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| [물리학분야] 물질은 모두 끈(히모)으로 되어 있다 |
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2004/01/24 |
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대담*가와이 히카루/교토대학대학원 이학연구과 교수
지금, 물리학의 세계에서는, 물질은 극히 미크로한 모습으로서, 우주의 태초에 무엇이 있었느냐는 커다란 의문이 풀어질려고 하고 있습니다. 그것이「초 끈(히모)이론」이라고 불리는 것입니다.
나의 전문 분야인 소립자물리학은 물질을 착착 미크로하게 조사해 가는 것이 일입니다. 분자, 원자를 확대하면 원자핵과 전자가 보입니다. 나아가 원자핵을 확대시키면 양자와 중성자 등이 있고, 더 확대시키면 쿼크(소립자 한도론을 구성하는 가장 기본적인 입자)를 볼 수 있습니다. 그것이 어떤 움직임을 가진 입자인가를 조사하는 것이 소립자론이지만, 접근 방법으로서 필연적으로 물질 사이에 움직임, 상호작용의 힘을 조사하게 됩니다.
이러한 연구성과로서, 자연계에는 크게 4개의 힘이 있음을 알 수 있었습니다. 하나는 뉴턴의 만유인력으로 알려진「중력」, 두번째는 전자상호작용이라고 불리는「전자기력」, 세번째는 쿼크끼리를 결합시키는「강한 힘」, 네번째가 원자핵이 β붕괴할 때 작용하는 힘으로 알려진「약한 힘」입니다.
◇대통일이론이란
그런데 소입자물리의 큰 성과로서, 우주창세 초기에 이 4개의 힘은 통일되었던 하나이고, 그것이 줄기에서 갈라져 현재와 같은 성질을 갖게 된 것을 알게 되었습니다. 그래서 물리학자는 4개의 힘이 통일된 이론을 만드는 일에 몰두했습니다. 스티븐 와인벅(Steven Weinberg:미국의 이론물리학자)과 압더스살람(Abdus Salam:파키스탄의 이론물리학자)이라는 학자가 전자기력과 약한 힘을 모순 없는「전약이론」으로서 통일해서 성공합니다. 이것과 별개로, 강한 힘에 대해서는 양자역학이라는 이론으로 설명하는 것도 성공했습니다. 이러한 3가지의 힘은「게이지(Gauge)이론」이라는 특별한 장의 이론 도입에 의해 양자역학까지 포함해서 상당히 잘 기술 할 수 있게 되었습니다.
그것들을 모아서「표준모델」이라고 불립니다. 단지 표준모델로 취급되고 있는 전약과 강한 힘의 통일은 반드시 실험적으로 보이지 않습니다. 그러나 더욱 고에너지로 보면, 사실은 3개의 힘은 통일되어 있다고 생가되어「대통일이론」이라고 불리는 모순이 없는 이론이 구축되었습니다. 그것이 70년대 중반쯤의 일입니다.
◇초 끈(히모)이론의 전개
이렇게 해서 자연계의 4개의 힘 가운데 3개까지가 통일될 가능성이 크게 열린 셈이지만, 남은 중력에 대해서는 지금까지의 이론의 구조로는 전혀 통일되지 않았습니다. 그래서 중력까지 포함해서 통일을 하고자 등장한 것이 화제의 초 끈이론입니다.
초 끈이론은 4개의 힘을 통일하는 것만이 아닌, 지금까지 물질의 최소단위로 여겨진 쿼크, 렙톤(경입자)이 더욱 기본적인 요소가 되는「끈」으로 된다고 주장합니다. 또, 이 이론에서는 원래 세계는 10차원이고, 우주의 초창기 중에 6차원은 사라지고, 현재 우리의 4차원의 시공이 남았다고 합니다.
자 그러면, 그 초 끈이론의 발전역사입니다만, 사견으로 3가지의 붐으로 나눠보고자합니다. 제1기의 붐은 1984년부터 5,6년 사이. 이 시기의 초 끈이론은 조금 전문적이 되지만,「섭동론」이라는 양자역학의 계산수법을 구사해서 해명하고자 했습니다.
그런데 섭동론에서는 중력을 포함 4가지 힘의 통일은 설명할 수 있지만, 과제도 남겼습니다. 그것은 끈(스트링)의 진공이 무수히 나타났기 때문입니다.
거기서 나도 포함한 소입자물리의 연구자가 섭동론을 넘어서 비섭동 효과를 포함한 초 끈이론을 구축하고자한 것이 94년경부터 일어난 제 2기 붐입니다. 비섭동 효과를 쉽게 설명하자면, 양자역학이라는「터널효과」가 그 예입니다. 어느 입자의 에너지보다 높은 포텐셜에너지의 벽이 있더라도, 벽에 터널을 뚫는 것처럼 입자는 밖으로 빠져나올 수 있다는 것입니다. 비섭동 효과를 초 끈이론으로 받아들이면 이 일종의 터널 효과에 의해서 무수의 끈 진공이 사실은 같은 것으로 서로 포개질 수가 있는 것을 알았습니다. 즉, 진공의 수를 줄이는 일에 성공한 셈입니다. 나의 연구성과는 그 흐름 속에서 행열모형을 사용하여, 초 끈이론의 정식화를 한 것입니다.
초 끈이론의 제 3기는 더욱 비섭동효과를 완전히 정식화하고, 끈의 진공을 정말로 하나의 진공으로서 풀고자하는 것입니다. 이것이 완성되면, 물질의 유일, 궁극적인 이론이 생긴다는 확신이 최근, 전문가 사이에 더욱 더 높아져 왔습니다.
초 끈이론의 발전은「우리의 우주는 왜 4차원인가?」라는 의문에도 새로운 해답을 준비하고 있습니다. 그 하나의 가능성으로서 지금 주목을 모으고 있는 것이 두뇌(막) 월드(세계)라는 것으로 10차원의 세계 속에 4차원의 막이 있어 우리는 가끔 이 4차원면에 살고 있다라는 것입니다. 즉, 지금도 우주는 10차원으로 넓어지고 있지만, 단지 우리는 그것을 느낄 수 없는 것일 뿐이라는 것입니다. SF의 다차원우주(Parallel World)와도 같은 세계로 소입자물리는 뛰어들고 있는 것입니다.
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