세상은 진짜 끈으로 만들어졌을까?

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"만약 너를 계속 계속 자르고 또 자르면 마지막엔 뭐가 남을까?"

 

어떤 친구는 "원자요!"라고 대답할 거예요. 또 어떤 친구는 "쿼크요!"라고 할 수도 있죠. 그런데 세계에서 가장 똑똑한 물리학자들은 이렇게 말해요. "끈이야!"

네, 맞아요. 바이올린이나 기타의 줄처럼 생긴 아주아주아주 작은 끈이 세상 모든 것을 만들었다는 거예요. 레고 블록으로 자동차도 만들고 집도 만들 수 있듯이, 끈 하나가 어떻게 떨리느냐에 따라 전자도 되고, 빛도 되고, 여러분도 된다는 신기한 이야기예요.

오늘은 물리학자들이 100년 넘게 꿈꿔온 ‘만물의 이론’, 바로 초끈이론에 대해 함께 알아볼 거예요. 어렵게 느껴질 수 있지만, 차근차근 따라오다 보면 우주의 비밀이 조금씩 보일 거예요.

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뉴턴과 아인슈타인, 세상을 하나로 묶으려는 꿈

옛날 물리학자들은 복잡해 보이는 세상을 ‘하나의 법칙’으로 설명하고 싶어했어요. 뉴턴은 사과가 떨어지는 것과 달이 도는 것이 같은 힘 때문이라는 걸 알아냈죠. 바로 중력이에요.

그 뒤 아인슈타인은 더 멋진 걸 발견했어요. 중력은 사실 ‘공간이 휘어지는 것’이라고요. 무거운 공을 이불 위에 올려놓으면 이불이 푹 꺼지잖아요? 그것처럼 지구가 우주 공간을 휘게 만들어서 우리를 잡아당기는 거예요.

하지만 문제가 생겼어요. 아인슈타인의 이론은 아주 큰 세계, 그러니까 우주에서는 잘 맞았지만, 원자보다 작은 세계에서는 전혀 통하지 않았거든요. 큰 세계의 법칙과 작은 세계의 법칙이 따로 놀고 있었던 거예요. 물리학자들은 고민했죠. “분명 하나의 법칙이 있을 텐데…”

세상을 움직이는 네 가지 힘

세상에는 네 가지 힘이 있어요. 먼저 중력이에요. 사과를 떨어뜨리고 우리를 땅에 붙들어 두는 힘이죠. 만약 중력이 사라진다면 우리는 모두 우주로 날아가 버릴 거예요.

두 번째는 전자기력이에요. 휴대폰, 냉장고, 전등이 모두 이 힘으로 작동해요. 자석이 철을 끌어당기는 것도 전자기력 덕분이에요.

세 번째는 강력이에요. 원자핵 속에서 양성자와 중성자를 꽉 붙들어 주는 힘이죠. 이 힘이 없다면 모든 물질은 바로 흩어져 버릴 거예요.

마지막은 약력이에요. 우라늄 같은 원소가 방사능을 내뿜을 때 작용하는 힘이에요.

물리학자들은 이 네 가지 힘을 하나로 합치고 싶어 했어요. 실제로 전자기력과 약력, 강력은 하나로 묶을 수 있었어요. 그런데 딱 하나, 중력만 끝내 합쳐지지 않았죠. 바로 그 지점에서 ‘끈’이라는 생각이 등장합니다.

끈이 춤추면 우주가 만들어진다

과학자들이 상상한 끈은 정말 말도 안 되게 작아요. 원자를 태양계만큼 크게 키워도 끈은 나무 한 그루 정도밖에 안 될 만큼 작죠. 얼마나 작은지 감이 잘 안 올 거예요.

이 끈은 가만히 있지 않고 계속 떨려요. 바이올린 줄이 어떻게 떨리느냐에 따라 도레미파솔 다른 소리가 나듯이, 끈도 떨리는 방식에 따라 완전히 다른 입자가 됩니다.

빠르게 떨리면 에너지가 높은 입자가 되고, 천천히 떨리면 에너지가 낮은 입자가 돼요. 전자도, 빛도, 심지어 중력까지도 끈의 떨림으로 설명할 수 있다는 거예요.

마치 오케스트라에서 여러 악기가 각자 다른 소리를 내면서 하나의 음악을 만들듯이, 수많은 끈들이 각자 다르게 떨면서 이 우주 전체를 만들어낸다는 이야기죠.

숨겨진 차원, 우리가 모르는 세계

초끈이론에는 또 하나의 놀라운 비밀이 있어요. 우리가 사는 세상은 가로, 세로, 높이의 3차원이고, 시간까지 더하면 4차원이잖아요. 그런데 끈 이론은 말해요. “사실 세상에는 더 많은 차원이 있어.”

그럼 그 나머지 차원들은 어디에 있을까요?

호스를 멀리서 보면 그냥 하나의 선처럼 보여요. 하지만 개미가 호스 위를 기어가면, 호스의 둘레를 따라 빙글빙글 돌 수 있죠. 멀리서는 보이지 않던 길이 가까이 가면 나타나는 거예요.

마찬가지로 우리 우주 곳곳에도 너무 작아서 보이지 않는 여분의 차원들이 말려 있다고 해요. 지금 여러분 손끝에도, 책상 위에도, 공기 속에도 우리가 느끼지 못하는 차원이 숨어 있을지 몰라요.

M-이론, 모든 것의 답일까?

초끈이론을 연구하던 과학자들은 어느 순간 아주 이상한 상황에 부딪혔어요. 모두가 같은 질문을 하고 있었거든요.

“세상을 이루는 가장 작은 것은 무엇일까?”

그런데 이 질문에 대한 답이 하나가 아니라, 다섯 개나 나온 거예요. 놀랍게도 다섯 개 모두 틀린 답은 아니었어요. 전부 ‘끈’으로 세상을 설명하고 있었고, 전부 말이 되는 계산이었죠. 다만 계산을 푸는 방식이 조금씩 달랐을 뿐이에요.

과학자들은 더 헷갈리기 시작했어요.
“같은 질문을 했는데, 왜 답이 다섯 개나 나오지?”
“세상은 하나인데, 답도 하나여야 하지 않을까?”

이건 마치 이런 상황과 비슷했어요. 같은 산을 보고 있는데, 한 사람은 동쪽에서 보고, 한 사람은 서쪽에서 보고, 또 다른 사람은 위에서 내려다보고 있는 거예요. 보는 위치가 다르다 보니 설명도 다르게 나왔던 거죠.

이때 에드워드 위튼이라는 과학자가 이렇게 말했어요.
“혹시 우리가 너무 다른 자리에서 보고 있어서, 답이 여러 개처럼 보이는 건 아닐까?”

그래서 그는 아예 한 단계 더 위로 올라가서, 모든 답을 한꺼번에 볼 수 있는 자리에서 다시 보자고 제안했어요. 그걸 쉽게 말해 11차원에서 본다고 표현한 거예요. 여기서 11차원은 우리가 가서 살아야 할 공간이 아니라, 여러 답을 한눈에 정리해서 볼 수 있는 더 넓은 자리라고 생각하면 돼요.

그렇게 보니 드디어 이유가 보였어요. 다섯 개의 초끈이론은 사실 서로 다른 답이 아니라, 하나의 답을 서로 다른 방식으로 말하고 있었던 것이었어요. 마치 같은 문제를 풀었는데, 풀이 과정이 다를 뿐 정답은 같은 것과 비슷했죠.

이렇게 다섯 개의 답을 하나로 묶어 설명한 생각을 M-이론이라고 불러요. M은 끈이 붙어 있는 넓은 바닥 같은 존재를 뜻하는 막(Membrane)의 M이기도 하고, 아직 다 풀리지 않은 신비(Mystery)의 M이기도 해요.

M-이론에 따르면 우리 우주는 수많은 막 중 하나일 수 있고, 다른 막에는 전혀 다른 우주가 있을지도 몰라요. 아직 이 이야기는 실험으로 확인되지는 않았지만, 과학자들은 이 다섯 개의 답을 하나로 이해할 수 있다는 점에서 M-이론을 아주 중요한 힌트로 보고 있어요.

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마치며

초끈이론은 우주의 모든 것을 하나의 이야기로 설명하려는 아주 큰 꿈이에요. 아직 완성된 이론은 아니지만, 과학자들은 포기하지 않고 계속 도전하고 있어요.

세상은 정말 끈으로 만들어졌을까요?
그 답을 찾는 여정은 아직 끝나지 않았습니다.

그리고 그 여정의 다음 주인공은,
어쩌면 지금 이 글을 읽고 있는 여러분일지도 몰라요.