첫 번째 길, 초끈 이론 : 세상 만물은 끈이다!

첫 번째 길인 초끈 이론은 세상 만물을 구성하는 근본적인 존재가 점(0차원)처럼 생긴 입자가 아니라 일차원적인 끈이라고 주장한다. 이 끈은 1차원 시간과 9차원 공간 속에서 진동한다. 끈마다 진동하는 방식이 다 다른데, 이 진동 방식에 따라 그 끈은 전자, 쿼크, 뉴트리노, 혹은 중력자로 세상에 모습을 드러낸다. 다시 말해 우리가 보는 세상의 모든 입자는 모두 다 진동 방식만 다른 끈인 것이다.
놀라운 이론적 결론을 담고 있는 이 초끈 이론은 양자 역학과 중력 이론을 통합한다. ‘만물을 설명하는 이론’ 즉 만물 이론을 추구했던 아인슈타인의 꿈이 실현되는 것처럼 보인다. 그러나 이 초끈 이론에는 약점이 있다. 초끈 이론을 연구하다 보면 수학적으로 아무런 이상이 없는, 다시 말해 모순없는 이론이 다섯 가지나 존재한다는 것이다. 심지어 최근의 이론적 연구에 따르면 무수히 많을 수도 있다. 이것은 초끈 이론이 완전하지 않을 수도 있음을 뜻한다. 궁극적인 이론은 가장 단순하고 간단하게 세상 만물을 설명하는 이론이어야 할 텐데, 그런 이론이 여러 개 있다는 것은 그 이론이 가장 단순하고 간단한 이론이 아니라는 자백에 다름 아니다.
물론 초끈 이론 연구자들은 대안을 마련한다. 이 다섯 개의 초끈 이론은 M 이론이라고 불리는, 보다 궁극적인 이론의 여러 가지 변형 형태라고. 이 M 이론에서는 초끈이 11개의 시공간 차원에서 진동한다. 초끈 이론가들은 이런 식으로 차원을 추가한 이론을 개발함으로써 초끈 이론의 약점을 보완하려고 한다.
하지만 이 M 이론조차 또 여러 개 이론 중 하나임이 밝혀진다면 어떻게 될까? 그리고 모든 이론은 실험을 통해 검증되어야 하는데, 현실적으로 아직까지는 초끈 이론의 내용을 검증할 수 있는 실험을 우리는 할 수가 없다. 그렇다면 초끈 이론의 타당성을 어떻게 보장할 것인가? 그리고 초끈 이론은 절대 시공간이라는 뉴턴 역학적 낡은 배경을 아직 버리지 못하고 있지 않은가? 기타 등등의 수많은 문제점들을 아직도 초끈 이론가들을 해결하지 못하고 있다.

두 번째 길, 고리 양자 중력 이론 : 공간에도 최소 단위가 있다!

초끈 이론의 강력한 경쟁자인 고리 양자 중력 이론은 공간에도 최소 단위가 있다는 놀라운 주장을 한다. 전자 현미경으로 관찰하면 매끄러워 보이는 표면이 자잘한 원자와 분자들로 거칠거칠한 것처럼, 물질이 불연속적인 원자들로 이뤄지듯이, 공간 역시 아주 작은 규모까지 쪼개다 보면 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위의 공간이 있다는 것이다.
이 이론은 아인슈타인이 자신의 상대성 이론을 가지고 거둔 최대의 업적, 다시 말해 시공간이 그 자체로 존재하는 절대적인 존재가 아니라 사물들의 관계에 의해서 만들어지는 관계론적 존재임을 보여 준 것에 바탕을 두고 있다. 따라서 이 이론은 시간과 공간 그리고 우주가 가만히 있는 정적인 존재가 아니라 끊임없이 요동하는 동적인 존재임을 보여 준다. 그리고 이것은 우주의 생성 과정, 평행 우주, 다중 우주, 양자 블랙홀 이론 등 현대 우주론의 수많은 난제들을 해결해 준다.
그러나 이 이론 역시 수많은 비판을 받는다. 기존에 나와 있는 이론들을 수학적으로 다르게 표현하는 방법을 다루는 단순한 수리 물리학적 테크닉이 아니냐는 비판에서 시작해서, 고리 양자 중력 이론이 바탕에 놓고 있는 이론들에 대한 철저한 검토가 부족하다는 비판까지 다양한 공격이 나오고 있다.

세 번째 길, 블랙홀의 열역학 : 답은 블랙홀에 있다!

초끈 이론이 양자 역학 이론에서 출발했고, 고리 양자 중력 이론이 일반 상대성 이론에서 출발했다면, 세 번째 길인 블랙홀의 열역학은 우주론 연구에서 출발했다. 그리고 이 이론은 양자 중력 이론과 관련해서 실험적으로 의미가 있는 예측을 이야기할 수 있는 유일한 영역이다. 왜냐하면 10차원의 끈과 플랑크 길이의 공간 원자와는 달리 블랙홀의 열역학은 우주 공간에 존재할 것이라고 추측되는(거의 존재하는 것이 확실시되는) 블랙홀을 대상으로 하고 있기 때문이다.
아직 우리는 어떤 천체가 블랙홀인지 확실하게 알고 있지는 못하지만, 곧 있으면 블랙홀임이 확실한 천체들을 발견하게 될 것이다. 그렇게 되면 블랙홀의 열역학 이론이 예언한 호킹 법칙, 베켄슈타인의 한계, 운루의 법칙 같은 이론적 예측들을 실험적으로 검증할 수 있게 된다. 그렇게 되면 블랙홀의 열역학에 바탕을 두고 세운 양자 중력 이론은 앞의 두 후보들에 비해 최종적 양자 중력 이론에 더 가까이 다가가게 된다.
그리고 블랙홀의 거대한 중력에 의해 극단적으로 늘어나 있는 블랙홀 주변 시공간에 대한 관측을 통해 우리는 고리 양자 중력 이론과 초끈 이론의 예측과 제안이 얼마나 타당한지도 검증할 수가 있다.

세 가지 길은 한 길에서 만나게 될 것이다!

현재 이론 물리학계의 주류는 초끈 이론이다. 전 세계 수천 명의 이론 물리학자들이 초끈 이론에서 새로운 발견을 꿈꾸며 치열하게 연구를 하고 있다. 많은 전문 물리학자들뿐만 아니라 일반인들 역시 물리학의 새로운 돌파구가 초끈 이론에서 나올 것이라고 생각하고 있다. 그러나 소수이기는 하지만 고리 양자 이론가들은 초끈 이론이 가지고 있는 한계점들을 지적하며 고리 양자 중력 이론을 제안하고 있다. 현대 이론 물리학계는 이 두 이론가 집단으로 나뉘어 치열하게 경쟁하고 있다. 마치 조선 시대의 당파 싸움처럼 서로가 서로를 배척하며 상대방 쪽에서 나온 논문을 읽으려고도 하지 않는다.
리 스몰린은 이러한 현대 이론 물리학계의 다툼을 “물리학의 말썽거리”라고 보며 비판한다. 이 세 가지 길이 하나의 현상을 보는 세 가지 다른 창이지 않겠냐는 게 스몰린 주장의 핵심이다. 우리는 장차 고리 양자 중력 이론에서 초끈 이론을 유도해 낼 수도 있고, 초끈 이론에서 고리 양자 중력 이론을 유도해 낼 수도 있을 것이다. 양쪽 진영의 이론 물리학자들이 손을 잡고 노력을 한다면 불가능한 것도 아님을 주장하기도 한다.
리 스몰린은 동시대를 살았지만, 케플러의 행성 법칙을 알아 보려고 하지도 않았던 갈릴레오와 갈릴레오의 투사체 법칙을 진지하게 고민하지 않은 케플러가 손을 잡았다면, 갈릴레오와 케플러의 업적을 통일해 근대 물리학의 기초가 된 뉴턴 역학이 그들의 시대에 탄생할 수 있었던 것처럼 초끈 이론과 고리 양자 중력 이론 사이에서도 양자 중력 이론의 뉴턴이 나타나 두 이론을 통합하는 궁극적 양자 중력 이론이 탄생할 수 있다고 주장한다.
리 스몰린은 블랙홀의 열역학에 영감을 받은 ‘홀로그래피 원리’, ‘비가환 기하학’, ‘블랙홀의 엔트로피 이론’ 같은 새로운 이론적 아이디어에서 나온 공통의 문제를 초끈 이론가들과 고리 양자 중력 이론가들이 함께 풀다 보면 두 이론이 궁극적으로는 하나인 최종 이론의 부분들이거나, 어느 하나가 다른 이론의 근사라는 것이 밝혀질 것이라는 제안을 한다.

21세기 말이 되면 전 세계 고등학생이 중력의 양자 이론을 배우게 될 것이다!

이론 물리학자들의 궁극적인 목표는 시공간의 모든 것, 즉 우주 전체를 설명하는 이론을 만들어 내는 것이다. 이것은 실로 어려운 일이다. 신비주의자나 종교인들처럼 신이나 악마, 우주의 역사에 간섭하는 전능한 지적 존재의 도움을 받을 수도 없고, 우리가 관찰, 연구하는 행위 자체가 우주의 존재 자체에 영향을 줄 수도 있는 우주 내부에서 우주 전체를 연구해야 하기 때문이다.
리 스몰린은 우주를 “우주 바깥에는 아무것도 없다.”와 “미래에는 더 많은 것을 알게 될 것이다.”라는 우주론의 두 가지 원칙을 가지고, 우주를 “진화하는 관계들의 네트워크”로 보는 한 언젠가는 우주의 모든 것을 설명할 수 있는 돌파구를 마련하게 될 것이라고 희망 어린 전망을 내놓는다. “모든 것은 실험이 결정”할 것이라고 하면서도 2010년대까지는 초끈 이론과 고리 양자 중력 이론의 안개 속 논쟁이 깔끔한 최종적 이론으로 정리되고 양자 중력 이론의 기본 틀이 마련될 것이라는 게 그의 희망이자 전망이다. 심지어는 21세기 중반에는 고등학생이 중력에 대한 양자 중력 이론을 배우게 된다고 이야기한다.
스몰린의 시나리오가 어떤 식으로 실현될지는 모른다. 하지만 이론 물리학자들은 언젠가 초끈 이론과 고리 양자 중력 이론 그리고 블랙홀의 열역학이 제시한 문제들을 풀게 될 것이다. 그렇게 되면 “왜 우주가 우리가 관측하는 모습으로 존재하는가?”, “왜 우리 인류는 현재의 모습으로 존재하는가?”라는 너무나 당연하지만 가장 불가사의한 질문들에 대한 열쇠를 발견하게 될 것이다.
정중동(靜中動), 20세기 초반에 눈부시게 진행되었던 물리학 혁명은 20세기 중반 이후 고요한 완숙기를 거치고 있다. 이 책은 이 완숙기 이후 물리학 혁명이 어떻게 진전되어 우리의 세계관에 어떤 영향을 미칠지 관심을 가진 모든 독자들이 관심을 가지고 읽을 책이다.

양자 중력 이론이 인류에게 줄 수 있는 가장 큰 선물은, 우주가 존재한다는 기적과도 같은 사실에 대한 새로운 인식과, 이 불가사의한 사실의 적어도 일부나마 파악할 수 있다는 새로운 신념일 것이다. -본문에서

옮긴이의 말-양자 중력이라는 성배를 찾아서 / 감사의 말
머리말-양자 중력에 이르는 세 가지 길

1부 출발점
1│우주 바깥에는 아무것도 없다
2│미래에는 더 많은 것을 알게 될 것이다
3│많은 관측자, 그리 많지 않은 우주
4│우주는 사물이 아니라 과정들이다

2부 우리가 알아낸 것들
5│블랙홀과 숨겨진 영역들
6│가속도와 열
7│블랙홀은 뜨겁다
8│면적과 정보
9│공간을 세는 방법
10│매듭, 연결과 꼬임
11│공간의 소리는 끈이다

3부 현대의 미개척 영역
12│홀로그래피 원리
13│끈과 고리를 엮어
14│무엇이 자연 법칙을 선택하는가

맺음말 / 후기 / 용어 해설 / 참고 문헌 / 찾아보기