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끈이론은 10차원에서 성립한다. 또 5종류의 끈이론을 하나로 통합하는 M이론은 11차원을 가진다. 왜 이렇게 고차원일까. 이해하기 힘들지만 수학적인 방법에서 출현한 것이다.

또 끈이론가들은 4차원 이상의 추가적인 차원은 매우 촘촘하게 말려있다고 본다. 예를 들어 2차원의 종이를 돌돌 만 다음, 조금 멀리 떨어져 본다면 이것은 1차원처럼 보일 것이다.

고차원 그리고 여분의 차원을 돌돌 만다는 아이디어는 결코 새로운 것이 아니다. 1919년 독일의 물리학자 칼루자가 일반상대론과 전자기이론을 수학적으로 결합하기 위해 5차원을 도입했다. 1926년 스웨덴의 물리학자 클라인은 칼루자의 아이디어를 수정했다. 클라인은 5번째 차원이 아주 작게 말려 있게 때문에 보이지 않는다고 제안했다.

칼루자-클라인 이론이라 불리는 이 이론은 끈이론의 선조인 셈이다.

현재로서는 여분의 차원이 존재한다는 관측적 증거가 없다. 다만 2005년 가동하기 시작할 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대 강입자충돌장치(LHC)에 기대를 걸고 있다. 입자들이 충돌할 때 촘촘히 말린 차원에서 발생하는 ‘메아리’를 탐지할지도 모르기 때문이다. 이 모습이 실제로 괸측된다면 끈이론은 새 이론으로 큰 힘을 얻을 것이다.


최신우주론 분야의 한국팀 대표

기자의 취재에 도움을 준 분들은 모두 최신우주론과 관련된 연구를 활발히 하고 있는 세계 정상급의 과학자들이다. 이들의 연구 분야를 간단히 소개한다. 편의상 이름의 가나다순으로 이야기한다.

우주를 컴퓨터로 요리한다? 최근엔 진공에너지라는 새로운 재료가 각광받고 있다. 서울대 지구환경과학부 천문학전공의 박창범 교수(cbp@astro.snu.ac.kr)는 이론적인 우주모형을 컴퓨터로 모의실험하는 연구를 주로 한다. 분석된 우주관측자료에 맞는 우주모형을 찾기 위해서다. 박교수는 1980년대 컴퓨터 모의실험을 통해 차가운 암흑물질이 대부분을 차지하는 표준우주모형이 당시 관측된 우주를 가장 잘 설명한다는 연구결과를 내놓아 세계학계에 주목을 받았다. 요즘은 우주배경복사에 존재하는 편광현상을 함께 연구중이다.

폴 슈타인하르트의 충돌우주론은 사실 국내학자의 아이디어가 바탕이 됐다. 주인공은 한양대 자연과학부 물리학전공의 신상진 교수(sjs@hepth.hanyang.ac.kr)다. 신교수는 우리우주에서 발생하는 급팽창현상을 나란한 다른 우주의 막과 충돌하는 과정으로 설명하는 이론을 2000년 7월 캐나다 벤쿠버에서 발표했다. 이 강연을 듣던 슈타인하르트는 ‘재미있는 아이디어’라며 관심을 보였고, 2001년 3월 ‘에크파이로틱 우주’라는 충돌우주론으로 변신시켰다. 하지만 아쉽게도 슈타인하르트는 신교수의 이론을 참고했다는 언급을 단 한마디도 하지 않았다.  한편 신교수는 요즘 타키온의 응축에 의한 시공간의 변환가능성에 대해 연구중이다.

“1991년과 1998년 2편의 논문을 통해 일반상대론의 양자역학적 문제를 해결하는 끈이론 분야 발전에 지대한 공헌을 했다.” 유엔교육과학문화기구(UNESCO) 국제이론물리연구센터(ICTP)에서 ‘2001년 ICTP상’ 수상자로 선정된 최초의 한국인에게 보낸 수상 이유다. 주인공은 서울대 물리학부의 이수종 교수(sjrey@phya.snu.ac.kr)다. 끈이론으로 우주에 대해 연구하는 이교수는 최근 우주의 기본요소에 대해 새로운 연구를 진행중이다. 아이디어는 끈이론에서 우주의 기본이라고 생각했던 끈이 다시 입자로 구성될 수 있다는 것이다.

우주의 모든 것을 설명한다? 최근 이에 대한 강력한 후보로 M이론이 떠오르고 있다. 끈이론은 5개가 알려져 있었는데, 이들이 알고 보고 미지의 이론에 대한 ‘거울 이미지’였다. 이것이 바로 M이론이다. 한국고등과학원 물리학부의 이필진 교수(piljin@kias.re.kr)는 아직까지 베일에 싸여 있는 M이론의 정체를 밝히는 연구를 하고 있다.

최신우주론 분야의 한국 대표학자들이 벌여나갈 새로운 연구에 주목해보자.