| 초끈의 모식도 |
| 초끈 이론 - 현실의 본질은?[1] |
1. 개요
superstring theory세상의 모든 것은 0차원의 입자가 아니라 1차원의 끈으로 이루어져 있다는 것을 골자로 하는 물리학 이론이다.[2] 정확히는 0+1 차원이 아니라 시간을 포함한 1+1 차원이다.
이 끈들이 소립자고, 끈의 진동 패턴이나 장력 등에 따라 소립자의 패턴(정확히는 질량, 전하, 색전하, 스핀 등의 양자수)이 정해진다. 이름이 '초'끈인 것은 대부분의 끈 이론이 초대칭을 가정하기 때문이다. 초대칭이 없는 비주류의 끈 이론으로 보손 끈 이론이 있다.
2. 상세
일단 TOE의 후보이긴 한데 가능성은 높지 않다. 그나마 지금까지 밝혀진 이론 중에서는 가장 적합하다고 평가받고 있다. 일단 실험적 검증이 없는 것이 가장 큰 문제다. 검증을 위한 장비가 현대 기술로는 사실상 만들 수 없다. 예를 들면 태양계만한 입자가속기[3]를 만들어야 초대칭입자를 검출할 수 있다. 차원의 특성을 결정하는 칼루자-클라인 도형의 특정에도 난관을 겪고 있다. TOE의 범용성에서 기인하는 방정식의 복잡함은 사실 둘째 문제다. 또한 이 이론으로 무언가를 예측한 적도 없다는 것 또한 회의론자들이 지적한다.일단 이 이론이 옳다면 기존 양자장 이론에서 장애물 취급을 받던 중력까지 양자화하고, 현대 물리학이론의 양대산맥인 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합하며 모든 것의 이론이 될 수 있다. 하지만 이론으로 아무리 탄탄해 보이는 체계를 정립해 봐야 실험적 검증이 없으면 한낱 가설이다.
이 초끈 이론에서의 초끈의 크기는 10-35m로 쿼크의 1억분의 1 정도이다. 하지만 초끈이 가장 작은 소립자는 아니다. 정확히 말하자면, 초끈은 모든 입자들의 근본적인 모습이며, 끈의 진동패턴[4]과 진동수[5]에 따라 서로 다른 입자로 보인다고 해석한다.[6] 즉, 초끈 이론에서 소립자의 근본적인 모습이자, 고대 그리스의 데모크리토스가 주장했던 원자로 볼 수 있는 것이 바로 끈이다.
3. 역사
- 만물을 끈으로 표현할 수도 있던데? 라는 아이디어와
- 4차원을 제외한 나머지 차원들은 작게 감겨 있어서 우리가 4차원만을 본다
추가 차원의 역사는 아인슈타인이나 칼루자, 클라인 등이 양자역학 없이 고전적으로 전자기학과 중력을 합치려고 시도했던 것까지 거슬러 올라간다. 이들이 연구했던 통합이론은 추가 차원을 포함한 5차원 초시공간 이론이었다.
1969년 이탈리아의 가브리엘레 베네치아노는 강한 상호작용의 결합세기를 서술하는 방정식을 찾다가, 해당 식이 오일러-베타 함수와 정확히 일치한다는 것을 확인한다. 이 식을 난부 요이치로, 홀거 닐센, 레너드 서스킨드 등 여러 학자들이 검토하여, 해당 식이 강력으로 상호작용하면서 서로 가까이 접근한 두 개의 끈이 잠시동안 진동하다가 다시 멀어지는 모양을 서술한다는 사실을 발견했다. 이 발견을 토대로 끈 이론이 등장했다.
이 당시에는 강한 상호작용에 대한 이론적인 설명이 주요 과제였고 중력이론에는 쓰이지 않았다.
1969년 레너드 서스킨드, 난부 요이치로 등이 베네치아노의 이론을 연구 중 우연히 중력자의 실존을 예측, 혹은 허용하는 수식을 발견했다. 자연엔 네 가지 힘. 즉, 전자기력, 중력, 강한 상호작용, 약한 상호작용이 있는데 이 힘들은 장에 의해 매개되고 매개입자인 게이지 보손이 필요하다. 전자기력을 매개하는 게이지 보손인 광자는 이미 발견되었지만 중력을 매개하는 중력자는 실험으로는 물론이고 이론을 통해서도 허용, 혹은 예측된 사례가 없었다. 그러던 중 끈 이론에서 중력장의 양자버전인 중력자를 서술하는 방식을 개발한다.
1971년 기존의 끈 이론은 추가 차원의 아이디어와 결합하여 26차원 시공간에서의 보손 끈이론으로 재탄생한다.
그러나 이후 강한 상호작용의 문제는 끈 이론이 아니라 양-밀스 이론을 바탕으로 한 양자색역학(QCD)을 통해서 해결된다. 강한 상호작용과는 관계없는 질량 0에 스핀 2인 불필요한 입자 및 질량이 허수인 타키온 문제까지 이론에 등장하면서 끈 이론은 버려졌다.
이후 표준 모형의 문제점이 부각되면서 끈 이론이 다시 인기를 얻기 시작했다. '표준 모형'은 양자전기역학, 약한 상호작용, 강한 상호작용 이론의 총집합이다. 하지만 표준 모형은 중력에 대해서는 아무것도 설명하지 않는 치명적인 결함을 가지고 있다. 물리학계에선 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합하려는 수많은 시도가 있었지만[7] 모두 치명적인 오류가 있어서 사장되었고, 학계는 점점 양자역학과 상대성이론의 통합에 회의적으로 변하게 된다. 표준 모형은 기본 입자를 점으로 간주하는데, 중력을 설명하기 위해서는 중력을 서술하는 데 필요한 일반 상대성 이론과 미시세계(양자론)를 서술하는 데 필요한 양자역학이 모두 필요하다. 그런데 일반상대성이론의 방정식과 양자역학의 방정식을 결합시키면 무한대의 확률이 등장한다.[8] 확률의 값은 0≤x≤1 사이에 있어야 하므로 이는 표준 모형의 치명적인 약점이었다.
나중에 끈 이론에서 나온 입자들 중에서 상술한, 불필요해 보였던 입자가 중력의 양자장 상태를 설명하는 질량 0, 스핀 2인 입자라는 것이 드러나면서 끈 이론이 부활했다. 그리고 또다른 심각한 문제 중 하나였던 타키온 문제는 후에 초대칭성을 도입함으로써 해결되었다.[9] 1980년대에 초대칭을 고려하면 무모순적인(타키온이 없는) 에너지 스펙트럼을 구성할 수 있음이 알려졌고, 이 경우 끈이 활동하는 World-Sheet의 타겟 시공간이 10차원임이 밝혀진다.
1980년대에 여러 사람에 의해 연구되었기 때문에 사용하는 수학에 따라서 서로 전혀 다른 형태의 초끈 이론이 나타났지만, 1995년 에드워드 위튼이 5가지 초끈 이론(+11차원 초중력이론)은 M이론의 다양한 극한이라는 것을 끈 이론 총회에서 발표함으로써 새로운 지평을 열었다. 원래 초끈 이론은 10차원이었지만, 나중에 에드워드 위튼이 끈결합상수와 관련된 계산에서 Duality(쌍대성)[10]라는 특수한 계산방식을 도입하면서, 숨겨졌던 차원이 하나 더 있다는 것이 드러났다.
인터넷에서는 초끈 이론과 패러렐 월드, 즉 평행이론과 연관시키기도 하는데 평행우주 이론보다는 다중우주 이론과 관련성이 더 크다. 평행 이론은 3차원 우주가 여러군데 존재하고 또 다른 "나"가 존재한다는 것이지만 이는 초끈 이론이 나타내는 세계와는 다르다. 1차원 세계, 2차원 세계, "우리가 존재하는 3차원 세계", 4차원 세계 등 여러 차원의 세계가 존재한다고 "가정"한 것이 다중 우주 이론이 관련성이 더 크다.
2023년에 지난 15년 동안 관측해온 펄서의 관측 데이터를 모두 종합한 결과 아인슈타인의 상대성 이론에서 예측되었던 Hellings-Downs Correlation(우주배경중력파로 인한 펄서의 신호의 지연시간에 관한 함수)과 일치하는 모습을 실측했다. 이 관측 결과를 설명하기 위해 여러 모델을 통해 교차 검증을 한 결과 초 거대질량 블랙홀, 인플레이션(급팽창) 이론, 우주론적 초끈 등을 모두 포함하는 모델을 적용했을 때 가장 잘 적용이 되는 것을 확인할 수 있었다. 이 관측적 증거만으로는 완벽하게 증명됐다고 볼 수 없지만 그 첫 발을 디뎠다는 점에서 의미가 있다.
4. 검증 방법
초끈 이론에서 제시되는 에너지는 너무 크다. 대략 플랑크 에너지[11] 수준을 요하는데, 어느 정도 에너지인고 하니... 현재 LHC에서 만들 수 있는 최대출력의 약 1019배의 에너지이다! 이 정도 수준의 에너지 영역을 탐사하는데 최소 태양계만한 크기의 입자가속기가 필요하다.이 때문에 초끈 이론을 간접적으로 검증하기 위한 여러가지 실험이 제안되었다. 아래의 가설들을 검증하면 초끈 이론을 간접적으로나마 검증하는 것이 된다.
4.1. 초대칭이론
초끈 이론은 초대칭 이론을 기반으로 한다. 따라서 초대칭이 존재하지 않는다면 초끈 이론은 성립하지 않는다. 초대칭을 찾으려는 노력의 대표적인 예가 LHC이다. LHC는 초대칭이론을 포함하여 다양한 이론을 검증하기 위해 만들어졌고 따라서 초대칭이론이 옳은 이론인지를 어느 정도 결론지을 것으로 예상된다. 그런데 현재 이것이 존재하지 않을 확률이 점점 높아지고 있다. LHC에서 초대칭 입자가 발견되지 않았기 때문인데... 힉스 보손 발견 이후 5년 동안 7천조 번의 양성자 충돌이 있었지만 초대칭 입자는 발견되지 않았다.4.2. 여분의 차원
초끈 이론은 여분의 차원을 가정하며 이들은 작은 공간에 말려 있을 것으로 예상된다. 하지만 여분의 차원 중 일부가 관측 가능할 정도로 크게 퍼져 있을 가능성이 제기되었다. 이를 관측한다면 초끈 이론을 간접적으로 검증하는 것이 된다. 여분의 차원을 검증하는 방법으로는 크게 세가지가 있다.첫 번째로 짧은 거리에서 중력의 세기를 측정하는 방법이 있다. 중력이 짧은 거리에서 역제곱 법칙이 성립하는지 확인하는 것이다. 초끈 이론에서 주장하는 여분차원이 있다면 중력이 영향을 미치는 공간이 더 많아지기 때문에 실제 중력보다 약해진다.[12] 이를 여분차원보다 짧은 거리에서 측정하면 원래의 중력크기를 알게되어 더 큰 계수가 측정될 것이다. 대략 0.1 mm 스케일까지는 중력의 역제곱 법칙이 성립한다는 것이 확인되었으나 그 이하의 스케일에 대한 중력의 측정은 도전 과제로 남아있다.
두 번째로 천체물리학이나 우주론적 증거로 검증하는 방법이 있다.
세 번째로 LHC같은 입자가속기를 통해 검증하는 방법이 있다. 흥미롭게도, 여분의 차원이 존재하면 가속기를 통해 블랙홀을 생성할 가능성이 있다. (물론 너무 조그마한 블랙홀이라 호킹 복사를 무시할 수 없을 것이다.) 그러나 실험 결과 이런 여분 차원을 지지하는 증거는 전혀 발견되지 않았다.
4.3. 우주끈
우주 초기의 끈이 우주의 급격한 팽창과 함께 매우 커다랗게 확대되었을 가능성이 있다. 이렇게 생겨난 거대한 끈을 우주끈이라 부른다. 우주끈이 불안정하다는 이론도 있으나 안정한 우주끈도 있다는 가능성이 제시되었다. 우주끈은 우주배경복사에 영향을 줄 것이므로 우주배경복사를 분석하면 우주끈이 있는지 확인할 수 있다. 플랑크 위성 연구팀을 포함한 여러 연구팀이 우주배경복사에서 우주끈을 찾고 있다. 또한 SDSS라는 우주를 관측하는 프로젝트를 통해서도 우주끈의 흔적을 찾고 있다. 플랑크 2013 데이터에서는 우주끈에 대한 아무런 증거가 없음이 확인되었다.링크우주끈은 고유 모드로 진동하면서 중력파를 생성할 것으로 예상된다. 우주에서 중력파를 검출하려는 계획인 LISA(Laser Interferometer Space Antenna) 프로젝트에서 우주끈으로 인한 중력파가 있는지 검증할 예정이다.
4.4. 인플레이션 모형
| 플랑크 위성 자료에 여러 인플레이션 모형을 비교해놓은 것 |
5. 논란
요즘 늙은 물리학자가 초끈 이론을 배격하면 바보 취급을 받기 십상이지요. 이론물리학계에 이러한 풍조가 만연한 걸 내 모르는 바 아닙니다. 하지만 바보 취급을 받는 한이 있어도 할 말은 해야겠어요. 초끈 이론은 완전히 엉터립니다! 이런 발언이 얼마나 위험한지는 잘 압니다. 내가 이런 말을 했다는 걸 후대의 역사가들이 분명히 기억해주길 바랍니다. 초끈 이론은 100% 허튼소리이고, 명백하게 잘못된 방향으로 가는 중입니다.
일단 초끈 이론은 아무것도 계산하지 못해요. 그런데도 초끈 이론을 연구하는 학자들은 자신의 아이디어를 검증할 생각조차 하지 않습니다. 이론과 실험이 완전히 따로 노는데도, 여전히 초끈 이론이 옳다고 주장합니다. '그' 이론에 의하면, 이 세상은 10차원 시공간[13]으로 이루어져 있다고 하더군요. 잘은 모르겠지만 여분의 6차원을 작은 영역 속에 구겨 넣는 방법이 있을지도 모르지요. 수학적으로는 가능합니다. 그런데 구겨진 차원의 수가 왜 하필 6개지요? 7개면 안 됩니까? 끈 이론학자들은 실험과 일치시키려는 의지도 없이, 그저 구겨진 차원의 개수를 맞추기 위해 방정식을 사용하고 있어요. 구겨진 차원이 8개이고 우리의 시공간이 2차원이면 안 될 이유가 있습니까? 그들의 이론에 의하면 이렇게 되지 말라는 법도 없지요. 그러나 이 세상이 4차원 시공간이라는 사실은 삼척동자도 다 알 정도로 명백하니까, 여분의 6차원을 없애려고 안간힘을 쓰는 겁니다. 사실, 관측 결과와의 불일치는 문제가 아닙니다. 정작 심각한 문제는 이론으로부터 아무것도 알아낼 수 없다는 점이에요. 정말이지 초끈 이론은 지나치게 관대한 대접을 받고 있습니다. 내가 아는 한, 결코 이런 이론이 진리가 되는 일은 없습니다.
- 리처드 파인만[14]
일단 초끈 이론은 아무것도 계산하지 못해요. 그런데도 초끈 이론을 연구하는 학자들은 자신의 아이디어를 검증할 생각조차 하지 않습니다. 이론과 실험이 완전히 따로 노는데도, 여전히 초끈 이론이 옳다고 주장합니다. '그' 이론에 의하면, 이 세상은 10차원 시공간[13]으로 이루어져 있다고 하더군요. 잘은 모르겠지만 여분의 6차원을 작은 영역 속에 구겨 넣는 방법이 있을지도 모르지요. 수학적으로는 가능합니다. 그런데 구겨진 차원의 수가 왜 하필 6개지요? 7개면 안 됩니까? 끈 이론학자들은 실험과 일치시키려는 의지도 없이, 그저 구겨진 차원의 개수를 맞추기 위해 방정식을 사용하고 있어요. 구겨진 차원이 8개이고 우리의 시공간이 2차원이면 안 될 이유가 있습니까? 그들의 이론에 의하면 이렇게 되지 말라는 법도 없지요. 그러나 이 세상이 4차원 시공간이라는 사실은 삼척동자도 다 알 정도로 명백하니까, 여분의 6차원을 없애려고 안간힘을 쓰는 겁니다. 사실, 관측 결과와의 불일치는 문제가 아닙니다. 정작 심각한 문제는 이론으로부터 아무것도 알아낼 수 없다는 점이에요. 정말이지 초끈 이론은 지나치게 관대한 대접을 받고 있습니다. 내가 아는 한, 결코 이런 이론이 진리가 되는 일은 없습니다.
- 리처드 파인만[14]
그러나 끈 이론학자들은 이론이 제대로 작동한다는 것을 아직 증명하지 못했다. 그들은 끈 이론으로부터 표준 모형을 도출해 내지 못했으며, 양성자나 전자와 같은 입자의 특성조차 서술하지 못하고 있다. 뿐만 아니라 끈 이론은 실험으로 검증 가능한 예견을 단 하나도 내놓지 못했다. 무엇보다도 심각한 문제는 끈 이론이 자연에 대한 기본적인 전제를 흔들어 놓는다는 점이다. 공간은 왜 9차원이어야 하는가? 이유는 간단하다. 다른 차원의 공간에서는 끈 이론이 성립하지 않기 때문이다.
끈 이론학자들이 이론으로부터 현실 세계를 설명하지 못하는 한 그들의 연구는 결코 '물리학'이 될 수 없다. 이런 사람들이 대학에서 연구비를 타내면서 감수성 예민한 학생들을 타락시키는 것을 방치해야 하는가? 오직 초끈 이론만 경험한 채로 갓 박사 학위를 받은 학생이 끈에만 매달릴 때 이들을 고용해야 할까? 끈 이론의 논의가 물리학과를 넘어 수학과나, 심지어 신학 대학의 영역을 도용하는 상황임에도? 바늘 끝에 얼마나 많은 천사들이 올라서서 춤을 출 수 있을지 논쟁했다는 이야기를 들어 보았는가? 그보다 1030배나 작은 꼬인 다양체 속에 얼마나 많은 차원이 존재하는가를 연구하겠다는 사람들을 어찌하란 말인가?
- 셸던 리 글래쇼
끈 이론학자들이 이론으로부터 현실 세계를 설명하지 못하는 한 그들의 연구는 결코 '물리학'이 될 수 없다. 이런 사람들이 대학에서 연구비를 타내면서 감수성 예민한 학생들을 타락시키는 것을 방치해야 하는가? 오직 초끈 이론만 경험한 채로 갓 박사 학위를 받은 학생이 끈에만 매달릴 때 이들을 고용해야 할까? 끈 이론의 논의가 물리학과를 넘어 수학과나, 심지어 신학 대학의 영역을 도용하는 상황임에도? 바늘 끝에 얼마나 많은 천사들이 올라서서 춤을 출 수 있을지 논쟁했다는 이야기를 들어 보았는가? 그보다 1030배나 작은 꼬인 다양체 속에 얼마나 많은 차원이 존재하는가를 연구하겠다는 사람들을 어찌하란 말인가?
- 셸던 리 글래쇼
나는 끈 이론을 '이론'이나 '모형'으로 부르고 싶지 않다. 그것은 일종의 '직감'에 지나지 않는다. 물리학 이론이라면 입자의 질량이나 전하를 계산하는 등 물리적 대상을 서술하는 정량화된 규칙이 있어야 하며, 그로부터 일어나는 현상을 예측할 수 있어야 한다. 내가 당신에게 의자를 준다면서 "다리는 아직 달지 않았습니다. 그리고 밑창과 등받이, 손걸이는 곧 배달될 것입니다"라고 한다면, 당신은 "의자를 받았다"고 말할 텐가?
- 헤라르뒤스 엇호프트
- 헤라르뒤스 엇호프트
끈 이론은 배경 시공간을 이루는 다양체 문제 때문에 완전히 실패한 이론이다. 예전부터 항상 그래 왔듯이, 끈 이론은 거시 스케일의 물리학을 설명하지 못할 뿐만 아니라 그 어떤 물리량도 예견하지 못한다. 거시적인 시공간의 차원과 기하학적 특성, 입자의 종류, 결합 상수 등을 이론적으로 결정할 수 없는 것이다. 끈 이론은 현실 세계와 관련하여 아무런 지식도 창출하지 못했으며, 아무런 예견도 하지 못했다. 사실 끈 이론은 아직 완성되지 않았기 때문에 학문적 가치 평가 자체가 무의미하며, 물리학 이론의 '후보' 명단에도 이름을 올리지 못한 상태이다.
- 대니얼 프리댄
- 대니얼 프리댄
초끈 이론을 열렬히 숭배하는 사람들도 M-이론의 'M'이 무엇의 약자인지 모른다. 심지어는 M-이론을 연구하는 학자 사이에서도 이 문제를 놓고 열띤 논쟁이 벌어지곤 한다. M은 어머니(mother)인가? 아니면 그들이 그토록 주장하는 막(membrane)을 의미하는가? 내가 보기엔, 자위(masturbation)가 그 뜻에 가장 어울린다.
- 주앙 마게이주
- 주앙 마게이주
물리학 이론이 '우아하다'는 칭찬을 들으려면 이론을 규정하는 방정식의 개수가 적어야 한다. 10개보다는 5개가, 4개보다는 1개가 더 우아하다. 그래서 혹자는 끈 이론이 더할 나위 없이 우아한 이론이라고 빈정대곤 한다. 지금까지 20년이 넘도록 연구되어 왔음에도 불구하고, 이론을 규정할 만한 방정식이 단 한 개도 발견되지 않았기 때문이다! 즉, 현재 끈 이론의 방정식 수는 0개이다. 이론의 근간을 이루는 방정식을 찾아내지 못했을 뿐 아니라, 정말 그런 게 존재하는지조차 확실치 않다. 그런데, 방정식이 없는 이론이란 대체 어떤 이론인가? 나도 잘 모르겠다. 어느 누군들 그렇지 않으랴?
- 레너드 서스킨드[15]
- 레너드 서스킨드[15]
오늘날의 많은 이론물리학자들은 모험적이고 자의적인 가설을 만듦으로써 새로운 이론을 찾고 있다. 나는 이런 방식의 과학하기가 좋은 결과를 가져왔다고 생각하지 않는다. 실험결과들은 마치 자연의 목소리로 말하고 있는 듯 하다. "새로운 장과 이상한 입자, 부가적 차원과 또다른 대칭, 평행우주, 끈 등등을 꿈꾸는 일을 그만하라"
- 카를로 로벨리
- 카를로 로벨리
이름만 이론일 뿐 사실 '초끈 가설'이라는 의견이 지배적이다. 이론이라는 이름은 입증이 완료되었을 때 붙는 것이다. 초끈 이론은 현재 아무것도 계산, 예측하지 못하고, 어떠한 실험적 증거도 없다.
초끈 이론이 아직 미완성인 데다가 무한한 답이 나오는 문제가 있는 것은 별도로 하더라도, 정확한 결과를 얻기 위한 에너지로 제시한 값이 LHC와 비교도 안 될 정도로 터무니 없이 높다. 이 초끈 이론이 맞는다는 것을 증명하려면 태양계만한 입자가속기가 필요하다. 블랙홀과 같은 대상을 통해서 증거를 모으려고 하는 듯. 때문에 구체적으로 실험을 해야 하는 실험물리학자들에게 초끈 이론의 대접은 굉장히 안 좋다. 실험 결과를 설명하는 물리에 충실했던 리처드 파인만은 말년에 "이런 식으로 나가는 초끈 이론은 절대로 맞을 수가 없다"라고 부정할 정도고,[16] 그러나 또다른 양자 중력 이론의 강력한 후보로 거론되는 루프 양자 중력 이론도 마찬가지인 상황.
이 문제에는 수학과 물리학의 차이도 관련되어 있다. 체계 안에서의 정합성만 따지는 수학과는 달리 물리학은 현실을 연구하기 때문에 현상을 설명하거나 예측해야 한다. 또한 수학적 추론으로 발견한 물리학적 진실들도, 그 기반은 실험 결과로 얻어진 경험과 귀납에 있다. 애초에 물리학적 발견으로 이어진 우아한 수학적 추론들 뒤에는, 물리학적인 것으로 이어지지 못한 수많은 수학적 추론들이 남겨져 있다. 그 점에서, 물론 근사한 수학적 아이디어를 동원한 과감한 이론임에는 분명하지만, 현실은 어떤 경험과학적 데이터도 없는 수많은 가설들 중 하나이다. 만일 현상을 설명하거나 예측하더라도 다른 이론 역시도 마찬가지라면[17] 결과는...
그러나 수학과 물리학의 차이라는 설명은 초끈 이론에 상당히 호의적인 평가이다. '동일한 현상을 예측한다면'이라는 표현과는 달리 초끈 이론은 실험으로 검증할 수 있을 만한 예측을 내놓은 적이 없기 때문이다. 위튼은 초끈 이론이 '실험으로 검증할 수 있는' 결과를 내놓을 수 있을 만한 여러 가지 연구방향을 제시하기는 했지만, 지금까지 결과물이 나온 바는 없다.
이처럼 미완성의 이론이며 또한 논란이 많다. 거만하고 쓸데없는 이론을 연구한다는 비난과 징징이 취급이 오가는 상황. 심지어 셸던 리 글래쇼는 "과연 대학은 초끈 이론을 연구하는 과학자에게 월급을 계속 줘야 하는가?"라고도 했다. 또한 "당신이 원한다면 초끈 이론을 종양이라 부를 수 있다."라고까지 이야기 하였다. 하버드 대학교의 교수였던 셸던 글래쇼는 동료 교수인 하워드 조자이(Howard Georgi) 등과 함께 하버드 대학교 물리학과에 초끈 이론 연구자들이 발을 들일 수 없게 하기 위해 부단히 힘썼으나 이러한 방해 공작은 결국 실패했다. 이후 하버드 대학교 물리학과에도 초끈 이론 연구자들이 대거 포진했다. 기존의 유효 이론가들(Effective Theorists)과 초끈 이론가들은 대체로 사이가 매우 나쁘다. 다만, 최근들어서 조제프 폴친스키, 휴 오스본과 같은 대가들 중심으로 유효장론과 초끈이론을 동시에 연구한 학자들도 존재한다.
아직까지는 초일류 대학일수록 끈 이론 학자들이 많긴 하다. 문제가 있다면, 새롭게 교수로 채용되는 끈 이론 학자들의 수는 0으로 수렴하고 있어 전망이 어둡다는 점이다. 초끈 이론 자체가 위에서 말했듯이 워낙 엄청나기 때문에[18] 실험은 둘째치고 사고실험조차 힘들다. 그렇기 때문에 한동안 새로운 이론이나 가설이 잘 나오지 않고 있다. 결국 초끈 이론 연구자들은 없을 수도 있는 이론을 있을 수도 있다는 희망을 가지고 연구하는 것이나 다름이 없다. 이것 때문에 연구하다가 아무것도 나올 기미가 없어서 그만 두는 경우가 왕왕 있다.
초끈 이론에 대한 부정적인 면을 다룬 책 중에 《초끈이론의 진실(Not Even Wrong)》이 있다.[19] 이 책은 초끈 이론과 그 역사적 배경 발달 과정을 여실히 보여주고 있다.
반면, 이 방면의 선구자 레너드 서스킨드는 자신의 저서 《우주의 풍경》 에서 사실 초대칭이 존재하면 생명이 위험할 것이며, 초대칭을 제외하고 M-이론에서 예견하는 10500개의 우주 중 우리가 생존 가능한 우주에 살고 있다는 인간 원리를 주장하기도 했다. 그렇지만 이는 M-이론에서 예견하는 결과물은 10500개에 달하는 만큼 실질적인 예측이 불가능하다는 말이다. 설사 인간원리를 적용한다고 해도 10500개의 결과물들 중에서 실제 우주에 들어맞는 것을 골라내는 것조차 가능하지 않다.
2010년대에 이루어진 LHC 실험 결과, 초끈 이론과 초중력 이론 등을 포함해 초대칭 이론의 입지가 위태로워지면서 기반이 싸그리 무너질 위기에 처했다.
이렇게 초끈 이론은 이론물리학이 아닌 실험수학이 아닌가? 하는 정체성의 혼란과 최근 경기불황으로 인해 초끈 이론 분야의 자금사정은 점점 나빠지고 있지만, 초끈 이론 자체가 폐기될 걱정은 아직 없다. 초끈 이론이 예측하는 초대칭 입자의 수가 셀 수 없이 많기 때문에 지금의 기술로 만드는 것이 불가능할 정도로 무겁다고 답하면 그만이기 때문. 이러한 임기응변식 전개가 바로 초끈 이론이 까이는 원인이기도 하다는 것이 문제다.
또한 정말로 그 끈이 가장 작은 단위라면, 그 끈을 관찰하기 위해서 더 작은 무언가를 사용하는 것이 불가능하기에 아예 관측이 불가능하며, 경우에 따라서는 관찰이 불가능한 부분에 대해서는 원래부터 없었다고 해도 된다. 러셀의 찻주전자와 비슷한 상황에 놓여있다는 말이다.[20] 수학적으로는 아무리 아름다워도 현재 이론상으로는 관측을 할 수 없으니 반증도 불가능하다. 하지만 근본적으로 과학의 연구라는 것은 불확실한 여러 가지 가능성을 탐구하는 것이기 때문에 그동안의 연구가 전혀 쓸데가 없었다고 폄하할 수는 없다. 또한, 초끈 이론이 수학에 미친 영향만 보더라도 헛되지 않았다. 이는 초끈 이론을 비판하는 물리학자도 인정한다.[21] 실제로 초끈 이론 대가 위튼은 수학계의 노벨상이라고 일컬어지는 필즈상을 받았다.
이러한 특징 때문인지 극단적인 경우에는 "대접받는 유사과학" 취급을 하기도 하지만, 엄밀히 말하자면 "대접받는 병적과학과 변경지대의 과학 사이의 어느 지점"에 있다고 하는 편이 더 어울린다. 사실 유사과학이라는 혐오섞인 평가는 그동안 이 이론에 투자된 노력들을 굳이 이야기하지 않더라도 부당한데, 최초 아이디어의 근사함에 매달리는 것이 병적 면모가 있기는 하나, 반대로 현재 해결되지 않는 중력 통합 문제에 대해서는 가장 그럴듯한 이론이기 때문에 포기할 수 없는 가설이기도 하다. 또한 수학적 근거가 반드시 물리학적 사실로 이어지지는 않더라도 수학적 추론이 물리학적인 아름다움으로 드러난 경우가 상당한 만큼, '수학적으로 엄밀하다'는 것은 그 수학적 아이디어들이 최소한 물리학적 경험근거에서 출발했다면 물리학적인 연구로 인정받을 만한 가치가 있다.
흔히 초끈 이론이 신생이론이기 때문에 실험적 증거와 미완성 상태를 변호하려는 시도가 있는데, 초끈이론은 이미 나온지 50년은 됐다. 그동안 초끈 이론은 어떤 실험적 증거도, 예측도 내놓지 못 했다. 더욱 나쁜 것은 초끈 이론학자들도 정확히 초끈 이론이 무엇인지 모르기 때문에 반증 자체도 될 수 없다. 양자 중력 이론에 가장 유력한 후보라고 하지만 우리가 사는 우주에서 어떻게 중력이 양자화 되는지 설명한 사람은 아무도 없다. 초끈이론이 수학에 지대한 영향을 끼친 것은 사실이지만 이는 초끈 이론이 과학이라는 주장과는 전혀 무관하다.
6. 교재 및 관련 자료
초끈 이론/교재7. 관련 인물
총 피인용수가 1만회 이상 넘는 석학들만 기입- 고안자
- 가브리엘레 베네치아노
- 난부 요이치로
- 홀거 닐센
- 레오너드 서스킨드
- 알렉산드르 폴랴코프
- 위상수학적 모델 연구자
- 에드워드 위튼
- 로베르트 다익그라프
- 나탄 자이베르크
- 미하일 그로모프
8. 각종 작품에서의 초끈 이론
- 와이랩의 웹툰 세계관 슈퍼스트링
특정 사이비 세력이 일으킬 전지구적인 재난에 대비하기 위하여 초끈 이론을 사용해 인류를 이주시킨다는 내용이 기본 세계관이다. - 빅뱅 이론(시트콤)
- 레너드와 레즐리 윙클의 결혼을 방해한 결정적 요인이 되었다. 레슬리 윙클은 루프 양자 중력 이론을 지지하지만 레너드는 난 세상이 끈으로 되어있으면 좋겠는데? 이야기하자 관계가 파토나버렸다. 사실 레너드와 레즐리 윙클의 사이를 못마땅하게 본 셸든 쿠퍼가 먼저 떡밥을 뿌린 것이다. 쉘든은 열렬한 초끈 이론 지지자, 연구자였기 때문이다. '애들은 어찌 키울 것이냐?'라는 레즐리의 질문에 '애들이 크면 스스로 이론을 선택하게 하자'라는 레너드의 답변이 백미. 종교 교육에 대한 문제를 빼다박았다.
- 최근 여러 실험결과들로 인해 입지가 좁아지고 있는 초끈 이론의 실제 상황을 극 중에 반영한 결과인지 2014년 4월 10일에 방영된 시즌7의 20번째 에피소드(The Relationship Diremption)에서 쉘든은 끈 이론을 포기하기로 결심하는 모습이 보인다.링크
- 오! 나의 여신님에서 공포의 대왕은 초끈(여기선 고리 형태)을 잘라 세계를 부순 후 자기가 원하는 모습으로 다시 창조하려고 했다.
- 판타지 소설 사이케델리아에서 주인공은 초끈 이론이라는 '기술'을 쓴다. 끈을 조작해서 세계를 창조한다.
- 클라나드에서는 이치노세 코토미의 부모님이 초끈 이론을 연구하고 있었다.
- 동방 프로젝트의 오리지널 앨범 설정인 비봉클럽의 우사미 렌코가 이 이론을 연구하고 있다고 한다.
- 날아다니는 스파게티 괴물교에서는 초끈 이론(Super-string Theory)이 아니라 초면 이론(Super-noodle Theory)이라는 이론이 언급된다.
- 메타녀에서는 천문부 내에서 '수퍼 스트링 이론(초 수예 이론)'을 주장하다 이단으로 취급된 이들이 갈라져나와 수예부를 만든다.
- 논논비요리 7화에서 미야우치 렌게가 우주랍시고 만든 실뜨기가 초끈 이론을 나타낸게 아니냐는 말이 나오고 있다.
- 천원돌파 그렌라간 TV판에서 안티 스파이럴과의 전투 중 11차원을 넘는다는 표현이 나온다. 초끈 이론의 11차원이라고 생각해야 할 듯.
- 스페이스 댄디에서 '우주 끈'이 종종 등장한다. 댄디가 건드리면 우주에 온갖 차원적 버그를 일으키는 원흉.
- 스타트렉에 등장하는 무기인 양자 어뢰가 초끈 이론을 응용한 무기다.
- 스파이더맨: 노 웨이 홈에서 지구-199999로 넘어온 지구-120703의 스파이더맨이 끈 이론과 다차원 현실과 물질 변위가 사실이었냐며 흥분한다.
- 신의 언어에서 령의 존재를 끈 이론과 대입시켜서 연구하는 등장인물이 있음.
- 레사에서 빛의 사자, 별의 다이몬, 신이 존재하는 세계인 외부 세계를 미에나가 초끈 이론에 대입시켜서 이해한다.
- 잘 자, 푼푼에서 페가수스가 주창하는 이론.
- 무한의 마법사에서 판타지 소재로 다루고 있다.
- 전생검신에서는 태허즉기, 즉 기가 흩어진 모양이 태허인데, 이 태허는 마치 끈처럼 생겼다고 한다.
- 어벤져스: 엔드게임에서 시간여행을 할 때 핌 입자를 이용해 입자보다 작아져서 끈처럼 이어진 터널을 지나 시간여행을 하였다.
- 데스티니 가디언즈의 7번째 확장팩 빛의 추락에서 등장하는 신규 하위직업 초월의 테마가 해당 이론에서 강한 영감을 얻은 것으로 보인다.
9. 관련 문서
- 기본 상호작용
- 기본 입자
- 모든 것의 이론
- 양자역학
- 상대성 이론
- 매듭이론
- 통일장 이론
- 초대칭
- 루프 양자 중력 이론
- M이론
- 난부 요이치로
- 알렉산드르 폴랴코프
- 에드워드 위튼
- 브라이언 그린
- 우주론
- 프리온(물리학)
- 다중우주
[1] 쿠르츠게작트의 영상.[2] 이 때문에 인터넷을 뒤지다 보면은 '우주 만물은 끈의 진동이다'와 같은 것을 볼 수 있다.[3] 가속 튜브가 길면 더 큰 에너지의 입자를 만들 수 있다. 입자의 에너지가 크면 세부구조를 더 자세히 관찰할 수 있음을 기억하자.[4] 해당 끈으로 이루어진 입자의 양자적 특성을 결정한다.[5] 해당 끈으로 이루어진 입자의 질량을 결정한다. 끈의 진동수가 클수록 질량도 커짐.[6] 음악으로 비유하자면, 끈의 진동패턴은 음의 맵시이고, 끈의 진동수는 음의 높이로 볼 수 있다. 음의 진동수가 클수록 단위시간당 전해지는 에너지가 높은 것으로 이해하면 된다. dB[7] 많은 사람들이 양자역학과 특수 상대성 이론도 통합되지 못했다고 착각하는데, 이는 매우 성공적으로 통합되었다. 리처드 파인만, 도모나가 신이치로, 줄리언 슈윙거가 만들었고, 프리먼 다이슨이 정리한 양자전기역학이 바로 이 통합의 직접적인 산물 중 하나이다. 어차피 전자기 이론을 제대로 다루기 위해 특수 상대성 이론이 필수적이라는 사실을 유념하자.[8] 내부 사정은 더 복잡하다. 사실 양자전기역학을 계산할 때에도 PDF의 발산으로 똑같은 무한대 확률이 등장한다! 하지만 이걸 수학적으로 슬그머니 치울 수 있는(cutoff) 기법이 있다. 소위 재규격화라고 불리는 기법이다. 물론 QED가 말도 안 되는 성공을 거두었고 이에 대한 나름 설득력 있는 물리적인 해석도 있기에 별로 태클 거는 사람이 없다. 그런데 이 재규격화가 하필 일반 상대성 이론의 중력에서는 무용지물이 된다는 것이다. 스칼라 곡률에서 나오는 발산을 재규격화로 제거해도, 곡률로부터 나오는 발산은 여전하기 때문이다. 이것은 현재 물리학자들이 마주하고 있는 문제이기도 하다. 하지만 1990년대 이후로, 곡률 자체나 곡률에 곱해지는 성분들(커플링, 장등)을 바일 변환등을 활용해 국소적인 영역으로 나타내어 재규격화군 방정식(RGE)으로 정리하려는 시도가 학계에서 소개되고 있다.[9] 출처:엘러건트 유니버스 - 브라이언 그린 작[10] Duality는 다른 물리계의 현상들이 비자명한 방법으로 동일하게 된다는 것이다. 즉 어떤 두 이론들이 Duality에 의해 관련이 있게 될 때, 한 이론이 다른 방식으로 전환될 수 있어, 결국 다른 이론처럼 보인다. 상황에 따라 Duality는 여러가지가 존재하는데, 흔한 2가지 Duality는 S-Duality와 T-Duality이다.[11] 운동에너지가 플랑크 에너지(~1956MJ)에 달하는 소립자간 충돌이 필요하다는 의미다. 소립자당 운동에너지가 플랑크 에너지 수준이 되는 환경을 온도로 환산한 것이 플랑크 온도이다. 플랑크 온도는 흑체복사의 파장이 플랑크 길이가 되는 온도로서 1.417×1032K의 온도이다. (태양 중심부 온도의 약 1025배)[12] 여기서 말하는 짧은 거리는 중력의 역제곱 법칙이 깨질 것으로 추측되는 거리 스케일을 말하며, 플랑크 단위까지 짧아지지는 않는다. 만약 플랑크 단위까지 짧아지면 중력의 계층성 문제가 완전히 사라지기 때문에 중력이 엄청나게 강해진다. 정리를 하자면 계층성 문제가 말해주듯이 중력은 다른 힘들보다 약한데, 이게 여분 차원 때문이라면 매우 짧은 거리에서는 역제곱 법칙이 깨져 중력이 더욱 약해질 것이다. 하지만 플랑크 스케일까지 거리가 극도로 짧아지면 계층성 문제가 완전히 사라지게 되어 다른 힘처럼 중력도 엄청나게 강해진다.[13] 현재의 초끈 이론은 11차원 시공간[14] 파인만은 끈 이론의 창시자 중 한 명인 존 슈바르츠와 마주칠 때마다 “이봐, 존! 오늘은 몇 차원에서 살고 계신가?” 라고 말하며 놀려먹었다고 한다.[15] 이상의 내용은 '초끈 이론의 진실'(피터 보이트(Peter Woit) 저/박병철 역)에 실린 내용이며 여기에서 재인용[16] 파인만은 양자색역학에 대해서도 처음엔 부정적이었다. 그러니 파인만이 한 번 부정했다고 해서 무조건 맛이 간 이론이라고 할 순 없지만, 초끈 이론은 정말 검증이 전혀 안 되어 있어서 문제긴 하다.[17] 굳이 오컴의 면도날을 들먹이지 않더라도, 똑같은 정확도를 가진 두 이론이 하나는 쉬운데 하나는 머리가 깨질듯이 어렵다면, 어려운 쪽 이론은 당연히 사장된다. 그리고 끈 이론은 정확도에 대한 검증 자체가 된 적조차 없다.[18] 물질들을 이루는 입자들과 자연계의 4가지 힘인 전자기력, 중력, 강한 상호작용, 약한 상호작용을 모두 포함해서 설명하는 이론이다보니, 그에 따라 방정식도 어마무시하게 복잡해져서, 현재까지도 근사치로 얻은 수식들밖에 없다...[19] 원제 Not Even Wrong은 물리학자 볼프강 에른스트 파울리의 발언에서 모티브를 따왔다. 직역하자면 '아예 틀리지조차 않았다', 즉 과학적으로 의미가 있는 것이 아니기 때문에 옳고 그름을 논할 필요조차 없다는 뜻이다.[20] 엄밀하게는 다른데, 러셀의 찻주전자 혹은 스파게티 신은 수학 같은 어떤 근간 체계도 요구하지 않기 때문이다.[21] 초끈 이론을 구성하는 방정식이 너무 방대한데다가, 기본적으로 매우 높은 차원을 기반으로 하는 수학의 각종 분야들이 복잡하게 얽히고 설켜있기 때문에, 초끈 이론을 규명하기 위해서 각종 수학적 테크닉이 발달했다. 특히 현대 물리학은 기본적으로 위상수학과 밀접한 관계가 있는 데다가, 양자역학이 리만 가설과 연관이 있다는 실질 추론까지 등장한 판이라 현대 물리학이 수학과 이별하는 일은 결코 없으며, 이론물리학이 심화될수록 수학의 신규 테크닉의 개발도 끊이지 않을 전망이다. 실제로 21세기의 수학 난제인 7개의 밀레니엄 문제중에서 2개(양-밀스 질량 간극 가설, 나비에-스톡스 방정식의 해의 존재와 매끄러움)가 물리학(각각 양자역학, 유체역학)을 베이스로 하는 문제이며, 아직 증명의 실마리도 보이지 않은 게 특징.