[스크랩] 영화 "인터스텔라" 관객을 위한 참고자료 총정리 2편 - 5차원과 초끈이론 M이론

[손오공(대구)]

안녕하세요

 5차원과 초끈이론 M이론은 정말 1편은 비교도 안되게  머리가 복잡하네요 ㅎㅎ

핵심은 미시적 세계인거 같습니다

고수님들께서는 헛점 좀 많이 지적해주세요

이 미시적 세계는 1편의 양자물리학에서도 잠시 언급되었지만 인간의 정신세계와 밀접하게 관련있을지도

모르겠다는 추측을 해봅니다

모든 만물은 고유한 주파수들이 있다고 하고 이것은 파동성과 관련있으니

정신세계에서 미시적세계인 파동성으로 접근할수 있지 않을까 싶네요

도인들이 수련을 통해 미래도 보고 예언도 한다고 하는것이 이런것일까요?

천재 송유근군이 초끈이론에 관심 있다는데 훗날 명쾌히 해답을 제시해 주었으면 하는 바램입니다

초능력자들도 실존한다고하니 이들은 우리 뇌를 조금더 활용하여 미시적세계까지 아우러는 5차원의 힘을

사용한다고 볼수도 있겠네요

그럼 1편과 2편을 참고하시어 인터스텔라 즐거운 관람 되시기 바랍니다 ^^

출처 : 사이언스북스 블로그

         정운 가족

ⓒ pixabay

<인터스텔라>는 과학적인 지식이 없어도 재미있게 볼 수 있는 SF영화입니다.

하지만 영화를 보고 오신 분들 중에는 그 속에서 나오는 과학이론에 관심을 가지며 영화 속 숨겨진 메시지나

정보를 찾기 위해 과학공부를 하고 있는 분들도 꽤 많은 듯 합니다.

<인터스텔라>에서는 5차원의 개념이 나옵니다.

5차원 관련 대표 과학자는 바로 하버드 대학교 교수이자 물리학자인 리사 랜들 일 겁니다.

리사 랜들 ⓒ wiki

우리의 감각은 오로지 커다란 3차원만 경험할 수 있기 때문에, 무한한 여분 차원은 믿기가 어렵다.

하지만 보이지 않는 무한한 차원은 우주에 존재할 수 있는 수많은 기이한 가능성 중 하나이며,

왜 그러한지를 앞으로 이 책에서 보게 될 것이다.

─ 리사 랜들, 『숨겨진 우주』

리사 랜들은 3차원 세계는 5차원 막(브레인)에 매달린 물방울과 같다는 이야기를 합니다.

조금 더 쉽게 말해서 우리가 살아가는 세상은 샤워 커튼에 매달린 물방울처럼 5차원 막에 매달려 있으며,

중력은 5차원 세계에서 작용하는 힘일지도 모른다는 것입니다.

그러면서 아래와 같은 모형을 제시합니다.

여기서 말하는 끈은 흔히 생각하는 눈에 보이는 끈이 아니라 더 이상 세분화할 수 없는 최소의 단위를 말합니다.

이전에는 세상을 구성하는 최소 단위를 하나의 '점'이라고 보았으나 끈이론에서는 1차원 끈이라는 가설을 내세웁니다.

 물론 아주아주 작으니 끈처럼 보이기는 커녕, 육안으로 확인할 수도 없겠죠.

끈이론에서는 끈의 진동에 따라 갖게 되는 에너지나 질량, 가지게 되는 힘 등 물리적인 성질이

결정이 된다고 주장합니다.

ⓒ pixabay

이 끈이론은 자연계에서 나타나는 4가지의 힘인 약력, 강력, 전자기력, 중력을 설명하기 위한 시도에서부터

시작이 되었는데요. 그 중 약력, 강력, 전자기력은 3차원에서 이론적으로 설명이 되는 힘이지만

중력은 3차원에서는 이론적으로 설명이 되지 않았습니다.

리사 랜들은 중력에 대해 다음과 같은 의문을 가집니다.

가장 중요한 문제 중 하나는 왜 중력이 우리가 아는 다른 힘에 비해 그토록 약한가 하는 문제이다.

산을 오르는 사람은 중력이 결코 약하게 느껴지지 않을 것이다.

이는 지구 전체가 당신을 끌어당기기 때문이다.

하지만 지구 전체가 작은 클립을 아래로 당기고 있어도, 아주 작은 자석 하나만 있으면

그 클립을 들어올릴 수 있다. 어째서 중력은 작은 자석보다도 약한 것일까?

─ 리사 랜들, 『숨겨진 우주』

그리고 중력은 3차원이 아니라 5차원에서부터 오는 힘이라는 것을 알아냅니다.

<인터스텔라>에서 보면 5차원에서 보낸 힘이 우리가 사는 세계에서 중력으로 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 

바로 리사 랜들과 라만 선드림이 제시한 위의 모형에서 설명할 수 있는 현상이지요.

5차원에서 가했던 힘이 현 세계에서는 중력의 힘을 전달하는 입자가 되어 중력의 현상으로 나타나는 것이죠.

물리학의 세계와 일상 세계를 연결하는 중력자 랜들

이 우주 어딘가에는 이상한 세계가 있다.

그곳에서는 엄청나게 작은 공간으로 여행을 할 수도 있고, 천사들이 자유 계약으로 천국을 지키고 있다.

때로는 하느님과 주사위 놀이를 하기도 한다.

이런 세계가 환상 소설이나 공상 과학 영화에 나오면 우리는 그런 세계를 즐기기는 하지만

존재하지 않은 공상의 산물로 치부하고 만다.

하지만 입자 물리학을 연구하는 이론 물리학자 리사 랜들은 우리가 살고 있는 세계도 그 어떤 판타지 세계에

못지않게 이상하다고 이야기한다.

우주의 탄생과 진화 그리고 종말의 운명을 결정할 중력은 다른 힘들에 비해 한도 없이 약하고,

가로•세로•높이•시간 말고 6개 또는 7개의 차원이 우주 어딘가에 감춰져 있을지도 모르고,

춤추는 끈들이 세상 만물을 만들어 내는 세계가 바로 우리가 알고, 살고 있는 세계이기 때문이다.

이상한 것들을 만들어 내기 좋아하는 물리학자들은 세계가 10차원으로 이뤄져 있으며 초끈이라는 끈 형태의 물체가

근본 물질이라고 이야기한다.

현실의 실험 결과에 기반해 물리 현상을 기술하는 모형 구축자들조차도 세상은 어쩌면 5차원 혹은

6차원일지도 모른다고 이야기한다.

과연 이 기상천외한 이야기들이 맞을까요?

아래의 그림은 수학적인 정리에 의한 '차원의 개념'을 나타낸 도형이다.

0차원을 점으로 규정하고

1차원은 - 선

2차원은 - 1차원을 수직으로 확장한 2차원의 면

3차원은 - 2차원을 다시 수직으로 확장한 3차원의 입체

4차원은 - 3차원의 입체를 다시 수직으로 확장한 입체공간 (초입방체라 부른다.)

5차원은 - 4차원의 입체공간을 다시 수직으로 확장한 입체공간

……

수학적 차원은 이렇게 기존의 차원에서 수직으로 확장한 공간을 다음의 상위차원으로 정리하면서

늘려나갈 수가 있었다.

아래는 수직선상에서의 차원의 개념이다.

어떤 상호작용을 표현하려할 때, 그 상호작용의 표현이

한 개의 변수로 가능하면 1차원이고
두 개의 변수로 가능하면 2차원

세 개의 변수로 가능하면 3차원

네 개의 변수로 가능하면 4차원이다.

……

여기서 각각의 변수는 서로 독립적이어야 한다.

어떤 변수가 다른 변수에 영향을 끼치지 않아야만 한다

간단하게 말하면 '차원'이라고 하는 것은 수학에서의 독립변수의 개수이다.

0차원은 수학적으로는 '점'이기 때문에 우리는 점 위에서 아무것도 변화시킬 수가 없다.

(점은 길이도 면적도 갖지 않는 것으로 가정한다.)

1차원 '선' 에서는 선 위에서의 위치를 하나의 값으로 변화시킬 수 있다.

2차원 '면적' 은 x, y 의 두 값을 변화시켜서 위치를 표현할 수 있고

3차원 '입체' 는 x, y, z 값을 각각 변화시켜서 위치를 표현할 수 있다.

우주를 4차원이라고 하는 것은 우주가 '3차원의 공간'과 + '1차원의 시간'으로 이루어져 있기 때문에 = '4차원'이라고 한다.

수학적으로 이해를 한다면 우주의 현상들을 나타내기 위해서는 변수가 4개인 식이 필요하다.

f(x, y, z, t) 인 함수로 표시 된다. 즉 x, y, z, t는 서로 관계 없이 값이 변할 수가 있다.

4개의 값이 정해지면 그에 해당하는 함수값을 계산할 수 있다. 이러한 계산으로 시간 t의 값을 변화시킬 수가 있는 것이다.

차원이라는 것은 우리가 미지의 자연 현상을 기술하기 위해서 필요한 변수들이라고 생각하면 되겠다.

(수학과 물리학이 말하는 차원은 다르다.)

수학은 실제로 존재하지 않더라도 이론으로 가능한 것이면 모든 가능성을 생각할 수가 있었다.

수학적인 차원이란 공간의 크기를 나타내므로 0차원에서 무한차원까지도 생각할 수가 있다.

물리학은 실제로 존재하는 자연의 법칙을 찾는 학문이기 때문에

물리학적 차원이란 실제로 존재하는 물리적 공간의 크기만을 말한다.

'4차원 시공간' 이라는 개념은 아인슈타인의 상대성 이론에 시간과 공간을 합쳐서 만들어낸 개념이다.

지금 우리가 살고 있는 공간과 같은 차원을 설정한 것이다.

4차원 시공간은 초끈이론과 M이론의 등장과 함께 11차원까지 가설 되었으며

그것은 아직도 완성이 되지 않은 '통일장이론'을 만드는 과정에서 생겨났다.

자연계에는 기본적으로 4가지의 절대적인 힘이 존재한다.

1. 뉴턴의 만유인력을 설명하는 '중력' - 질량이 있는 물체가 서로 끌어당기는 힘.

2. 맥스웰의 전자기 법칙을 설명하는 '전자기력' - 전기나 자기에 의한 힘.

3. 물질의 붕괴를 설명하는 '약력' (약한 상호작용) - 한 종류의 기본입자를 다른 종류의 기본입자로 바꾸는 힘.

4. 핵의 구조를 설명하는 '강력' (강한 상호작용) - 원자핵 속의 입자를 묶어두는 역할을 하는 힘.

이 4가지 힘을 통합하려고 아인슈타인이 제시한 이론이 '통일장이론'이다.

물리학의 역사는 바로 통일장 이론의 역사라고할 정도로 통일장이론의 추구는 이론 물리학의 중심적 화두가 되어 왔다.

물질의 궁극적 단위를 점과 같은 입자가 아닌 아주 작게 진동하는 하나의 '끈' 으로 설명하고자 한 이론이 '끈이론' 이다.

점입자이론에서는 다른 성질의 입자를 설명하기 위해 여러 개의 입자들을 도입해야 했지만

끈이론에서는 진동의 형태에 따라서 하나의 끈이 서로 다른 성질의 입자로 나타나게 되기 때문에 해석이 단순하고 명료해졌다.

끈은 물질의 파동성도 설명이 가능하고 통일장이론도 어느정도 설명하였으나 수학적으로 난해해서 아직도 검증 중에 있다.

끈이론에는 몇가지 변형이 있어 그것을 묶은 것 중에 하나가 '초끈이론' 이다.

끈이론에 의하면 우리는 실제와 공상이 뒤섞인 세계에 살고 있다.
바로 우리 옆에는 우리와 똑같은 세계가 존재하고 있으며 우주는 11차원으로 이루어져 있다.

끈이론의 기본개념은 아주 간단하다.

제일 작은 입자에서부터 머나먼 별에 이르기까지 우주의 모든 것이 단 하나의 물질인 끈으로 이루어져있다.

상상할 수 없을 정도로 작은 끈은 진동하고 있는 에너지이다.
바이올린이나 첼로와 같은 악기는 현의 진동패턴이나 주파수가 서로 다르기 때문에 각기 다른 음이 소리 나는 것처럼

끈들이 진동하는 패턴에 따라서 입자나 고유한 질량과 전하가 생긴다는 이론이다.

초끈이론은 끈이라 불리는 작은 1차원적 물체가 자연의 근본 물질이라는 가정에서 출발한다.

통일장이론의 미시세계를 다루는 양자역학과 거시세계를 다루는 일반 상대성이론을 조화롭게 통합한 이론이

초끈이론(Superstring Theory)이다.

M이론이라고 불리는 초끈이론은 5가지의 끈이론이 모두 하나의 수식으로 통합될 수 있음이 발견되고 부터 각광받기 시작했다.

상대성이론에서 공간과 시간을 구분하던 것에 비해 초끈이론에서는 시간도 하나의 변수로만 본다.

그리고 그 변수는 모두 11개로 알려져 있다. 그래서 우리 우주가 모두 11차원으로 이루어져 있다고 보게 되었다.

그중에서 중력장을 표현하는 것이 4차원(공간과 시간)이고, 양자역학의 미시세계로 숨은 차원이 7차원이 된다.

M이론에 의하면 우리 우주는 고차원을 떠도는 비밀스런 막에 가려져 있다고 할 수 있다.
이런 우주는 고차원의 공간에서 무한에 가까운 수로 존재하지만 서로의 막에 가려 서로를 감지하지 못하고 있다.
또한 이러한 막들은 스스로 진동하면서 멀어지고 가까워짐을 반복하는데 이럴 때 충돌하는 경우도 발생한다.
우리의 우주는 이렇게 충돌한 에너지로 인해 탄생이 되었다고 한다.
M이론 역시 평행우주론과 비슷한 무한에 가까운 우주를 수용하고 있다.

거대한 우주를 바라봄에 있어 저마다 자기가 존재하는 세상이 우주의 중심으로 느끼고 표현하듯

다른 세상이 존재하고 있다면 그 세상에 존재하는 또 다른 누군가의 중심에서 우주는 펼쳐지고 있을 것이다.

그러나 우리가 존재하는 이 물질계는 우주의 시각에서 우주의 중심이 아닐 수도 있고, 차원의 외딴 구석으로 벗어나 있는 지도 모른다.

중요한 것은 모든 물질계의 존재는 우리가 그렇듯, 많은 다른 공간의 존재들에게 관심을 받고 있다는 것이다.

모든 차원은 하나로 이어져 있고 동시에 같은 상태에서 공존한다고 할 수 있겠다.

차원이라는 말은 단지 기준점을 정하기 위해 만든 개념이지

수학적으로 나누어 놓고 구분해 놓을 수 있는 그런 분류의 성질의 것이 아니다.

볼 수 없는 것을 보려는 데서 오류가 발생한다.

볼 수 없는 것은 볼 수 없는 것이다.

물질계고 비물질계고 모든 존재는 어떤 식으로든 상호작용이 있다.

모든 존재는 우주의 고차원적인 질서 속에서 서로 다른 상태로 동시에 존재하면서

제각각 가장 알맞는 각자의 공간에서 우주의 구성원적인 역활을 톡톡히 영위하고 있으리라.

빅뱅이후 이 세상에는 중력, 전자기력, 강력,약력 이렇게 네가지 힘이 있다고 한다

과학자들은 이 네가지 힘을 하나의 이론으로 설명하는 통일장이론을 가정하였다

그런데 네가지 힘중에 전자기력 강력 약력 이렇게 세가지 힘은 하나로 통합되는 이론이 발표되었지만

이는 미시적 세계에서나 가능하고 거시적 세계에서 작용하는 중력과는 통합이 이루어지지않았다

그래서 거시적 세계와 미시적 세계를 아우르는 통합이른이 발표되었는데 이것이 끈이론(string theory)이다

끈이론에 따르면 이세상이 끈으로 이루어져 있고 모든 입자들이 고무줄같이 행동한다는 것이다

이 세상을 자르고 자르고 또 잘라서 가장 작은 물질(10에 마이너스 33승)이 점이 아니라 끈이다

그것은 길이를 갖는다는 것이고 길이는 공간을 차지하는 것이다

이 끈이론은 중력자를 끈이론에 적용함에 따라 만물을 설명할 수 있게 된것이다

끈이론은 음악을 닮았다고 한다 현악기의 현이 진동하면 음이 나오듯이 끈이론도 각자 끈이 진동한다고 한다

진동패턴이 달라지면서 입자가 되는것이다

모든 물질과 힘은 이 끈이 진동하면서 만들어진다는 것이다

이것이 초끈이론이다

하나의 음들이 모여 아름다운 음악이 되듯이 이 우주는 초끈이 만들어낸 교향곡이라고 할 수 있다

그런데 끈이론은 다섯개나 된다고 한다

과학자들은 차원은 11차원까지 가설을 세우고 있고 끈이론에서는 여분의 차원이란것이 있다고 한다

호스를 예를 들면 멀리서 보면 호수는 하나의 선인데 가까이서 보면 선인줄 알았는데 둘레가 있고

이것이 숨겨진 차원이라고 한다

호스를 쪼개고 쪼개면 점이되고 그 점에 여분의 차원이 숨겨져 있다

헌데 그 안에 또숨어있는 차원이 있을수 있다 이처럼 작은 영역에 어마어마한 생명들이 살 수 있을지도 모른다고 한다

영화 맨인블랙에 보면 고양이 목에 달려있는 방울이 또하나의 은하계로 나오는 장면이 있다

보신분들은 기억하실겁니다

우리가 익히 아는 3차원에 시간을 더하면 4차원입니다

그기에 숨어있는 차원을 더하면 모두 10개가 된다는데 어찌 10개인지 그건 저도 아직 자료를 못찾아봤습니다

이런 10차원에 대한 끈이론이 5개라는 것입니다

5개 이론중에 하나가 우리가 사는 세계이고 나머지 4개는누가 살까요

천국이나 지옥 머 그런걸까요? ㅎㅎ

이 다섯개의 이론을 하나로 만드는것이 차원을 하나 더 추가하여 11차원의 관점에서 10차원을 내려다 보면

5개의 끈은 각기 하나의 단면이라는 겁니다  이것이 초끈이론에서 더 나아가서 M이론이라고 한답니다

이것은 우리의 시공간을 하나의 5면체라고 보앗을때 미시적으로 더 세분화 하면 또다른 보이지 않는

5면체가 그속에 있고 그속에 또다른 5면체가 그속에 있을지도 모릅니다

지금까지 몇가지 자료들을 말씀드렸는데 이것은 과학자들이 세상만물을 설명하기위한 가설들이고

아직 완성되지 못한 이론이라고 합니다

그리고 현재 끈이론의 가장 최신가설 M이론도 문제점이 있는데 왜 이 이론이 아니면 안되느냐 하는

필연성을 설명하지 못해서 이것이 취약한 점이라고 합니다

[나의평화(서울)]

재밌긴한데...너무 어렵네요..^^

[무량수]

만약 중력이 3차원에서 내려온다면 공간속에 시간이란 개념은 우리가 인식하는 차원에서 물질적 시간의 개념을 완전히 망각상태에 빠지게 되고 맙니다
그래서 중력은 미리 한차원 높은 파동의 세계에서 시간의 물결을 타고 중력장을 형성 하게 되어서 비로소 3차원의 세계를 경험을 하게 되는겁니다
그래서 차원이 높은곳으로 갈수록 인간의 몸도 반에테르체로 변화게 된다는것도 이같은 맥략입니다

[qddewg8548(전북)]

아...글쿤요.^^;;

[서현이엄마(경기평택)]

제가 중고생때 물리, 화학, 천체과학을 엄청 재미있어 했더랬는데.. 부모님의 성화에 미대를 간..ㅜㅜ 흠..아직 미련이 제겐 남아있군요... 저 여자 과학자분 대단하시다..내가 궁금해하던걸 5차원이라는 이론으로 탄생시키셨넹...대단쓰..