이론물리학자들은 오늘도 우주 탄생의 비밀을 간직한 ‘모든 것을 설명하는 이론’(theory of everything)을 찾으려고 노력한다. 왜냐하면 초기 우주에서는 현재에 존재하는 모든 힘이 하나에서 출발했다고 생각하기 때문이다. 만약 이러한 통일된 힘이 밝혀지면 시공간이 탄생한 이래 만들어진 모든 종류의 물질과 힘들의 특성은 그 정체를 드러낼 것이다.
자연계에는 중력, 전자기력, 물질의 붕괴와 관련된 약력, 핵의 구조를 설명하는 강력의 4가지 힘이 존재한다. 힘을 통합하려고 한 시도는 1867년 전기력과 자기력을 통일한 맥스웰에서 비롯된다. 그로부터 오랜 세월이 흐른 후 1967년 와인버그와 살람은 전자기력과 약력을 통일했다. 그 후 물리학자들은 입자들이 일정한 거리(10¤²¤cm) 이하로 가까워지면 전자기력, 약력, 강력의 세 힘이 하나의 힘으로 기술될 수 있다는 것을 발견했다. 이것이 1974년 죠지아이와 글래쇼에 의해 제창된 대통일장 이론이다.
이제 남은 것은 중력. 하지만 다른 모든 힘의 이론들이 양자역학과 잘 접목되는데 반해 중력은 양자화하기 어려웠다. 이때 도입된 것이 초대칭이론 그리고 입자를 하나의 점이 아니라 약간의 크기를 갖는 끈으로 생각하는 초끈이론이다. 하지만 초끈이론은 실험을 통해 끈의 존재를 확인할 수 없어 다분히 수학적 이론이라는 평가를 받고 있다.
최근 들어 물리학자들은 1차원인 끈보다 2차원인 면 또는 그 이상의 차원을 가지는 구조가 4개의 힘을 통합하는데 훨씬 편리하다는 것을 알게됐다. 이것이 바로 11차원의 M이론이다. 고등과학원장 김정욱 박사는 “M이론은 초끈이론보다 진일보한 것이지만 아직 완벽한 통일 이론으로 검증받지는 못했다”고 한다. 다양한 자연계의 현상을 통합적으로 이해할 수 있도록 하는 ‘모든 것을 설명하는 이론’이 밝혀지는 날 물리학자들은 조물주의 마음을 읽을 수 있을 것이다.
kajang@donga.com
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