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끈이론(영어: String theory) 또는 초끈이론은 모든 기본 입자가 근본적으로는 0차원 점이 아니라 진동하는 1차원 끈으로 이루어져 있다고 간주하는 물리학 이론이다. 이에 따르면 각양각색의 기본 입자들의 특징은 진동하는 끈의 다양한 패턴에서 나오는 결과물이다.

1 개요

끈이론은 여태까지 인류가 발견한 네 가지의 기본 상호작용이라는 힘들을 통합하려는 시도에서 시작되었다. 1960년대 말에 강입자의 움직임에 대한 연구를 하는 과정에서 나온 이론이 사실 입자가 여러 차원에 걸쳐 진동하는 끈을 나타내는 이론이라는 것이 여러 물리학자들에 의해 밝혀졌다. 이 이론은 당시에(그리고 지금까지) 발견되지 않았던 중력자라는 중력을 매개하는 입자의 존재를 예측했기에, 과학자들은 이 이론이 다른 힘들과 이질적인 중력을 하나로 합칠 수 있는 실마리라고 생각했다.

이러한 끈이론의 존재의의는 네 가지 기본 상호작용을 합치는 것뿐만이 아니라, 20여 종에 가까운 기본 입자들이 사실 모두 진동하는 1차원 끈으로 이루어졌다고 설명하는 것이기도 하다. 우주에 존재하는 근본적인 하나의 힘을 설명하는 동시에, 모든 입자가 근본적으로 동일하다는 설명이 나오는 것이다. 과학자들은 가급적 보편적으로 적용되는 이론을 선호하는 경향이 있기 때문에 끈이론의 인기는 상당한 편이다.[1]

단, 끈이론은 어떤 실험적 증거도 없으며, 또한 아무것도 예측하지 못하며, 아이디어를 지키기 위해 편의적으로 이론을 구성하는 면모가 있어 그 비판 역시 상당한 편이다. 이론물리학 분야에서 가장 인기 있는 학문이기도 했으나, 시대가 지남에 따라 점점 입지가 좁아지고 있다.

2 왜 모든 것의 이론의 후보인가?

틀:참조 현재 물리학 최대 문제는 상대성이론양자역학의 공존이다. 양자역학에서 다루는 미시세계에서는 상대성이론의 중력을 사용할 수 없다. 그리고 계산하기만 하면 무한대가 나온다. 그런데 끈이론이 그 문제를 해결해줄 수 있을 것으로 보인다. 끈이론이 완성된다면 한 줄의 수식으로 우주의 모든 것, 우주의 탄생 또는 그 전, 그리고 우주의 미래까지 나타낼 수 있을 것으로 기대된다. 트리다이어그램의 탄생

물리학에서 무한대라는 결과가 나온다는 것은 그 이론이 잘못되었다는 것을 나타내는 증거라고 할 수 있는데, 현시대의 주요 물리학 이론인 상대성이론과 양자역학은 통합을 시도할 경우 무한대라는 결과를 내뱉는다. 간단하게 이야기해보자면, 상대성이론이 설명하는 중력은 거리가 가까워질수록 강해지는데, 양자역학이 다루는 미시적인 영역에서 두 입자 사이의 간격이 가까워지면 가까워질수록 중력이 강력해져서 무한대가 되어버린다는 식이다.

하지만 끈이론에서는 모든 것이 1차원의 끈으로 이루어졌다고 주장한다. 기존의 이론과 차이점이 뭐냐면, 0차원 점은 길이를 갖지 않지만 1차원 끈은 길이를 갖는다는 것이다. 1차원 끈의 길이는 플랑크 길이라는 최소단위의 길이를 가지며, 그보다 작은 크기는 의미가 사라진다. 끈이론에 의하면 입자와 입자가 아무리 가까워져봐야 플랑크 길이 정도의 거리를 두게 되고, 이렇게 되면 무한대 문제가 발생하지 않는다.

3 초끈이론이 예상하는 세계

3.1 말린 차원

초끈이론은 일단 이 세계가 9차원 세계라고 예상한다. 현재 우리는 가로 세로 높이의 세 방향이 직교하고 있는 3차원 세상을 느낄 수가 있다. 그러나 저 외에 움직일 수 있는 방향(기존의 방향과 직교해야 한다)6개가 더 숨어있다 한다. 숨어 있다는 건 무슨 소리일까? 그 예로는 전깃줄의 개미가 있다. 우리는 전깃줄에서 앞과 뒤로만 움직일 수 있다(1차원 운동만이 가능하다) 8 하지만 전깃줄을 예쁜태연 하게 걸어다니는 개미들의 움직임을 관찰해보자. 개미는 전깃줄을 2방향으로 이동할 수 있다. 전깃줄이 말린 방향으로도 움직일 수 있다는 소리다. 우리에게는 전깃줄은 1차원 운동만이 가능한 장소이지만 개미는 세로, 그리고 둥글게 말린 전깃줄을 따라 가로 방향으로도 움직일 수 있다. 즉, 2차원 운동을 할 수 있다. 그 말린 전깃줄을 따라 이동하기에는 우리 발이 너무 크므로 우리에게는 전깃줄은 1차원 운동만이 가능하다. 이런 식으로 우리가 느끼지 못하는 이른바 '말린 차원' 우주공간 내에 숨어서 하나의 여분 차원을 이룰 수 있다고 초끈이론은 주장한다.

3.2 막이론

우리가 어째서 상위 차원으로 이동할 수 없는지 설명해주는 이론이기도 하다. 끈의 종류에는 열린끈과 닫힌끈이 있다. 열린끈은 끝과 끝이 있는 끈이고, 닫힌 끈은 노란 고무줄처럼 생긴 끈들이다. 기타를 생각해보자. 기타의 줄은 열린끈의 모양이라고 할 수 있다. 근데 이 기타줄이 진동하기 위해서는 끈의 끝과 끝이 판에 고정되어 진동한다. 이처럼 열린 초끈도 진동하기 위해서는 끝과 끝이 어딘가에 붙어 있어야 하는데 이 고정판을 막(膜, 영어: Brane)이라고 한다. 이 막은 우리가 생각하는 2차원 모양이 아닌 3차원 그리고 고차원의 형태도 취할 수 있다. 그리고 이 막은 우주 전체에 펼쳐저 있다.

4 그 끈이 입자를 만드는 방법

기본적으로 끈이 열려 있냐 닫혀 있냐, 끈이 어떻게 진동하느냐에 따라 입자의 종류가 달라진다. 정지파의 모양처럼 진동을 하게 되는데 이때 진동을 하지 않는 마디부분의 개수에 따라 종류가 달라진다.

4.1 닫힌끈

끝과 끝을 연결한 동그란 끈의 모양(노란 고무줄 같은 거)를 상상해보아라. 그 모양이다. 막에 붙을 끝이 없기 때문에 막을 떠나 고차원으로 이동 가능하다.
중력자 마디는 1개

4.2 열린끈

끝과 끝이 있는 끈이다. 줄다리기용 줄을 떠올려보아라 그런 모양이다.
막에 붙는 끈이 있기 때문에 끝과 끝이 막에 붙은 상태에서 미끄러지듯이 이동한다. 막에서 떨어질 수 없으므로 고차원으로 이동할 수 없다.
광자 마디 1개
우리 주변물질을 이루는 웬만한 모든 입자들

5 끈이론이 증명되기 위해 필요한 증거들

끈이론은 아주 작은 세계이기 때문에 실험이 불가능하다. 하지만, 과학자들은 지금도 증거를 찾기 위해 노력하고 있다.

5.1 우주끈

보통의 은하에 의한 중력 렌즈 현상과는 다른 중력 렌즈 현상이 관측되어야만 한다. 끈이론을 지지하는 과학자들은 이 현상이 일어난다면 그 이유는 빅뱅 때 만들어진 끈이 떠돌아다니다 여러 작용에 의해 길이가 겁나게 길어진 우주끈에 의한 것이다. 따라서 우주끈의 존재가 중력파로 검출된 것이라고 주장한다. 물론, 아직까지 중력파는 검출되지 않았다.

5.2 여분차원으로 사라지는 입자들

오늘도 스위스의 CERN의 LHC에서는 애꿎은 입자들을 교통사고 낸다. 충돌시 검출되었던 원자들이 사라지는 입자 소실 현상이 관측되어야 여분 차원이 존재한다는 주장이 설득력이 생긴다. 물론, 아직까지 여분 차원은 물론이고, 입자 소실 현상 또한 관측된 바 없다.

5.2.1 빛은 갈 수 없지만 중력은 갈 수 있는 곳

다른 차원으로 날아가 버릴 수 있는 입자들 중 하나로는 중력자가 있다. 중력자는 닫힌 끈이기 때문에 3차원 막에서 떨어져 움직일 수 있다. 다만, 아직까지 중력자는 발견되지 않았다.

  1. 물론 단순히 그런 걸 선호한다는 이유로 과학자들이 막무가내로 끈이론을 선호하는 것은 아니다. 그들은 끈이론이 상당히 설득력 있는 이론이기 때문에 끈이론을 지지하는 것이다. 모든 과학자들이 거기에 동의하는 것은 아니지만.