물리학자들은 오랫동안 만물을 설명하는 단 하나의 궁극적인 이론을 찾아왔습니다.

이론 통일의 역사와 필요성:

• 아이작 뉴턴은 사과가 떨어지는 현상과 달이 지구 주위를 도는 현상을 만유인력이라는 하나의 이론으로 통합했습니다. 이는 하늘과 땅에서 일어나는 운동을 하나로 묶었습니다.
• 알베르트 아인슈타인은 뉴턴의 중력 개념을 포함하여 상대성 이론을 발표했습니다. 이 이론은 질량을 가진 물체가 우주 공간을 휘게 만들고, 그 휘어진 공간이 다른 물체나 빛의 움직임에 영향을 준다고 설명합니다. 아인슈타인은 특수 상대성 이론과 중력을 하나로 통합했습니다.
• 문제의 발생: 아인슈타인의 상대성 이론은 우주의 시간과 공간, 즉 거시 세계를 잘 설명하지만, 원자보다 작은 극미의 세계인 양자 역학과는 맞지 않습니다. 양자 세계는 공간 개념이 모호하고, 예측 불가능한 불확정성으로 가득 차 있으며, 아인슈타인의 중력 법칙이 통하지 않습니다.
• 블랙홀의 등장: 블랙홀과 같이 중력이 무한대에 가깝고 시공간이 뒤틀리는 극단적인 영역에서는 일반 상대성 이론과 양자 역학 중 어느 것을 적용해야 할지 모르는 근본적인 충돌이 발생합니다.
• 궁극적인 목표: 물리학자들은 우주를 움직이는 거시 세계의 법칙과 가장 작은 세계를 움직이는 법칙이 왜 맞지 않는지 의문을 품었으며, 이 두 세계를 움직이는 힘이 다르기 때문이라고 보았습니다. 이 문제 해결을 위해 이 모든 힘을 하나로 통합하려 합니다.

우주의 네 가지 근본 힘: 세상에 존재하는 힘은 크게 네 가지로 설명됩니다.

• 중력: 모든 질량이 있는 물질들이 서로 끌어당기는 힘으로, 지구가 분해되지 않고 우리가 우주로 내던져지지 않게 합니다.
• 전자기력: 전화, 발전기, 모터, 인터넷 등을 가능하게 하며, 빛은 이 전자기파의 일종입니다.
• 강력(강한 핵력): 원자핵 속 양성자와 중성자를 단단히 묶어주는 힘으로, 이 힘이 없다면 원자핵이 분해될 것입니다.
• 약력(약한 핵력): 우라늄이나 코발트 같은 원소의 방사능 붕괴를 일으키는 힘으로, 핵자들이 떨어져 나가거나 붕괴되는 과정에 관여합니다.

이 네 가지 힘은 각기 다른 미세 입자들에 의해 전달됩니다:

• 강력은 글루온에 의해 전달됩니다.
• 전자기력은 광자에 의해 매개됩니다.
• 약력은 세 종류의 위크 게이지 보존 입자들에 의해 전달됩니다.
• 중력은 아직 실험적으로 밝혀지지 않았지만, 중력자라는 입자 형태로 전달될 것이라고 가정하고 있습니다.

힘의 통일과 우주의 기원:

• 1960년대 중반, 전자기력과 약력이 하나로 합쳐질 수 있다는 것이 입증되었습니다.
• 1970년대 중반, 전자기력, 약력, 강력 세 가지 힘을 통일하는 이론이 완성되었지만, 중력만은 끝내 합쳐지지 않았습니다.
• 물리학자들이 이 네 가지 힘을 하나로 합치고 싶어 하는 이유는 우주가 생긴 최초의 순간(빅뱅)을 이해하기 위해서입니다. 빅뱅 직후 우주 초기에 이 네 가지 힘은 원래 하나였으며, 중력이 가장 먼저 분리된 후 강력, 그리고 전자기력과 약력이 분리되었습니다. 이 힘들을 다시 합치면 우주가 생긴 최초를 알 수 있습니다.
• 유럽의 핵 연구소(CERN)의 입자 가속기는 빅뱅 직후의 초고에너지 상태를 재현하여 우주의 기원과 가장 작은 입자를 연구하고 있습니다.

끈 이론(String Theory)의 등장:

• 초기에는 가장 작은 물질이 양성자, 중성자, 전자라고 생각했으나, 1970년대에는 더 작은 쿼크가 발견되었고, 현재는 쿼크를 포함하여 12종류의 입자들이 발견되었습니다. 현재 물리학은 우주 만물이 이 입자들의 조합으로 이루어졌다고 봅니다.
• 여기서 더 나아가, 이 입자들조차도 더 작은 어떤 것으로 이루어져 있다는 이론이 나왔는데, 그것은 점이 아니라 끈이라는 아이디어입니다.
• 끈 이론의 핵심: 모든 물질과 힘은 점이 아닌, 매우 작은 끈의 진동으로 만들어진다는 것입니다. 끈의 진동 패턴이 달라지면서 다양한 입자가 생성됩니다. 이는 마치 바이올린의 줄이 다르게 진동하여 다양한 음을 만들듯이, 끈이 다양하게 진동하여 우주의 모든 것을 만든다는 비유로 설명됩니다.
• 끈은 열린 형태와 닫힌 고리 형태가 있습니다.
• 이 이론은 처음에는 강력에 대한 방정식에서 레너드 서스킨드에 의해 끈의 형태로 인식되었고, 이후 질량이 없는 빛의 속도로 움직이는 입자인 중력자가 이 끈 이론에서 발견되면서 만물 이론으로 발전했습니다.
• 끈의 크기는 매우 작아, 고리형 끈의 길이는 10⁻³³ cm에 불과합니다. 끈이 점이 아닌 '길이'를 가짐으로써 양자 역학이 적용되는 무한히 작은 공간 대신, 더 크고 '조용한' 공간에 적용될 수 있어 양자 역학과 상대성 이론을 통일할 수 있게 됩니다.

M이론과 여분의 차원:

• 끈 이론은 처음에는 5가지의 다른 버전이 존재한다는 문제가 있었습니다. 궁극의 이론은 단순하고 하나여야 한다는 원칙에 어긋났습니다.
• 이 문제 해결을 위해 여분의 차원(숨겨진 차원) 개념이 도입되었습니다. 우리가 사는 3차원 공간과 1차원의 시간 외에 6개의 여분 차원이 존재한다고 끈 이론은 말합니다. 이 차원들은 너무 작아서 우리 눈에는 보이지 않습니다.
• M이론은 끈 이론의 문제점을 해결하기 위해 11차원으로 확장된 이론입니다. 11차원의 관점에서 보면, 5가지 끈 이론은 하나의 이론에서 나타나는 5가지 다른 단면에 불과합니다.
• M이론은 **막(brane)**이라는 개념을 포함합니다. 막은 2차원 또는 3차원 면으로, 끈이 붙어 있거나 끈이 생성될 수 있는 곳입니다. 우리 우주 역시 11차원 공간 속의 거대한 막 중 하나일 수 있습니다.
• M이론은 우리가 살고 있는 우주 외에도 광속이 무한한 우주나 죽은 우주 등 **다양한 우주(다중 우주)**가 존재할 수 있음을 시사합니다.

초끈 이론의 현재와 한계:

• 초끈 이론은 모든 것을 통일할 수 있는 유망한 이론이지만, 한 가지 문제는 왜 하필 우리 우주가 특정한 법칙(예: 광속, 중력 상수 등)을 가지게 되었는지 그 필연성을 설명하지 못한다는 점입니다. 즉, 예측하는 현상 안에 우리 우주가 포함되어 있지만, "왜 이것이 아니면 안 되는가"를 설명하지 못합니다.
• 그럼에도 불구하고 초끈 이론은 양자장론과 아인슈타인의 상대성 이론을 확장하려는 시도 중 수학적으로 일관성이 있으며, 현재까지 경쟁력 있는 다른 증거는 발견되지 않았습니다.