끈이론(String Theory)

끈이론이란?

 

 

끈이론은 기존 이론물리학을 정립하기 위한 새로운 모델로 제시되었다. 이전 이론물리학에서는 모든 물질의 기본 구성단위가 점이었다면 끈이론에서는 1차원의 끈이 기본 단위가 된다. 단순히 생각하면 큰 차이가 없을듯해 보이지만 단순 입자로서는 설명할 수 없는 물질들의 기본 특성과 질량, 힘, 미시적인 구조등의 이해에 획기적인 모델로 여겨진다.

 

끈이론의 가능성과 한계

끈이론은 고전물리학과 양자역학이 합쳐지면서 제시된 이론으로, 앞서 말한 바와 같이 기존의 물리학 이론들에서 해결되지 못했던 문제들을 해결하고 새로운 물리학적 현상들을 설명하는 것이 주목적이다. 끈이론을 지지하는 대표적인 학자들로는 브라이언 그린, 에드워드 위튼, 후안 말다세나 등이 있으며 이들은 끈이론을 발전시키는 데 많은 역할을 했다.

 

끈이론은 이론적으로는 10차원 이상의 공간에서 끈이라는 객체를 고려하는데, 이는 인간이 직접 체감하기 어려운 개념이며, 엄청난 계산을 필요로 한다. 이에 따라 이론이 매우 복잡해지고 계산과 증명하는 과정이 난해하다.

 

끈이론은 일반 상대성 이론과 양자역학의 결합을 시도하며, 양자중력을 설명하기 위한 가장 유력한 이론 중 하나이다. 기존의 양자역학과 일반 상대성이론은 양자중력을 설명하는데 한계가 있었지만, 끈이론의 기본 모듈로 양자중력의 성질을 설명할 수 있다. 

 

끈이론은 또한 우주의 초월적인 힘인 암흑물질과 암흑에너지의 성질도 설명할 수 있다. 암흑물질과 암흑에너지는 현재까지 직접적으로 검출되지 않은 물질과 에너지이지만, 이들이 우주의 대부분을 차지하고 있다는 것은 이미 관측적으로 입증되어 있다.

 

하지만 끈이론은 아직까지도 실험적으로 검증되지 않은 이론 중 하나이다. 끈이론을 증명하기 위해서는 대규모 가속기와 같은 고에너지 물리학 실험에서 끈을 검출해야 하는데, 이는 매우 어려운 일이다. 

 

끈이론의 연구 상황

끈이론의 연구는 크게 두 가지 방법으로 이루어지고 있다. 첫 번째는 이론적인 연구로, 이론적으로 끈이론의 수학적 구조를 연구하고 그 결과를 이용해 새로운 예측들을 제시하는 것이다. 이론적인 연구는 주로 물리학자들과 수학자들에 의해 이루어지고 있으며, 이를 통해 끈이론의 구조와 성질을 이해하고 새로운 연구 방향을 모색하고 있다.

 

끈이론의 또 다른 연구 방법은 실험적인 연구이다. 하지만 끈이론에서 제시되는 예측들은 미시세계의 스케일에서만 관측될 수 있다는 것으로 인해 실험적 검증이 쉽지 않다. 그러나 끈이론 연구자들은 우리가 관측할 수 있는 입자들도 끈으로 이루어져 있기 때문에 끈이론에서 제시하는 예측들을 테스트하기 위한 다양한 실험들을 진행하고 있다.

 

끈이론 연구의 의의

끈이론은 물리학 분야에서 매우 중요한 이론으로 여겨지고 있다. 그 이유는 끈이론이 지금까지 우리가 알고 있는 세상을 이해하는데 매우 중요한 개념들을 포함하고 있기 때문이다.

 

예를 들어 끈이론은 우리가 알고 있는 네 가지 기본 상호작용인 중력, 전자기력, 강력, 약력을 하나로 통합할 수 있는 가능성을 제시한다. 이는 물리학에서 오랫동안 추구해온 "통일장이론(unified theory of field)"의 구현을 가능하게 한 것이다.

 

통일장이론이란 이론물리학자들이 꿈꾸는 완전한 이론을 뜻하며, 간단히 말해보자면 우리 주변에서 일어나는 모든 물리적 현상을 하나의 이론으로 해석해 낼 수 있는 기본 이론이다.

 

현재 이론물리학에서 진리로 받아들여지는 거시세계의 상대성이론과 미시세계의 양자역학이 각각의 분야에서는 완벽한 이론들이지만 두 이론을 합쳤을때 많은 부분에서 충돌이 일어난다. 이에 양자역학을 인정하지 않았던 아인슈타인이 전자기 현상과 중력 현상을 포괄하는 통일장이론을 30년여 년간 연구하였으나 끝내 이루지 못하였다. 그때 아인슈타인이 이루지 못한 꿈을 끈이론이 모델로서 제시하고 있는 것이다.

 

우주의 기본 구성 요소가 점이 아닌 끈으로 이루어져 있다는 새로운 관점은 그동안 알고 있던 입자들의 성질과 행동 방식을 이해하는데 매우 중요한 역할을 하고 있다. 이론 자체의 아름다움과 내재된 가능성 때문에 끈이론 연구자들은 이론물리학의 종착점을 향해 다가갈수 있는 가교 역할로서 끈이론을 연구하고 이해하기 위해 지금도 노력하고 있다.