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"나는 신이 어떻게 이 세계를 창조했는지 알고 싶다. 신의 생각을 알고 싶은 것이다. 나머지는 지엽적인 것에 불과하다. " 아인슈타인은 상대성이론을 발표해 20세기 가장 위대한 과학자라는 칭송을 받으면서도 웬지 성에 차지 않았다. 그가 진정 꿈꾸는 것은 만물의 법칙인 통일장이론(unified field theory)을 완성하는 것이었다. 그러나 평생 노력했지만 그의 꿈은 실현되지 않았다.

지난 5월 29일 만났던 존 슈바르츠 박사는 아인슈타인이 이루지 못한 꿈에 도전하는 대표적인 이론물리학자다. 칼텍에서 이론물리를 연구하고 있는 그는 1970년대에 끈이론에 초대칭성을 접목해 초끈이론을 만들고, 1984년 이를 완성시켰던 주인공. 최근에는 M이론(면이론) 연구에 많은 공헌을 해 통일장이론 연구에서 매우 주목받고 있다.

슈바르츠 박사가 내한한 까닭은 5월 26일-30일 홍릉에 있는 아태이론물리센터와 이탈리아에 있는 국제이론물리센터가 공동으로 주최한 국제회의에 참석하기 위해서였다. 그는 이 회의에서 M이론에 관해 발표했다.

끈이론은 입자가 끈의 요동에 의해 만들어진다는 가정에서 출발한다. 자연계를 기술하는 양자역학과 상대성이론은 기본적으로 대치된다. 양자역학은 불연속적인데 반해 상대성이론은 연속적이기 때문이다. 그런데 끈이론을 사용하면 양자역학과 상대성이론이 자연스럽게 통합된다. 결국 만물의 법칙(theory of everything)의 가능성을 열어놓은 것이다.

끈이론이란 무엇인가?

아인슈타인의 통일장이론은 당시 이를 뒷받침하는 충분한 물리학 지식의 부족으로 실패했다. 원래 끈이론은 강력이론을 설명하기 위해 만들어졌다. 강력이란 전자기력의 반발력에도 불구하고 양성자들이 핵 내부에서 결합할 수 있게 만드는 힘이다. 그런데 끈이론이 중력자(graviton)도 설명해 줌으로써 자연계의 4가지 힘(강력, 전자기력, 약력, 중력) 중 숙제로 남아있던 중력까지 통합할 수 있게 됐다. 전자기력은 광자에 의해 힘이 전달되고, 중력은 중력자에 의해 힘이 전달된다. 그런데 끈이론에 따르면 광자와 중력자 등은 끈의 진동에 의해 생긴다. 끈이론에서는 자연계를 26차원으로 기술한다.
 

끈이론보다 먼저 칼루자-클라인이론이 고차원에서 4가지 힘을 통합했지 않았는가?

4차원이 아닌 고차원이론이라는 점에서 끈이론과 칼루자이론은 비슷하다. 칼루자-클라인이론은 1920년대에 나와 5차원 공간을 이용해 수학적으로 통일장이론을 설명했다. 그후 1975년에 확장된 칼루자-클라인이론은 차원을 한정하지 않았고, 물질에 대한 배려가 없는 단지 수학적 이론일 뿐이었다. 끈이론은 칼루자-클라인이론과 달리 물리학적인 관점에서 수학을 도입해 통일장이론을 설명한다.

끈이론은 왜 포기됐는가?

26차원의 끈이론에서는 힘을 운반하는 보존을 많이 가지고 있지만, 물질을 이루는 페르미온은 하나도 없다. 이 때문에 끈이론은 비판을 받았다. 그래서 1974년 나와 프랑스 물리학자인 셔크가 초대칭성을 이용해 초끈이론을 만들었다. 그러나 당시 만든 초끈이론 역시 문제점을 안고 있었다. 초끈이론이 완성된 것은 10년 후인 1984년으로, 나와 영국 퀸메리 대학의 마이클 그린이 힘을 모았다. 이를 흔히 끈이론의 1차혁명이라고 부른다. 보존과 페르미온은 초대칭 관계를 가지고 있기 때문에 초끈이론은 끈이론의 문제점을 보완할 수 있었다. 결국 초끈이론은 26차원의 끈이론에서 16차원이 숨어버린 10차원의 자연계를 설정했다.

초끈이론은 완벽한 것인가?

초끈이론은 초대칭을 전제로 하기 때문에, 모든 입자에는 그에 상응하는 초대칭입자가 존재해야 한다. 전자에는 초대칭전자가, 쿼크에는 초대칭쿼크가 존재해야 한다. 그런데 초대칭성 입자는 아직 발견되지 않았다. 만약 초대칭입자가 발견되면, 그것은 화성에서 생명체를 발견하는 것보다 더 큰 업적이 될 것이다. 초끈이론은 중력을 양자화하는 과정에서 발생하는 문제를 해결할 수 있고, 매우 짧은 거리에서지만 4가지 힘을 통일한다는 장점을 지니고 있다. 그러나 여전히 초끈이론은 초대칭입자의 발견이라는 문제와 우주론에서 제기되는 우주상수의 문제를 지니고 있다.

최근 무엇을 연구하고 있는가?

초끈이론은 초대칭성을 이용해 자연계에 존재하는 입자와 힘을 끈의 요동으로 설명한다. 그런데 1차원인 끈보다 2차원인 면이 통일장이론을 설명하는데 훨씬 편리하다는 것을 알게 됐다. 그래서 태어난 이론이 11차원의 M이론(Membrane theory)이다. 이것은 어머니(Mother)이론이라고도 불린다. 나는 최근 여기에 많은 관심을 가지고 연구하고 있다. M이론은 초끈이론보다 진일보한 것이지만, 그러나 아직 완벽한 통일장이론으로 검증받은 것은 아니다.