고등학교를 졸업하고 대학교를 갓 입학하여, 아무것도 모른 채 1학년 1학기 교양과목 및 전공선택, 전공필수 과목을 수강하고 있을 때 아는 사람이 없어 혼자서 학교 교정을 헤매고 다니던 시절이 있었습니다. 시골 촌놈이 서울에 와서 얼마나 어색하고 신기한 것들 뿐이었겠습니까? 어색함을 떨치고자 교정의 잔디밭에 혼자 앉아서는 지나가는 학생들을 쳐다 보곤 했었습니다. 그러는 중에 혼자서 멍하니 있으면 다가오는 형님들이 계십니다. 저에게 뭔가를 묻는 목적이 아니라 저같이 어리숙하게 보이는 시골 출신 학생들에게 다가와 호객행위를 하는 형님들이시었습니다. 자기도 학생인데 대학 생활 하려면 필요한 상식을 제공하는 좋은 책을 소개해 준다 하면서 과학 잡지 같은 것을 판매를 하였습니다. 처음에 호객 행위가 아니라 친절한 태도로 이것 저것 물으면서 대학 생활에 대해서 설명해 주기도 하고 서울 생활에 대해서도 장단점을 알려주기도 하였었지요. 그러다가 어느 정도 시간이 지나면 책을 스윽 꺼내 들어 보이면서 열심히 판매를 하였습니다. 친절하게 다가와서 이것 저것 설명도 해주었으니 그냥 쉽게 안사겠습니다 라고 매몰차게 말을 못하고는 거의 반 강제로 강매를 했었습니다. 참 바보 같은 학생이었습니다. 순진하지만 세상 물정 모르는 그런 순지무구한 바보 말입니다. 첫 달에 해당하는 책은 그 자리에서 판매를 하는데 그 책을 받아 들고는 책장을 넘기던 기억이 납니다. 그런데 바로 그 책에서 우주의 공간과 이치를 설명하는 이론 중에 초끈 이론이란게 있었습니다. Super string으로서 초능력의 초에 해당하는 바로 그 초끈 이론입니다. 초능력이라도 갖고 있는 끈이론가 했었습니다. 하지만 우주의 구성 요소를 아무것도 존재하지 않는 무의 세계가 아니라 끈과 같은 물질이 있어 이의 작용으로 우주공간이 존재하고 기타의 각종 법칙들이 존재하게 된다는 이론으로 기억합니다. 지금부터 제가 조사한 초끈 이론에 대해서 알아 보겠습니다.
초끈 이론(Super String Theory)
초끈 이론은 물리학에서의 현대적인 이론 중 하나로, 우주의 모든 기본 힘과 입자를 하나의 통일된 구조 안에서 설명하는 것을 목표로 합니다. 이 이론은 끈 이론의 한 분야로, 우주의 기본 구성 요소를 점과 같은 입자로 보는 대신, 작고 1차원의 "끈"으로 가정합니다. 이러한 끈은 서로 다른 주파수에서 진동하며, 이러한 진동의 형태와 패턴에 따라 다양한 입자와 힘을 생성합니다. 끈의 진동 상태에 따라 생성되는 입자들은 서로 다른 질량, 전하, 스핀 등의 특성을 가지며, 이는 자연에서 관찰되는 다양한 입자들을 설명하는 기초가 됩니다. 초끈 이론은 이러한 입자들 사이의 상호작용도 설명하며, 전자기력, 약력, 강력 등 다양한 기본 힘들을 포함한 통합된 이론을 제공하려고 합니다. 초끈 이론은 또한 중력을 설명하는 데에도 도전합니다. 중력은 일반 상대성 이론에 의해 설명되는데, 이는 다른 기본 힘들과는 다른 수학적인 구조와 원리를 가지고 있습니다. 그러나 초끈 이론은 중력을 끈이 진동하는 공간의 기하학적인 특성으로 설명하려고 합니다. 이는 양자역학과 중력을 통합하려는 노력 중에서도 초끈 이론을 특별하게 만드는 중요한 특징입니다. 초끈 이론은 스핀 양자 수가 다른 입자 사이의 이론적 대칭인 초대칭 개념을 도입합니다. 이는 알려진 모든 입자(예: 쿼크, 전자)에 대해 다른 스핀 값을 가진 초대칭 파트너 입자가 존재한다는 것을 의미합니다. 이러한 파트너 입자는 슈퍼대칭 또는 슈퍼파트너라고도 불립니다. 예를 들어, 퀴버트라고 불리는 초끈 이론에서는 퀴버트와 슈퍼파트너인 스퀴버트라는 입자가 존재합니다. 퀴버트는 반 정수 스핀을 가지는 입자이며, 스퀴버트는 정수 스핀을 가지는 입자입니다. 이러한 스핀 대칭성은 초끈 이론의 수학적인 구조에 내재되어 있으며, 입자들 간의 상호작용을 이해하는 데에 중요한 역할을 합니다. 초끈 이론에서의 슈퍼대칭은 입자들 사이의 대칭성을 강조하며, 이를 통해 우주의 기본 구성 요소를 더욱 포괄적으로 이해할 수 있습니다. 또한, 이러한 슈퍼파트너들은 특정한 조건에서 관찰될 수 있으며, 이를 통해 초끈 이론의 예측을 실험적으로 검증할 수 있는 가능성이 제시됩니다. 그러나 초끈 이론의 슈퍼대칭은 아직까지 실험적으로 확인되지는 않았습니다. 이는 초끈 이론이 저에너지 천체 현상에서는 검증하기 어렵기 때문입니다. 그러나 높은 에너지 물리학 실험이 발전함에 따라 슈퍼파트너들이 관찰될 수 있는 가능성이 열리고 있습니다.
초끈 이론의 개발과 과학자
초끈 이론의 기원은 20세기 중반으로 거슬러 올라갈 수 있지만, 1980년대에 주목을 받기 시작했습니다. 이 이론은 여러 물리학자에 의해 독립적으로 개발되었습니다. 1968년 초끈 이론의 토대가 된 베네치아노 진폭이라는 수학적 개체를 발견한 가브리엘 베네치아노가 그 주역입니다. 그러나 1970년에 강력한 핵력의 이론으로서 끈 이론을 독자적으로 제안한 것은 Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen, Joël Scherk였습니다. 1974년 물리학자들이 끈 이론을 설명하는 수학이 양자 중력에도 적용 가능하다는 사실을 발견하면서 중요한 돌파구가 마련되었습니다. 이 발견은 초대칭이론의 발전과 함께 초끈 이론의 출현으로 이어졌습니다. 첫 번째 초끈 이론 혁명은 1980년대 중반에 일어났습니다. 다섯 가지 일관된 초끈 이론이 확인되었습니다. 유형 I, 유형 IIA, 유형 IIB, 이종 SO(32), 이종 E8×E8이 그것입니다. 이 이론들은 처음에는 서로 별개의 것으로 여겨졌지만, 추가 연구를 통해 이중성이라는 과정을 통해 서로 연결되어 있음이 밝혀졌습니다. 1995년경의 두 번째 초끈 이론 혁명은 M-이론을 도입했습니다. M-이론은 다섯 가지 초끈 이론을 아우르는 통합 프레임워크로 간주됩니다. 이 이론은 끈뿐만 아니라 멤브레인이라는 고차원 물체의 존재를 가정합니다. M-이론의 정확한 본질은 여전히 활발한 연구 분야입니다. 초끈 이론의 개발에 참여한 저명한 물리학자로는 에드워드 비텐, 마이클 그린, 존 슈바르츠, 브라이언 그린 등이 있습니다. 초끈 이론은 중력을 포함한 우주의 모든 기본 힘과 입자를 통합적으로 설명할 수 있는 잠재적 틀을 제공하기 때문에 이론 물리학에서 계속해서 주요 관심사가 되고 있습니다. 하지만 초끈 이론은 여전히 매우 추측적이고 복잡한 연구 분야이며, 실험적 증거를 통해 완전히 이해되고 확인되어야 할 부분이 많이 남아 있다는 점에 유의해야 합니다.