 두 우주가 충돌하여 빅뱅이 시작되었다는 새로운 이론도 제시한다. 끈 이론의 시공간에서는 빛이 속도를 뛰어넘을 수도 있다. 그렇다면 어떻게 될까? 시간여행이 가능해질까? 끈 이론이 열어 보이는 새로운 우주는 무한한 가능성으로 가득하다.
그렇지만 끈 이론은 너무 발전한 이론이어서 아직까지는 실험으로 검증되지 않았다. 어떤 이는 21세기 물리학이 20세기에 성급하게 발견된 것이라 말하기도 한다. 그러나 여러 실험 계획이 착착 진행되고 있기 때문에 이런 우려도 머지않아 사라질 것이다. 특히 올해는 역사적인 해가 될 것이다. 유럽물리연구소CERN에서 준비하고 있는 초대형 가속기 LHC의 실험은 초끈 이론 완성의 첫 신호탄이 될 것임에 틀림없다.
초끈 이론과 M-이론이라는 미답지에는 아직 주인이 없다. 삼라만상의 원리, 우주의 궁극 이론을 확립하는 첫 깃발을 누가 꽂을 것인가? 누가 21세기 물리학의 새 지평을 여는 주인공이 될 것인가?