우주에 대해서 알아보자! [두번째:우주끈의세계]

 

 

 

 

 

 

안녕하세요! 평소에 우주에 관심이 많은 평범한 대학생 우주성애자입니다

우주에 대한 지식, 현상, 이론등등 여러가지를 소개하는 글입니다

이번에는 두번째 우주 끈의 세계입니다

아마추어도 아닌 그냥 취미이므로 잘못 적혀있더라도 이해해주시면 감사하겠습니다

 

 

 

우리 우주에는 무엇으로 이루어져 있는가 생각해보셨습니까?

이러한 의문을 풀기 위해서는

 

첫 번째로는 현재 우주를 이루는 물질이나 에너지의

정체를 소립자와 관련지어 밝히는 일

 

두 번째로는 그러한 소립자나 시공간이 무엇으로

이루어져있는지를 찾아보는 일입니다

 

지금 소개해드리려는 우주 끈의 세계는 두 번째 측면에 대해 얘기를 합니다

우주를 담고 있는 시공간과 그 안을 채우고 있는 에너지와 물질의 기초는 무엇이였을까요?

이것을 설명하기 위해 현재 우주의 근원에 궁극적 요소로

가장 주목받고 있는 후보가 바로 ‘끈‘입니다

 

 

I. 끈이론

‘끈 이론’이란 과연 무엇일까요?

‘끈 이론’은 아주 우연히 발견되었습니다

 

‘끈 이론’은 1968년 ‘가브리엘레 베네치아노’와 ‘마히코 스즈키’ 물리학자들이

18세기 천재 수학자였던 '오일러'가 발견한 '오일러 베타함수'를 푸는 중에

원자세계 물리학인 '강력의 산란행렬'이 바로 '오일러 베타함수'와 일치한다는

사실을 발견했었습니다

이 과정에서 '가브리엘레 베네치아노'가 '이중 공명 모형'이라는 모형을 도입하였습니다.

[원자 세계의 입자는 매우 작기 때문에 눈으로 볼 수 없습니다 

그렇기 때문에 엄청난 에너지로 입자끼리 충돌시켜 내부구조를 관측을 하였는데,

이 실험의 최종목적은 바로 산란행렬을 이루는 숫자를 알아내는 것이였습니다

이 숫자에는 아원자세계의 모든 정보들이

있었기 때문에 산란행렬이 알려지면 모든 소립자의 특성을 알 수 있게 됩니다]

 

그리고 1969년 난부 요이치로와 홀게르 베크 닐센, 레너드 서스킨드 등이 

독자적으로 이중 공명 모형이

사실 진동하는 끈들을 나타낸다는 사실을 증명하였고,

이후 이중 공명 모형은 '끈 이론'이라는 이름으로 불리게 되었습니다

이제 어떻게 끈이론이 적용되는지 알아보겠습니다.

http://www.ngmmath.com/cafe/home/board/brd_print.jsp?brd_srl=14522&brd_id=firerager_b_1&brd_cate=

양자의 일종인 전자는 ‘구조를 가지지 않는다’라는 측면 때문에

기본적으로 ‘점‘이라 정의를 했었습니다

하지만 입자들을 ‘점’이라 정의를 해놓으면

첫째, 뉴턴의 중력에 따라 임의의 점입자에 가까이 접근하게 되면

중력이 무한대가 되버리는 현상

둘째, 소립자의 존재들을 설명하기 위하여 수백 가지의 점입자의 도입

여러 문제가 발생이 됩니다

이러한 문제들을 해결하기 위하여 ‘파인만’의 ‘재규격화이론’에 의하여 무한대를 제거하거나

무한대문제를 ‘옆으로 치워놓는 식’으로 과학자들은 해결해왔지만

‘양자중력이론’에서는 ‘파인만’의 ‘재규격화이론’도 통하지 않았습니다

이 모든 것이 입자를 ‘크기가 없는 점’으로 간주했기 때문입니다

 

그러나 입자들을 ‘점’이 아닌 ‘끈’으로 정의를 한다면?

과연 어떤 일이 벌어지게 될까요

 

‘양자론’에 의하면 에너지는 진동수에 비례하고,

‘상대성이론’에 의하면 질량은 에너지에 비례합니다

즉 ‘끈’은 ‘양자론’과 ‘상대성이론’을 모두 따르기 때문에

‘끈’의 ‘질량’은 ‘진동수’ 그 자체가 됩니다

 

그리고 끈 이론에 의하면 점입자와 다른 위상을 갖고 있기 때문에

무한대 문제가 발생하지가 않습니다

[쉽게 말하면 끈은 유한한 길이를 갖고 있으므로 가까이 접근해도

힘의 크기가 무한대로 커지지 않습니다]

[수학적으로 표기하면 끈 근처의 힘은 1/L^2에 비례하는데, 

L 즉 끈의 길이는 플랑크의 길이 10^-33cm이므로 무한대 문제를 해결할 수 있습니다]

 

[수학적으로 표기한다고 하였지만, 진짜로 이 부분을 수학적 증명을 위해서는 ‘타원 모듈라함수’라는 함수 도입이 필요합니다 작성자는 멍청하므로 건너뛰겠습니다]

 

자 그럼 이제 입자를 어떻게 ‘끈’으로 설명할 수 있을까요?

이 ‘끈’은 ‘진동을 하는 끈’입니다

 

이 진동하는 작은 ‘끈’들이 서로 다른 진동수를 가지기 때문에

수 백가지의 입자들이 존재하는 것이고,

이 중 어떤 하나의 입자를 골라 기타 줄을 팅기듯이 잡아뜯는다면

끈의 진동패턴이 바뀌게 되어 다른 입자로 변하게 됩니다

 

칼라비-야우 공간

그리고 이 ‘진동하는 끈’들은 평소에 우리가 살고 있는

3차원, 시간차원을 도입한 4차원이 아닙니다

더 높은 차원인 10차원 또는 11차원의 공간에 있습니다

이 ‘끈’들의 공간을 바로 ‘칼라비-야우 공간’이라고 합니다

이런 이상한 고차원에 공간에 있는 이유는 수학적 증명에 의해서 입니다.

 

[참고로 ‘칼라비-야우 공간’은 높이 방향은 작게 뭉쳐서 줄어들어 있다고 합니다]

이론에 대하여 정말 많은 논문이 발표되고 그에 따른 이론도 많이 있지만

관측기구들이 그 미세영역까지 볼 수가 없기 때문에

실제로 '끈'이 맞는지 아니면 현미경으로 보였던 '점'이 맞는지는 모릅니다.

정말로 소립자들이 끈으로 이루어짐을 발견한다면 입자들을 강제로 변환시키는 마치 연금술하는 날들도 오지 않을까요?

참고문헌

칼 세이건 / 코스모스

미치오 카쿠 / 평행우주

토마스 뷔르케 / 과학이 즐거운 천문학

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 양자론

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 우주론

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 시간론

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