실마리를 찾아가는 현대적인 방법 두 가지가 있는데, 모형 구축과 새로운 고에너지 물리학인 끈 이론을 살펴볼 것이다.
끈 이론은 특정한 이론에서 보편적인 예측을 이끌어 내려고 하는 반면,
모형 구축은 특정한 물리학 문제의 해법을 먼저 찾고 그로부터 이론을 세우려고 한다.
이 두 방법은 동일한 문제에 대한 답을 찾고 있지만, 접근하는 방식이 다르다.
여분 차원에 대한 최근의 연구가 이 두 방법을 어떻게 성공적으로 결합시켰는지 살펴보자.
모형 구축
양자 역학, 상대성 이론 및 표준 모형에 포함되어 있는 원리들도 우리의 상상력을 자극하지만, 오늘날의 물리학자들을
사로잡고 있는 첨단의 생각에 비하자면 겉핥기 수준에 머물고 있다.
기존 이론의 결함은 우리에게 새로운 무언가가 필요하다는 것을 일깨워 주었다.
기존 이론의 결함은 더 정확한 실험으로 분명한 모습을 드러낼 새로운 물리 현상의 전조이다.
입자 물리학자들은 기본 입자들이 어떻게 움직이는지를 설명해 주는 자연 법칙을 찾기 위해 노력한다.
물리학자들이 생각하는 ‘이론(theory)’은 기본 입자와 기본 입자를 규정하는 물리 법칙으로 이루어진다.
물리학자의 간절한 바람은 모든 관측을 설명해 주는 이론, 그것도 가능한 한 최소의 규칙과 근본 요소를 포함하는 이론
이다.
그리고 어떤 물리학자들의 궁극 목표는 바로 단순하면서도 우아한 ‘통일 이론(unifying theory)’이다.
그러한 통일 이론은 모든 입자 물리학 실험에 대해 예측치를 내놓을 수 있을 것이다.
통일 이론에 대한 탐색은 원대한 지적 과제다.
입자 물리학자들은 두 가지 대조되는 방법으로 이론과 관측을 결합하고자 노력한다.
일부 이론가들은 ‘하향식(top-down) 접근법’을 취한다.
이들은 정확하다고 믿는 이론에 근거하여 관측 결과를 유추함으로써 이론을 우리가 관측하는 더 무질서한 세계와 연관
시킨다.
반면 모형 구축자들은 ‘상향식(bottom-up) 접근법’을 취한다.
이들은 관측된 기본 입자와 그 상호작용을 연결함으로써 그 밑에 놓인 이론을 이끌어 내고자 노력한다.
즉 실제 물리 현상에서 실마리를 찾고자 한다.
두 접근법 모두 장단점이 있으며, 어느 방법이 물리학 발전을 위한 최선의 길이라고 딱 잘라 말할 수 없다.
두 접근법의 대립이 흥미로운 까닭은 이를 통해 매우 다른 두 과학 연구 방식이 드러나기 때문이다.
이러한 차이는 오래전부터 과학 논쟁의 발단이 되어 왔다.
당신은 더 근본적인 진실로부터 통찰을 얻으려는 플라톤적 방법을 따를 것인가, 아니면 경험적 관측에 뿌리를 둔 아리
스토텔레스적 방법을 따를 것인가? 하향식 접근을 취할 것인가, 아니면 상향식 접근을 취할 것인가?
이 선택은 아마도 ‘젊은 아인슈타인 대 늙은 아인슈타인’에 비유할 법하다.
청년 시절, 아인슈타인은 실험과 물리적 현실성에 근거를 둔 연구를 진행했다.
일반 상대성 이론을 개발할 때 수학의 가치를 배운 후 아인슈타인은 연구 방식을 바꾸었다.
그는 자신의 이론을 완성하기 위해서는 수학적 접근이 필수라고 생각했다.
이후 아인슈타인은 더 이론적인 방법을 사용하게 되었다.
하지만 아인슈타인의 예는 두 접근법 중에 어느 것을 선택할 것인가 하는 문제를 해결하는 데에 그다지 도움이 되지
않는다.
아인슈타인은 일반 상대성 이론에 수학을 적용해 성공을 거두었지만, 통일 이론을 찾아내기 위한 인생 후반기의 수학적
접근은 열매를 맺지 못했다.
아인슈타인 연구에서 드러나듯, 과학적 진실의 유형도 다르고 그것을 찾아내기 위한 길도 다르다.
끈 이론이 처음 두각을 나타내기 시작했을 때, 입자 물리학계는 뚜렷이 양분되었다.
끈 이론은 자연의 가장 근본적인 요소가 입자가 아니라 끈이라는 가정에서 출발한다.
격국 우리가 관측하는 여러 입자는 진동하는 끈의 결과물이 된다.
끈도 다양한 진동 방식을 통해 여러 입자를 만들어 낸다.
끈 이론이 지지를 받은 것은, 물리학자들이 양자 역학과 일반 상대성 이론을 하나로 통합하며, 거리가 아주 짧은 규모의
세계를 기술할 수 있는 이론을 찾고 있었기 때문이었다.
많은 사람들이 보기에 끈 이론은 양자 역학과 일반 상대성 이론을 통합할 수 있는 가장 유망한 이론이었다.
문제는 끈 이론이 다루는 에너지 범위가 현재 우리가 실험 가능한 수준의 1조 배의 1000만 배에 이른다는 점이다.
그러나 우리는 아직까지도 입자 가속기의 에너지가 현재보다 10배만 증가해도 어떤 결과가 나올지 전혀 예측할 수 없다.
지금 우리는 끈 이론에서 세계를 기술하는 데 필요한 예측값을 유도해 내는 것을 가로막는 거대한 이론적 장벽에 부딪혀
있다.
끈 이론이 기술하는 대상은 극도로 작고 극단적으로 높은 고에너지 상태에서 존재하는 까닭에 가능한 기술을 총동원해
어떤 검출기를 만들더라도 그것을 관측하기는 힘들어 보인다.
끈 이론의 결과물과 예측값을 얻어내는 것도 수학적으로 어마어마하게 어려운 문제이지만, 끈 이론의 구성 요소들을
어떻게 구성할지, 어떤 수학적 문제를 풀어야 할지도 분명하지 않다.
끈 이론의 수풀 속에서 길을 잃어버리기는 너무나도 쉽다.
끈 이론의 기본 요소를 어떻게 배열해야 할지 아직 확정이 안되어 있기 때문에, 이 배열에 따라 예측되는 입자 또한 달라
진다.
몇가지 추측에 가까운 가정이 없다면, 끈 이론은 우리가 실제 관측하는 것보다 훨씬 많은 입자와 힘 그리고 차원을 내놓게 된다.
이 여분의 입자, 힘, 차원이 보이지 않은 이유가 무엇인지 알아야 하는데, 끈 이론의 특정한 배열을 선호하는 물리적 특성
이 어떤 것인지 모르고 있고, 심지어 우리 세계에 부합하는 단 하나의 끈 이론을 어떻게 찾아야 하는지조차 모르고 있다.
끈 이론의 예측값을 현실 세계에 부합시키기 위해 이론가들은 입자를 없애거나 차원을 접어 감추면서 불필요한 조각을
잘라내야 했다.
이런 과정을 거쳐서 어떤 입자들을 가까스로 현실에 가깝게 기술할 수 있게 되었지만, 그렇다 해도 딱 들어맞는 것은 아니다.
끈 이론은 매력적이지만 아직 해결해야 할 근본 문제를 잔뜩 안고 있다.
이러한 상황에서 표준 모형을 넘어서는 더 나은 방법이 바로 지금부터 설명할 모형 구축이다.
입자 물리학에서 말하는 모형은 표준 모형의 기초가 되는 대안적 물리학 이론을 뜻한다.
산의 정상을 통일 이론이라고 하면, 모형 구축자는 잘 알려진 탄탄한 물리학 이론으로 구성된 산 기슭과 새로운 아이디어
들이 모두 통합되어 있는 통일 이론이라는 높은 산봉우리 사이를 연결하는 길을 만드는 개척자이다.
끈 이론의 매력과 참된 이론으로서의 가능성을 인정하더라도, 모형 구축자는 정상에 도달했을 때 어떤 이론을 만나게 될지에 대해서 끈 이론가들만큼 처움부터 확신하고 있지는 않다.
이론의 의미를 온전히 이해한다고 해도 이론은 다른 방식으로 전개될 수 있어서 우리가 사는 실제 세계에 대해 서로 다른
물리적 예측을 내놓을 수 있다.
이론이 다르면 전제나 물리학 개념이 달라지는 것처럼 이론이 취하는 길이와 다루는 에너지 범위도 달라진다.
모형은 이렇게 서로 다른 이론의 차이를 식별할 수 있게 해 주는 수단이다.
모형 구축자는 표준 모형의 미해결 과제에 초점을 맞추고, 기존 이론의 구성 요소를 통해 표준 모형의 불완전한 부분을
메워 나간다.
모형 구축이라는 접근법은 끈 이론이 관측 가능한 에너지를 엄청나게 넘어서는 영역에 대해서만 명확하게 예측할 수
있다는 직감에서 힘을 받고 있다.
모형 구축자들은 한 번에 모든 것을 유추해 낼 수는 없다는 실용적인 생각을 채택한다.
끈 이론에서 결과물을 이끌어 내는 대신에, 물리학 이론의 어떤 요소가 알려진 관측값을 설명할 수있을지 또 실험에서
밝혀진 것들 사이의 관계를 드러낼 수 있을지를 알아내는 데 주력한다.
물리학은 가능한 한 적은 가정으로 가능한 한 많은 물리량을 예측하려고 애쓴다.
예를 들어 물리학자들은 온도와 압력을 완전히 이해한 상태가 아니라 어느 정도 이해한 상태에서 그것을 열역학에 적용
하여 엔진을 고안해 냈다.
더 근본적인 미시 수준에서 온도와 압력이 다수의 원자,분자의 불규칙한 운동의 결과임이 밝혀진 것은 그보다 한참 뒤
의 일이었다.
끈 이론가와 모형 구축자는 이론과 관측 가능한 세계를 연결해 줄 다루기 쉽고 우아한 길을 탐색한다는 점에서는 같다.
산기슭에서 출발하는 모형 구축자는 출발점이 잘못된 가능성이 높은 반면, 정상에서 출발하는 끈 이론가는 깎아지른
벼랑 끝을 헤메다 베이스캠프로 돌아가는 길을 잃어버릴 가능성이 높다.
끈 이론가와 모형 구축자는 모두 우주의 언어를 찾고 있다.
앞으로 다룰 여분 차원 이론의 아름다움 중 하나는 바로 이러한 양쪽 진영의 생각을 결합시켜 만든 것이라는 점이다.
끈 이론가의 문법 지식과 모형 구축자의 어휘가 한데 모여 꽤 그럴듯한 회화책이 씌어지고 있다.
(Proudly powered by WordPress)