▣ 김수병 기자 hellios@hani.co.kr

현재까지 가장 널리 받아들여진 우주 기원에 관한 설명은 ‘빅뱅(Big Bang) 가설’이다. 이 가설은 우주가 약 130억~200억년 전 무한밀도로 압축된 상태의 굉장히 작은 한 점에서 폭발해 지금까지 팽창을 계속하며 지금의 우주 물질 분포를 만들었다는 것이다. 이는 아인슈타인이 1916년에 발표한 일반상대성이론에 기초한 정적인 우주론과 다르다. 아인슈타인은 우주는 정지된 것으로 확신했다. 그런데 중력이론과 일반상대성이론을 결합하면서 문제가 발생했다. 중력방정식이 우주가 정지됐다는 것을 증명할 수 없었기 때문이다. 그래서 아인슈타인은 중력의 효과를 상쇄해 평형을 유지한다는 방정식을 도출하려고 ‘우주 서술항’을 끼워넣었다.

‘표준모형’을 제시하는 데까지

아인슈타인의 중력이론은 우주 전체를 자기모순 없이 일관되게 그려낼 수 있다는 희망을 보여주었다. 하지만 미국인 천문학자 에드윈 허블이 우리 은하로부터 멀리 떨어진 은하일수록 빠른 속도록 더 멀어지고 있다는 사실을 밝혀내면서 ‘정적인 우주론’은 거센 도전을 받았다. 그 뒤로 우주가 팽창한다는 것이 명백해지면서 아인슈타인은 “우주 서술항 도입이 일생 일대의 실수”였다고 밝히기도 했다. 그런데 아인슈타인의 우주 서술항이 ‘우주 상수’로 부활하고 있다. 우주의 모습이 가속 팽창하고 있다는 것을 규명하려면 양자역학의 세계까지 포괄하는 우주 상수가 필요한 까닭이다.

애당초 일반상대성이론은 특수상대성이론과 뉴턴의 중력이론 사이에서 서로 양립하지 않는 부분을 해석하기 위해서 나왔다. 문제는 아인슈타인의 이론은 양자역학의 법칙에 한결같이 맞아떨어지지 않는 한계를 보인다는 것이다. 그럼에도 아인슈타인의 이론은 우주 팽창과 빅뱅 가설의 이론적 기반이 되었다. 한양대학교 물리학과 신상진 교수는 “아인슈타인 중력이론의 피할 수 없는 귀결은 특이점의 존재로 이어진다”고 설명했다. “아인슈타인 방정식은 시간 역전에 대해 대칭이므로 특이점의 존재를 뒤집으면 초기 특이점이 되어 우주를 해석하는 열쇠를 제공한다.”

△ 모든 물질은 끈으로 이루어진 것일까. 초끈이론은 빅뱅 순간에 나온 소립자들의 정체를 일관되게 설명한다.

그렇다고 아인슈타인의 이론이 힘과 물질의 통합에 다가선 것은 아니었다. 아인슈타인의 상대성이론은 일상 세계와 우주 등 거시 세계를 효과적으로 설명한다. 일반상대론이 매우 질량이 큰 세계를 지배하기 때문이다. 문제는 원자나 전자로 이뤄져 급격하게 요동치는 미시 시계에서는 일반상대론이 통하지 않는다는 것이다. 이런 세계는 양자역학이 지배한다. 아인슈타인은 상대성이론과 양자역학의 모순을 해결하는 통일장이론을 세우려고 30여년을 보냈다. 상대성이론의 중력을 양자역학의 세계에 적용하려는 것이었다. 하지만 아인슈타인은 미시 세계와 거시 세계가 동시에 존재하는 블랙홀의 중심부에 다가서지 못한 채 일생을 마감했다.

정말로 사는 우주를 하나의 이론으로 설명할 수 있을까. 모든 것의 이론이 성립하려면 미시와 거시계를 포괄하는 자연의 네 가지 기본력(중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력) 등에 관련된 물질과 에너지의 역동적인 상호작용을 설명해야 한다. 중력은 우리가 지구에서 떨어지지 않도록 하는 것인데 나머지 힘에 비해 수천, 수만배나 약하다. 이보다 강한 전자기력은 화학적 결합을 이루도록 하며 끌어당기거나 반발하는 힘으로 작용한다. 원자핵을 하나로 묶는 힘인 강한 핵력과 방사성 붕괴에서 나타나는 약한 핵력은 원자핵 크기에서만 작용한다. 이것을 한데 묶어 설명하는 하나의 원리를 만들려는 것이다.

아직까지 아인슈타인의 뒤를 잇는 물리학자들은 네 가지 힘을 포괄하는 수학 방정식을 만들지는 못했지만 입자이론을 통해 ‘표준모형’을 제시하는 데 성공했다. 미시 세계에 작용하는 세 가지의 힘을 설명하는 표준모형은 암흑물질의 본질에 접근하지 못하고 중력을 포괄하지 못한다. 그럼에도 새로운 고에너지 입자들을 규명하는 구실을 하며 우주를 더욱 높은 차원으로 들어올리는 초대칭과 함께 모든 것의 이론에 다가서고 있다. 초대칭이론은 중력이 분리된 힘이 되고 쿼크나 랩톤 같은 페르미온(물질)과 포톤, 글루온이나 보손(힘)이 항상 짝을 지어 존재하는데 대칭이 파괴됐을 때 입자들의 극적인 변화가 나타난다고 주장한다.

현재 모든 것의 이론에 가장 근접한 것으로 평가받는 초끈이론(superstring theory)은 초대칭이론의 성과를 바탕으로 한다. 우주의 무한한 다양성을 아원자들의 조화에서 원인을 찾는 초끈이론은 블랙홀과 입자들을 흔들리는 10~33cm 길이의 1차원 끈으로 설명한다. 입자물리의 세계는 4차원에 지나지 않는다. 그런데 초끈이론이 제시하는 세계는 수학적 모순이 사라지는 10차원을 지나 11차원으로까지 확대된다. 지난 1995년에 제시된 11차원은 1차원의 끈이 사실은 11차원에서 대롱처럼 말려 있는 2차원 막 구실을 하는 것이었다. 이를 토대로 경쟁을 벌이던 끈이론들이 서로 얽혀서 설명되기 시작했다.

초끈이론의 입증 작업 계속돼

이것이 바로 미국 프린스턴고등연구원의 에드워드 위튼이 제시한 ‘M이론’이다. 매직(Magic)이나 미스터리(Mystery), 매트릭스(Matrix) 등의 머리글자에서 따왔다는 M이론은 우주의 모든 물질을 작은 막들의 조합으로 본다. 여기에서는 기본 입자들을 진동하는 작은 끈(1차원의 막)으로 생각하는 끈이론도 폭넓게 포함되며, 중력 상호작용에 관한 계산에서 나오는 ‘무한대’ 값의 문제도 해결된다. 그래서 M이론을 통해 20세기의 양대 산맥인 양자역학과 상대성이론이 결국 통합될 것이라는 예측이 많았다. 하지만 궁극의 이론에 아주 가까이 다가선 것은 틀림없지만 모든 것들의 의미는 여전히 희미할 뿐이다.

△ 스위스 입자물리가속기연구소는 오는 2007년 초대형 가속기를 완공해 빅뱅 상태에서 초끈이론을 증명할 예정이다.

어쩌면 우주는 점의 폭발이 아니라 막과 막의 충돌에 의해 생성됐는지도 모른다. 초끈이론에 의해 블랙홀 안에서도 정보가 소실되지 않는다는 것이 밝혀진 상황에서 실험적으로 초끈의 존재를 규명하는 게 불가능한 일은 아니다. 스위스 제네바 인근에 있는 입자물리가속기연구소(CERN)에 완공될 초대형 가속기는 미니 블랙홀을 통해 끈과 막의 존재를 보여줄 것으로 기대를 모은다. 만일 원자핵에서 은하의 세계까지 작용하는 힘을 하나의 원리로 설명할 수 있게 되며 우주 만물에 대한 관점이 바뀌고 시간여행의 길도 열릴 수 있을 것이다. “신은 우주를 구성하면서 얼마나 많은 선택을 했을까”라는 아인슈타인의 질문도 상식 수준에서 이해할 수 있을 것이다.

		상대성이론을 뛰어넘는다고? 아인슈타인의 이론을 뒤집는 것은 이론적으로 간단하다. 상대성이론의 대전제인 빛의 속도가 모든 물질이 가질 수 있는 한계 속도라는 것을 부정하거나 시간과 공간이 연속적이지 않다는 것을 증명하면 된다. 그동안 많은 과학자들이 아인슈타인의 이론에 도전한 게 사실이다. 뉴턴이 갈릴레오를, 아인슈타인이 뉴턴을 뛰어넘었듯이 아인슈타인의 한계를 ‘극복’하려는 것이었다. 하지만 아직까지 상대성이론의 위반을 확실하게 밝혀내지는 못하고 있다. 그만큼 상대성을 내세운 아인슈타인의 이론이 절대적 구실을 하고 있는 셈이다. 우주에 대해 알려진 범위를 확장해 아인슈타인을 돌파하려는 물리학자들은 예측된 행동에서 벗어난 미묘한 위반을 찾고 있다. 특수한 방향을 탐색하거나 시계 속도의 방향이 아인슈타인 방정식에 맞지 않는다는 것을 밝혀내려는 학자들은 ‘표준 모델 확장’(SME)을 제시하며 특수상대성을 반박하는 증거로 물질과 반물질이 다르게 행동한다는 사실을 밝혀내려고 한다. 미국 하버드-스미소니언 연구소의 로널드 월스워스 박사팀은 특수한 자기 상태에서 준비한 시계 구실을 하는 원자가 특정 속도로 이동할 때 계시가 어떻게 달라지는지를 살펴봤다. 이때 특정 레벨에서 상대성이론에서 벗어난 사례들이 발견됐다. 아주 작은 크기에서 공간의 구조를 이용하려면 중력의 양자이론을 고려해야 한다. 시간과 공간의 휨에 의해 발생하는 중력과 양자역학을 결합한 게 ‘루프 양자 중력’이다. 이에 따르면 시간과 공간이 불연속적인 조각으로 이해된다. 루프 양자 역학이 작용하는 미세한 상태에서는 빛의 속도보다 더 빠른 ‘이중 특수 상대성’이 적용된다고 주장하는 과학자들도 있다. 하지만 이것을 증명하기는 쉽지 않다. 지구에서 수십억 광년 떨어진 곳에서 발생하는 감마선 폭발에서 나오는 광자를 통해 증명해야 하기 때문이다. 이는 올해 발사 예정인 글라스트(GLAST)라 불리는 위성 관측선을 통해 확인할 예정이다. 정말로 아인슈타인의 이론처럼 빛의 속도는 항상 일정한 것일까. 처음으로 물리학 상수 오류 가능성을 발표한 사람은 러시아의 물리학자 레프 란다우였다. 그 뒤 캐나다 토론토대학의 물리학자 존 모패트는 시간이 시작된 당시 빛의 속도는 현재의 속도보다 빠르다는 이론을 설파했다. 그는 빅뱅 이론 등을 들어 우주 생성 초기에 우주의 말단이 빛보다 빨리 확대됐다고 주장한다. 만일 빛의 속도가 변했다면 몇몇 불가사의한 천문학 현상을 설명할 수 있고 끈이론을 뒷받침할 수 있다. 하지만 빛의 진동수를 미세하게 변이시킨다는 증거는 구체적으로 밝혀지지 않았다. 최근 물리학자들은 퀘이사로부터 날아오는 빛을 연구해 빛의 속도 변이를 밝혀내려고 한다. 오스트레일리아 시드니의 매쿼리대학의 물리학자 파울 데이비스는 수십억년에 걸쳐 빛의 속도가 느려졌을 수도 있다고 주장한다. 그는 퀘이사의 빛이 지구에 도달하기까지 100억년이 걸린다며 이때는 우주의 상수값이 현재보다 작았을 것으로 추측한다. 우주 상수값에 영향을 끼치는 것은 전자의 전하량이나 빛의 속도 변화다. 데이비스 박사는 60억~100억년 전에는 빛의 속도가 현재보다 더 빨랐을 것으로 믿고 있다. 하지만 이런 가설은 어디까지나 개인적인 믿음일 뿐이다. 아인슈타인을 뛰어넘을 연구자는 어디에 있는 것일까.