끈 이론, 블랙 홀 그리고 우주-서울대학교 이수종교수 강의

나의 과학 여행

 

-끈 이론, 블랙 홀 그리고 우주 -

 

저는 순수 물리학을 하는 사람이라 사업이나 경영에 관해서는 생소하지만 외국에서는 I T 업계 나 헤지펀드에서 큰돈을 번 사람들이 순수 과학 연구소에 수천만불 씩 기부를 하고 있 다는 사실을 많이 알고 있습니다.

 

미국의 유명한 헤지펀드사인 르네상스 테크놀러지는 오로지 수학과 "끈 이론"을 연구하는 조건으로 6천만불을 한 연구소에 기부하였고 저도 카나다의 어느 벤처기업가가 7천만불을 기부한 한 연구소에서 연구를 한 경험을 갖고 있습니다.

 

저는 이런 기초 과학 연구소에서 어떤 연구가 진행되고 있는가에 대하여 주로 제가 연구중인 "끈 이론 "을 중심으로 불랙홀, 우주 ,그리고 자연의 기본 힘 등에 대하여 설명을 드리겠습니다.

 

스위스 레만 호 근처에 있는 한 연구소에 가면 지금까지는 상상도 못했던 실험을 할 수 있는 거대한 장치를 볼 수 있습니다.

 

이 시설은 10 여전부터 공사가 시작되어 금년 8월에는 가동을 할 예정인데 이 세상에서 가장 정밀한 현미경으로써 물질의 가장 작은 단위를 연구하는데 획기적인 기여를 할 것입니다.

 

지하 3m 에 28.6 km 의 원형 레일을 깔고 양성자 중성자가 돌면서 정면 충돌할 때 어떤 현상이 벌어지는지를 찍는 장치인데 이 장치를 이용하면 1 나노( 1m 의 10 의 -9승 )의 백만분의 1 크기까지 촬영할 수 있습니다.

 

이런 초정밀 장비와 우주라는 천혜의 장비가 있어 물질의 본질에 보다 더 접근하는 연구가 가능한데 아인슈타인, 이휘소, 호킹 그리고 저와 같은 순수 물리학자들이 연구하는 목적이 결국은 이 세상은 무엇으로 만들어져 있을까라는 인류의 끊임없는 지적 호기심을 풀기 위한 것입니다.

 

자연계에는 네 가지 기본적인 힘이 존재한다는 것이 여태까지의 이론입니다.

 

약한 힘(weak interaction ), 전자기 힘(electromagnetic interaction ), 강한 힘(strong interaction ), 그리고 중력 등 입니다.

 

"약한 힘"이란 것은 원소의 붕괴와 관련된 힘으로서 원자력 이용의 원리가 되고 있고 "전자기 힘"은 거의 모든 자연현상과 관련되는 힘으로서 열의 전달방식과 화학적 반응과 관련이 있습니다.

 

그리고 "강한 힘"은 핵자 (양성자, 중성자 ) 간에 작용하는 가장 큰 힘으로써 핵융합의 원리가 되고 있습니다.

 

그런데 이 마지막 "중력"에 관하여 기상천외한 이야기가 있습니다.

 

즉 3차원의 세계는 가짜 이고 실체는 다른 곳에 있다는 이야기로서 말하자면 중력과 4차원 시공간은 자연의 "기본 힘"이 아니라는 것입니다.

 

뉴턴의 만유인력의 원리를 개선한 것이 아이슈타인의 일반 상대성 원리인데 유명한 공식 E=mc자승 은 에너지 와 질량은 같다는 것입니다.

 

그런데 최근 10 여 년간의 연구에서는 양자의 요동으로 심하게 찌그러진 시공간을 발견함으로써 이 아인슈타인의 일반상대성이론이 틀렸다는 주장이 나온 것입니다.

 

불랙홀의 주변에는 우리 눈이 한계가 있어서 못 보지만 깜깜한 것이 아니라 빛이 발산되고 있다고 하는데 그것이 "호킹의 불랙홀 이론"입니다.

 

블랙홀에 의자를 던지면 의자는 만유인력으로 블랙홀에 빨려 들어가고 블랙홀에서 한 점으로 찌브러들어 없어지며 한 참 후 복사 빛 만 나오는데 이는 열 사 이어서 의자라는 "정보"는 가지고 나오지 못합니다.

 

즉 "정보 유실"이 사실이라면 지금까지 우리가 믿어 온 기존의 "양자법칙"을 고쳐야 한다는 것이 호킹의 이론입니다.

 

그래도 많은 다른 학자들은 "양자역학" 은 잘 맞는다고 주장하고 있어 논쟁이 계속되어 왔었는데 논쟁의 종지부는 전혀 다른 곳에서 나왔으니 놀라운 일이 아닐 수 없습니다.

 

그 놀라운 일은 지금부터 20 년전 1984년 아인슈타인의 일반상대성이론보다 우수한 미시 세계 중력이론으로서 물질의 작은 크기의 단위는 점이 아니라 끈이라는 "끈 이론" (String Theory )이 나온 것입니다.

 

이 "끈 이론"에서는 물질의 기본 구조 단위는 둥그러운 것이 아니고 고무줄 같은 끈 모양이라고 정의함으로써 아인슈타인의 일반상대성이론과 양자역학의 충돌이 되는 중력문제를 해결하고 모든 것을 설명하는 통합이론으로서의 실마리를 제공하게 된 것입니다.

 

아인슈타인의 일반 상대성이론이 틀렸음을 지적하고 지난 50 년 동안 과학계를 지배했던 이론을 부정하며 전혀 다른 개념의 우주를 제시하는 혁명적인 이론이라 할 수 있습니다.

 

이 "끈 이론 " 의 출현으로 호킹 박사 자신도 자기 논문이 완벽하지 않다고 고백을 하게 된 것입니다.

 

저도 연구를 하고 있는 이 " 끈 이론" 은 2004 년 노벨상을 받은 "그로스", 1985 년 맥아더 상을 받은 "슈바르츠", 그리고 1990년 필드상을 받은 "위튼" 등 세 사람에 의하여 정립되었는데 " 슈바르츠" 는 제가 유학 할 당시 40 대 중반으로 칼텔대학에서 시간 강사를 하고 있었습니다.

 

그러나 그는 그 대학의 지원으로 13년 동안 이 " 끈 이론 " 하나를 붙들고 연구를 계속 할 수 있었고 " 위튼" 은 타임지가 세계에서 제일 큰 영향력을 가진 사람의 하나로 선정하기도 하였습니다.

 

 

"끈 이론" 과 관련하여 우주에 대하여 간단히 말씀드리겠습니다.

 

우주는 130억년전에 탄생 하였는데 우리가 보는 빛은 30만년전 이후의 것뿐입니다.

 

우주는 고온 , 고압 '빛'의 가스로 탄생하여 계속 팽창합니다.

 

탄생 당시 아주 짧은 찰라 ( 10의 -32승 초 )에 "인플레이션 " 이 끝나고 최초 3분간 기본 원소가 모두 생성하고 50만년 이후 중성원자가 만들어지고 1억년 이후 항성이 생성되고 10억년 이후 은하와 퀘이져(quasar) 가 생성되었습니다.

 

그런데 계속 팽창하던 우주는 언젠가 찌부러 들어 큰 불랙홀이 되고 불랙홀이 더 줄어들면 한 점이 되어 종말이 되는데 빅뱅에 의하여 다시 은하계가 탄생하는 말하자면 불교에서 말하는 "윤회"를 계속한다고 볼 수 있습니다.

 

우주의 모든 것이 상상할 수 없이 작은 끈 ( 진동하는 에너지 )으로 이루어져 있고 끈 모양 혹은 막 모양의 물질들이 조합하여 불랙홀을 구성한다는 것이 " 끈 이론 "인데 블랙홀은 몇 차원일가요?

 

"끈 이론"에서는 블랙홀의지평면은 2차원 공모양이고 3차원 현상은 홀로그램 영상 즉 "허상"일 뿐이며 4차원인 시간도 " 환영"이고 은하도 "환상"일지 모른다고 합니다.

 

그러나 " 끈 이론" 에서의 홀로그램 효과도 과연 진짜인지 아니면 따른 진짜가 있는지 모르기 때문에 "끈 이론"도 틀릴 수 있다는 가정 하에 연구는 계속되고 있는 것입니다.

 

우주 태초의 찰라 ( 10의 -32증 초 )의 비밀을 풀기 위해서는 스위스 제네바에 있는 연구소보다 엄청 더 큰 거대한 장치가 필요한데 지금 지구상에 3개의 인공위성을 띄우고 레이져 중력파를 발사하여 태초의 비밀을 밝히려는 계획이 추진되고 있지만 아마 이 장치도 15년 이후에나 가능시 되고 있을 정도로 순수 과학분야의 연구는 끝도 없이 계속되고 있습니다.

 

 

 

그런데 당장 부가가치가 생성되지 않는 이런 순수 과학분야에 선진국들은 왜 계속 투자를 하고 있을까요 ?

 

저는 "끈 이론" 의 "그로스" 박사의 이야기를 끝으로 제가 이 분야에서 20여년간 연구 해오면서 느낀 바를 결론으로 말씀드리겠습니다.

 

미국 캘리포니아에서 큰돈을 번 " 카블 " 이란 기업가는 " 끈 이론" 의 "그로스" 박사와 절친한 사이여서 그로스 박사에 의뢰하여 세계 각국의 기초 순수 과학 연구소에 1 천 만불 씩의 기부활동을 벌이고 있습니다.

 

그런데 그 기부금 프로젝트에서 우리나라는 제외가 되었고 인도도 제외가 되었지만 중국은 포함이 되었습니다.

 

제가 알기에 중국의 기초 과학 수준은 우리보다 훨신 낮지만 국가의 지도자가 강력한 의지를 보여서 합격점을 받았다고 하는데 대상 연구소 선정 과정에서 장쩌민 주석은 "그로스" 박사에게 우리가 기부를 받으면 앞으로 향후 30 년간 중국의 과학정책을 당신에게 맡기겠다 라는 강력한 기초 과학 진흥 의지를 보여 주었기 때문이라고 합니다.

 

이런 점에서 볼 때 우리나라는 경제 규모에서는 세계 10 위 권이지만 순수 과학을 대하는 자세에서는 크게 반성하여햐 한다고 생각합니다.

 

우리는 서구 선진국의 기초 과학에 대한 열정으로 꽃 핀 인류문명의 결과를 향유하고 있지만 과연 그에 상응한 기여를 하고 있나 한번 되돌아 볼 필요가 있습니다.

 

저 자신도 만일 내가 대한민국에서 태어나지 않았다면 어떻게 되었을까를 생각해 보게 됩니다.

이웃나라 일본을 포함한 선진국에서는 통하는 상식 과 합리와 논리가 왜 우리나라에서는 통하지 않을까요 ?

 

아마 우리나라가 너무 짧은 기간에 발전을 했기 때문인지 모르지만 저는 후배들에게 이렇게 이야기 합니다.

 

"당장 3만불 국민소득의 나라로 만드는 것보다 더 중요한 것은 대한민국을 남의 발목을 잡은 나라가 아니고 상식과 합리와 논리가 통하는 나라로 만드는 것이다."

 

감사합니다.

 

 

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이글은 서울대학교 상과대학 1.7포럼에서 강의한 내용을 심명기 동문이 요약정리한 것을 이곳에 전재한 것입니다.