EBS 끈이론 1부 우주 비밀의 열쇠, 끈이론의 출현

현재 세상을 설명하는 이론이 상대성이론이라면.. 세상을 구성하는 원자세계를 설명하는 양자역학과의 모순되는것을 한꺼번에 설명하기 위한 아인슈타인의 통일장이론.. 하지만 실패하고나서 나온것이 바로 이 끈이론...
솔직히 자세한것은 잘 모르겠다... 넘 어려워.. 암튼 분자, 원자같이 동그란 점같은것으로 구성된것이 아니라.. 끈으로 구성되었다고 한다... 아직 확실하다고는 말할수 없겠지만.. 지금까지 밝혀진 내용만으로도 기존의 이론에 비해서 제대로 세상이 돌아가는것에 대해서 설명한다고 한다.
과연 세상이 돌아가는것을 하나로 설명할수 있는 그런 이론이 나올것인가?
아인슈타인과 보어가 싸우는 모습이 참 재미있었다.. 신은 주사위를 던지지 않는다와.. 누구도 신에게 명령할수 없다라는 멋진말의 대결...
세상을 바라보는 색다른 시각... 대단한 과학자들이다...:)


1부 우주비밀의 열쇠, 끈이론의 출현 - 5/24 방송

아인슈타인이 사망하고 거의 반세기가 지난 지금, 우주의 모든 법칙을 하나로 통합해, 전부를 아우르는 통일이론을 만들겠다는 아인슈타인의 목표는 현대 물리학의 지상과제가 됐다. 그리고 우린 끈 이론(String Theory)이라는 새롭고 급진적인 개념을 통해 마침내 그 꿈을 이룬 게 아닌가 생각하고 있다.

하지만 만물의 이론이라는 거창한 이름에도 불구하고 끈 이론의 기본 개념은 아주 간단하다. 제일 작은 입자에서부터 저 머나먼 별에 이르기까지 우주의 모든 것이 단 하나의 물질, 즉 끈(string)으로 이루어져있다고 하는데 여기서 말하는 끈이란 상상할 수 없을 정도로 작으면서, 진동하고 있는 에너지라고 한다. 끈 이론은 아직 시작 단계에 있지만 이미 우주에 대한 급진적이고 새로운 해석을 내놓고 있다. 이색적이고도 멋진 시각이다. 하지만 만물의 이론 하나만으로 우리가 과연, 온 우주의 복잡성을 전부 이해할 수 있을까? 이런 물음에 대한 해답을 차근차근 풀어나가는 것이 본 프로그램 <우아한 우주 The Elegant Universe>의 목적일 것이다. 앞으로 3회에 걸쳐 현대 물리학의 최대 화두이자 최첨담 이론인 끈 이론에 대해 알아본다.

끈이론

 

만물의 최소 단위가 점 입자가 아니라 '진동하는 끈'으로 이루어져 있다는 이론.

 

그 끈은 우리가 흔히 알고 있는 원자와 분자로 이루어져 있는 끈이 아니라 더 이상의 세부구조를 갖고 있지 않는 가장 기본 단위(쿼크)를 말한다.

자연계에는 4가지의 힘이 존재하는데, I.뉴턴(Isaac Newton)의 만유인력을 설명하는 중력과 J. C.맥스웰(James Clerk Maxwell)의 전자기 법칙을 설명하는 전자기력, 물질의 붕괴를 설명하는 약력 그리고 핵의 구조를 설명하는 강력이 그것이다.

끈이론을 연구하는 물리학자들은 자연계에 존재하는 이 4가지 힘과 모든 물질을 하나의 원리로 통합할 수 있다고 주장하고 있다.

모든 입자의 원자내 구조를 설명해 주는 끈이론은, 자연계의 기본입자가 하나의 자유도를 갖는 점(point)이 아니라 무한한 자유도를 갖는 1차원 끈(string)으로 되어 있다는 가설에서 시작했다. 그리고 끈의 진동 형태에 따라 입자의 질량을 비롯한 모든 물리적 성질들이 결정되고 우주도 이에 따라 형성된다는 것이다.

곧, 끈의 진동이 격렬하면 에너지가 많다는 뜻이며, 거기에 대응해 질량의 무게도 커진다. 반대로 끈의 진동이 약하면 에너지가 작다는 것이고, 거기에 대응해 질량의 무게 역시 작아진다. 이것은 끈의 진동세기에 의해 힘의 크기가 결정되고, 끈의 진동패턴(모양)의 변화에 따라 힘의 종류(중력, 전자기력, 약력, 강력)가 결정된다는 것을 의미한다.

이로써 끈이론은 일반상대성이론과 양자역학의 충돌이 되는 중력 문제를 해결하고 모든 것을 설명하는 통합이론으로서의 실마리를 제공하고 있다. A. 아인슈타인의 일반상대성이론이 틀렸음을 지적하고, 지난 50년 동안 과학계를 지배했던 빅뱅이론을 부정하며, 전혀 다른 개념의 우주론을 제시하는 혁명적인 이론이라 할 수 있다.

 

 

통일장이론

 

중력(重力)현상과 전자기현상을 결합시키기 위해 전자기장(電磁氣場)도 만유인력장과 동일하게 물리적 공간의 어떤 성질에 귀착시키려는 장(場)의 이론.

 

중력

 

지구의 만유인력과 자전에 의한 원심력을 합한 힘. 지표 근처의 물체를 연직 아래 방향으로 당기는 힘이다. 만유인력을 중력이라고 할 때도 있다.

 

중력은  시공간이 휘면서 생기는 힘이라는 결론에 도달하게 됩니다

질량을 가진 물체가 있으면 이것에 의해 공간이 왜곡되게 되고

이것에 의한 영향이 중력입니다.

 

아래에 있는 사진이 아인슈타인이 주장한 우주의 중력

 

인류 역사상 최대의 과학자라 할 수 있는 뉴턴(Isaac Newton, 1642-1727)이 정립한 역학 체계는 아인슈타인이 나오기 전까지 수 백년 동안 인류의 시공 개념을 장악했다. 흔히 고전역학이라고 불리는 이 역학 체계는 뉴턴의 힘에 관한 세 가지 법칙과 만유인력의 법칙을 근간으로 하고 있다.

뉴턴은 자신의 이론을 통해 케플러가 제시한 행성의 타원 궤도 운동을 수학적으로 완벽하게 설명할 수 있었다. 만유인력을 중심으로 한 그의 역학 체계는 1687년에 출간된 <자연철학의 수학적 원리>에서 체계적으로 소개되었는데, 이것은 다윈의 <종의 기원>과 함께 인류 역사상 가장 중요한 과학책이다.

16-17세기에 진행된 과학의 혁명적인 변화를 흔히 '과학혁명'이라 부른다. 뉴턴의 혁명이야말로 코페르니쿠스에 의해 촉발된 천문학의 문제들을 역학적으로 완전히 설명하고, 갈릴레오에서부터 비롯된 역학의 혁명을 완결짓는 것이었다. 이러한 뉴턴의 역학은 이후 호이겐스, 라플라스 등에 의해 더욱 정교화되었고, 이후 모든 물리 과학(physical science)의 기본이 되었다.

나아가 고전역학은 특정한 초기 조건과 물체의 운동을 기술할 수 있는 방정식이 있으면 세상에서 일어나는 모든 일을 정확하게 예측할 수 있다는 믿음을 심어 주었다. 이러한 믿음은 20세기에 들어와 양자역학이 성립되면서 상당히 퇴색되었지만, 일상적인 인간의 삶에서는 여전히 큰 영향을 미치고 있다.

 

맥스웰 방정식

 

전자기학의 기초가 되는 미분방정식.

 

통일장이론

 

천체운동의 수수께끼를 푸는 열쇠로서, 질량을 가진 물체 사이에 작용하는 보편적인 작용력으로서의 만유인력(중력)이 뉴턴에 의해 발견되고, 정식화(定式化)된 것은 17세기 말이었다. 중력의 작용과 관성(慣性)의 법칙을 기본으로 하는 뉴턴역학은, 천체의 운동뿐 아니라 지상의 모든 물체의 운동을 통하여 확인되었고, 고전역학의 이론체계가 되었다. 그러나 이 이론에서 중력장의 작용에서 본 질량(중력질량)과 일반 관성력의 작용에서 본 질량(관성질량)이 등가(等價)라는 것은 오히려 하나의 우연이었다. 즉 균일한 중력장이 작용하고 있는 공간과, 뉴턴의 의미에서의 광선계에 대하여 가속도운동을 하고 있는 계와는 역학적으로 구별되어 있지 않다.

A.아인슈타인은 특수상대성이론(1905)에 이어서 1915년 일반상대성이론을 제창하였다. 이 이론은 뉴턴이론의 등가원리를 출발점으로 하여, 중력장의 작용을 하나의 겉보기힘으로서 설명하는 데 성공하였다. 그 시간 ·공간의 구조는 유클리드적(的)이 아니라 더 일반적인 4차원 리만기하학으로 표현되고, 인접한 두 점 사이의 거리를 나타내는 기본적인 양(기본 텐서)이 그 점에서의 중력장과 관계를 맺고 있다. 이것을 직관적으로 말하면, 그 점에서의 공간의 곡률(曲率)이 그 점에서의 중력에 대응하게 된다. 일반상대성이론은 등가의 원리와 만유인력에 관하여 대체적인 설명을 주었을 뿐 아니라 이 이론에서 유도되는 결론은 여러 실험에 의하여 확인되었고, 만유인력(중력)에 대하여 가장 성공한 이론으로 평가된다.

한편 구성(構成)은, 만유인력장이라는 물리적인 작용력을 기하학화(幾何學化)한다는 성격을 가지고, 그 위에 다른 물리적 작용도 포함하여, 이들을 통일적으로 기하학화한다는 계획을 제시하였다. 일반적으로 이러한 발상(發想)을 기본으로 하여 상대성이론의 발전 ·확장을 시도하고 있다. 20세기 초 원자물리학의 발전에 의해 물질의 원자구조가 명백해지고, 거기서 작용하고 있는 힘은 주로 전자기장의 작용이라는 것이 인정되어 왔다. 따라서 중력뿐만 아니라 전자기장도 포함하여 하나의 원리로부터 통일적으로 유도할 수 있는 기하학을 생각하고, 그 세계 속에서 원자구조에 대한 안정된 하전입자(荷電粒子)에 대응하는 해(解)를 허용하는 통일장이론을 만들기 위해 많은 연구가 이루어지게 되었다. 수학자 C.H.H.바일의 연구 후(1918), 5차원 리만기하학에 의한 흐름이나, 4차원 리만기하학을 기초로 하여 각 점에 5차원 유클리드공간 등의 접속성(接續性)을 부여하는 흐름 등, 각각 사용하는 공간의 종류나 그 해석에 따라서 여러 이론이 제출되었다. 그러나 어떠한 시도도 아직 실험적으로 검증되는 형식으로까지는 발전하고 있지 않다.

한편 보편적 물리작용으로서는, 중력 ·전자기장 이외에 핵력이나 소립자 사이의 상호작용이 알려져 있다. 따라서 통일장이론의 제일의적(第一義的)인 대상으로 할 작용을 어떻게 선정할 것인가, 물질의 양자적 구조를 어떠한 형식으로, 어떤 단계에서 도입할 것인지에 관한 문제는, 종래의 형식인 통일장이론에 대한 문제인 동시에 물리학의 기하학화라고 하는 이러한 종류의 이론의 과제이다.