초끈이론이 허구인 이유를 간단하게 설명해 준다.jpg

일단 우주에는 원자들이 있고

원자는 소립자로 구성 되어있음

현재 소립자는 17개가 있으며

이것들은 양자론을 포함한

현실 세상의 거의 모든 상호작용을 설명할 수 있음

이걸 표준모형 혹은 표준이론이라고 함

하지만 이 이론에도 약점이 하나 존재함

바로

중력임

아인슈타인은 이 우주를

시간/공간의 기하학상태를 무대로 하는 이론을 하나 만들어냄

그게 바로 님들도 잘 알고 있는

일반 상대성 이론임

물체가 시공을 비틀고

그 비틀림을 우리들은 중력이라고

느끼고 있음

그럼 중력을 일반상대성이론이 아니라

양자론으로 설명하면 어떻게 될까??

양자론으로 중력을 소립자로 다룬다면

중력은 힘을 매개하는 타입으로 분류되고

그걸 중력자란 이름으로 지어놨다

근데 중력자

이름은 멋드러지게 지어놨지만

표준이론에 끼워넣을수가 없다

중력자를 표준이론에 끼워넣으면

이상하게 무한값이 나오게 됨

무한은 물리학에서

계산불능을 의미함

또한 물리학에서 이론이 잘못된 방향으로 나아갔다는

'징후'임

또한 일반상대성이론과 양자론 양쪽다 똑같이

이 우주를 나타내고

같은 우주를 설명한다는 것은

두개의 이론이 통합하여

한개의 이론이 될 수 있다는 것이 가능하다는 뜻

그런데 실제로는 불가능 했음

왜냐하면 일반상대성이론은 계산을 하려면 절대적인 길이가 필요했고

한편, 양자론은 소립자를 사이즈가 없는 점으로 표시하기 때문임

아무튼 과학자들은 머리를 싸매어서

두개의 이론을 통합시키려고 끙끙거렸음

최대의 난관은 소립자의 사이즈가 0이라는 점임

여기서 과학자들은 차원개념을 도입해

우주의 최소단위를 점이 아니라 선이라고 가스라이팅을 하기 시작함

이게 바로 '끈이론' 임

끈이론은 매우 단순함

소립자는 사이즈를 알 방법이 없음

왜냐하면 종래의 방식대로 측정을 하려면 전자가 반드시 이용되어야 하는데

전자는 소립자 세계에서 엄청 큰 입자라서 그럼

따라서 소립자를 계산하기 위해서 사이즈를 0이라고 정해버림

한편 끈이론에선 소립자를 확대 관찰하면

사실 소립자는 끈으로 되어있다고 생각하는거임

왜냐? 끈은 확실하게 길이가 있거든

사이즈가 있는 끈이지만

무척 작기 때문에 확대하지 않으면 소립자로 보인다

라고 생각하는 것으로 끈 이론은 성립한다

아무튼 끈의 종류는 두가지가 있는데

닫힌끈과 열린끈 모두 장력이 있고

진동하는 것이 가능함

광자는 열린끈이고

중력자는 닫힌끈으로 기술할 수가 있음

이와같이, 끈이론은 소립자를 형상과 진동으로 나타냄

이 사고방식은 너무나 획기적이여서

당시 과학계를 들썩였는데

그 이유는 바로 특이점의 비밀을 풀 수 있을거라고 생각했기 때문임

종래의 이론으로 블랙홀을 설명하면

특이점이 발생해버림

똑같은 이유로

우주 탄생의 순간에도

특이점이 발생해 버림

근데 특이점이란 계산불능의 점이자

무한이 나오는 지점임

위에서 말했듯이

무한은

이론이 잘못되었다던가

잘못된 방향으로 나아가고 있다는 징후

한편 끈이론은

블랙홀의 중심이나

우주 탄생의 순간을 닫힌끈으로 표현하는게 가능해져 버림

그렇다

끈이론을 쓰면 블랙홀과 빅뱅을 설명하는게 가능해짐

물론 끈 이론은 표준모형의 소립자도 계산 가능함

이렇게 모든 우주 현상을 표현할 수 있는 궁극의 리론처럼 보였지만

곧 한계에 다다름

첫째로 끈이론은 보손 입자에 관한 설명만 하고

페르미온 입자들에 대한 설명을 하지 않음

따라서 끈 이론으로는 물질을 기술할 수가 없음

두번째로 타키온 입자의 출현

타키온은 질량이 허수

즉 '음'의 질량을 가지는 입자임

타키온은 아직 발견하지는 못했지만

이론적으로 빛보다 빠른 입자임

이론적으로는 상대성이론의 인과율에 위배되고

수학적으로 문제가 있어서

끈이론에서 제거해야할 필요가 있음

세번째로는 차원임

우리 우주는 3차원의 공간과 1차원의 시간으로 기술되어져 왔음

근데 끈이론은 설명하려면

26차원이나 필요함

이걸 4차원인 우리 우주에 맞게

차원을 하나씩 빼야할 필요가 있음

과학자들은 이 3개의 문제에 머리를 싸매면서 골똘히 생각하기 시작함

그래서 나온 이론이 초끈이론임

초끈이론에서는 타키온이 초대칭성으로 인한 재규격화로 인해

문제가 해결 됨

초끈이론에서는 페르미온 입자를

끼워넣기 위해 끈이론을 다시 살펴보던중

끈이론에서 만들어 낸 불필요한 입자중 하나가 중력자였던것이 발견되어

보손 입자 페르미온입자 둘다 계산 할 수 있게 되었다

이렇게 끈 이론의 두가지 문제점을 어떻게 해결하고

초끈이론이 탄생하게 된걸까?

그건 바로

초대칭성에 있다

초대칭성이란

대칭,비대칭 그대로의 의미임

원이 있고 원의 중심을 따라

이걸 접으면

완전하게 겹쳐짐

이게 대칭임

물리학에서도 마찬가지로 우주에는 대칭성이 존재함

우주를 설명하는 첫번째 대칭성은

바로 상대성이론임

우주를 빈공간이라고 가정하고

공을 앞으로 굴리면 어떻게 될까?

공은 똑바로 직진을 하겠지

이건 우주 어디서는 똑같음

100광년 앞 우주에서 공을 앞으로 굴리면 우회전한다던가 그런일은 없음

즉 시공은 어디서든 똑같은 법칙이 적용되고

어디에 이동해도 대칭성이 있음

이걸 공간병진이라고 함

이외에도 시간병진, 공간회전, 사영대칭성 등등을

시공대칭성이라고 함

두번째로는 양자론

양자론은 우주를 장과 장으로 채워진 소립자로 나타냄

장은 항상 에너지를 가진 파동이 진동하고

파동은 간섭하여 깨지는 것으로 진공이 되어버림

한편 파동의 흐름이 흐트려져

간섭하고

보다 큰 파동이 나타났을때

그것은 소립자로서 출현함

이와같이 소립자의 근원은 장이며

소립자 하나 하나에 대응하는

장이 존재함

양자론의 대칭성은 소립자에 대응하는 장 각각의 안에 존재함

이를 국소대칭성이라고 함

여태까지 이야기를 정리하면

우주는 2가지 이론으로 설명 가능하고

2개의 이론 각각에는 대칭성이 존재함

여기서 미국의 학자 시드니 콜먼과 제프리 맨듈라는 이렇게 말했다

'우주에 존재하는 대칭성은 시공대칭성과

양자화된 장의 국소대칭성 밖에 없고

그밖의 대칭성은 존재하지 않고

우리들은 그걸 증명해 냈다'라고

이게 바로 콜먼-맨듈라 정리라고함

근데 얼마 후

두사람의 물리학자가 콜먼-맨듈라 정리의 헛점을 발견해냄

그들은 콜먼-맨듈라 정리에 위반하지 않으면서

우주에 또하나의 대칭성을 추가하는 방법을 만들어 냈다

이 대칭성이 바로 '초대칭성'임

그럼 도대체 어떻게 끼워넣기를 했을까?

제곱하면 0이 되는 수가 있다

이걸 그라스만 수라고 함

그라스만 수는 실재하는 수는 아니고 개념상의 수임

우리 우주는 두개의 카피로 분할 가능함

하나는 숫자로 표현할 수 있는 공간(통상공간)

또하나는 그라스만 좌표로 표현할 수 있는 공간(초공간)

소립자중에서 힘을 매개하는 입자는 보손입자이고

보손입자는 숫자로 계산할 수 있음

따라서 보손입자는 통상공간에 존재할 수 있음

반대로 물질을 구성하는 입자 페르미온입자는

그라스만 수로 기술하기 때문에

초공간에 존재한다고 할 수 있음

통상공간과 초공간은 우리 우주를 카피한것이기 때문에

쌍을 이루고 있음

따라서 통상공간에 존재하는 입자는 그것에 대응하는 입자가 초공간에

초공간에 존재하는 입자는 그것에 대응하는 입자가 통상공간에 존재함

이렇게 각 공간에 소립자들이 대응하는 입자가 있으니 대칭성이 형성됨

이것이 콜먼-맨듈라 정리에 위반되지 않는 새로 추가된 대칭성

초대칭성임

이렇게 서로 반대편에 존재하는 입자들을 초대칭성입자라고 부름

근데 문제가 있음

통상공간에 있는 모든 소립자들은 입자 가속기를 통해 실체가 판명되었지만

초대칭성입자들은 존재의 확인이 안됨

근데 왜 이 이론이 폐기 되지 않았냐 하면

초대칭성입자들의 존재를 예견하는 중요한 데이터가 있기 때문임

바로 3개의 상호작용임

우주를 구성하는 표준이론에는

소립자간에 작용하는 4가지 힘이 있다

강한상호작용

약한상호작용

전자상호작용

중력

중에서 중력을 제외한 3가지 힘니다

이것들은 우주초기 아주 고온일때 하나의 힘으로 통합되어있었다

이걸 다른말로 표현하면 고에너지 상태면 3개의 힘이 융합되지 않을까 생각함

실제로 과학자들은 약한상호작용과 전자상호작용을 고온상태에서 융합한적이 있다

여기에 강한상호작용을 융합하기 위해 더 고온을 낼 필요가 있었지만

현재 인류의 과학력으로는 도저히 해낼 수가 없었다

아무튼 과학자들은 이론이라도 제대로 낼려고 노력을 했음

근데 왠걸 제 힘을 통합했더니

한점에서 모이는게 아니였음

이것은 표준이론의 문제점중 하나임

근데 표준모형에 초대칭성입자를 넣으니

수상할만치리 완벽하게 한점에 집약하게 됨

이게 초대칭성입자를 예견하는 중요한 근거가 됨

그러나 아직 문제가 남아있음

바로 차원임

끈이론에서는 우주를 설명하기 위해 26차원이나 필요했음

초끈이론에서는 차원을 큰폭으로 줄이는데 성공했지만

그래도 우주를 설명하기 위해서는 10차원이나 필요함

그렇다

6차원이나 잉여차원으로 아직 남아있다

이걸 다른말로 바꾸면 6차원을 제거할 수 있다면

중력을 포함한 우주 궁극의 이론이 탄생함

과학자들은 나머지 6차원을 없애려고 노력했지만

여태까지 누구하나 없앤이가 나타나지 않음

그러나 6차원을 제거한거 빼고는

매우 정확한 해답을 낸다는 점에서

초끈이론은 그 자체로 매력이 있음

그래서 몇몇 과학자들은 발상의 전환을 시작해봄

사실은 우주가 4차원이 아니라 10차원이 아닐까?

잉여 6차원은 우리가 실감을 못할뿐이 아닐까? 하고 말니다

그렇다 과학자들 사이에서 자주 있는 현실도피임

예를들어 호스가 있다고 치자 이걸 가까이서 보면 3차원의 원통형 물체가 되지만

아주 멀리서 보면 1차원의 선으로 보인다

이걸 콤팩트화라고 한다

물론 또 다른 문제도 있음

잉여차원의 존재는 잉여차원 각각에 존재하는 끈에 기인하는 대량의 미발견입자가 출현함

또한 잉여차원을 콤팩트화 하는 방법은 다양하기 때문에 콤팩트화 각각에 대응하는 잉여차원마다 입자가 존재함

한마디로 말하자면

잠재하는 입자는 무한대

그렇다 초끈이론은

무한히 많은 물리법칙을 가진 다른 우주들을 예언하고

우리 우주는 특정의 기준값을 가진

초끈이론이 제시한 우주이다라는 이야기

만약 초끈이론이 맞다면

어째서 우리 우주는 무한의 기준값중

특정의 기준값이 설정되었을까?

라는 문제가 남음

초끈이론이 맞는지 틀린지 실험적으로 확인하는 방법은

이론상으로 없을지도 모름

그럼에도 초끈이론이 폐기되지 않고

지금도 많은 과학자들이 연구를 계속하고 있는 이유는

우주를 가장 정확하게 표현하고 있는 이론이기 때문임

양자역학과 중력의 통합

나아가서는 블랙홀의 내부를 알 수 있는 가능성

수학발전의 가능성

암흑물질,암흑에너지의 비밀을 밝힐 수 있을지 않을까 해서 연구하고 있는거임

그리고 현재는 초끈이론을 좀더 심플하게 기술하는 M이론이 나왔음