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초끈이론
- 출처 : 나무위키
초끈 이론은 세상의 모든 것은 0차원의 입자가 아니라 1차원의 끈으로 이루어져 있다는 것을 골자로 하는 물리학 이론이다. 더 정확히는 0+1 차원의 입자가 아니라 시간을 포함한 1+1차원의 끈으로 이루어져 있다.
이 끈들이 소립자고, 끈의 진동 패턴이나 장력 등에 따라 소립자의 패턴(정확히는 질량, 전하, 색전하, 스핀 등의 양자수)이 정해진다고 한다. 이름이 '초'끈인 것은 초대칭을 이루는 끈이기 때문이다.
하지만 아직까진 검증되지 않은 이론이며 학계에서도 여러 논란이 있는 이론이다.
일단 TOE의 후보이긴 한데 가능성은 높지 않다. 그나마 지금까지 밝혀진 이론중에서는 가장 적합하다고 평가받고 있다. 일단 실험적 검증이 전무한 것이 가장 큰 문제인데, 검증을 위한 장비가 현대 기술로는 어떻게 만들기가 어려운 수준이기 때문. 예를 들면 현대의 기술을 적용하면 태양계만한 입자가속기[2]를 만들어야 초대칭입자의 검출이 가능하다든가. 차원의 특성을 결정하는 칼루자-클라인 도형의 특정에도 난관을 겪고 있고 TOE의 범용성에서 기인하는 방정식의 복잡함은 사실 둘째 문제다. 또한 이 이론으로 무언가를 예측한 적도 없다는 것 또한 회의론자들의 주된 지적이기도 하다.
일단 이 이론이 옳다고 가정한다면 기존의 양자장이론에서 장애물 취급을 받던 중력까지 양자화시키고, 현대 물리학이론의 양대산맥인 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합시키며 만물의 이론이 될 수 있다. 하지만 이론물리학계에서 아무리 탄탄해 보이는 체계를 정립해 봐야 실험적 검증이 없으면 한낱 가설에 지나지 않는다.
이 초끈이론에서의 초끈의 크기는 10-35m이며 쿼크보다 1억분의 1 정도로 작다. 하지만 초끈이 가장 작은 소립자인 것은 아니다. 정확히 말하자면, 초끈이론에서의 끈은 모든 입자들의 근본적인 모습이며, 끈의 진동패턴[3]과 진동수[4]에 따라 서로 다른 입자로 보인다고 해석한다.[5] 즉, 초끈이론에서 소립자의 근본적인 모습이자, 고대 그리스의 데모크리토스가 주장했던 원자로 볼 수 있는 것이 바로 끈이다.
초끈 이론의 역사
1) 만물을 끈으로 표현할 수도 있던데? 라는 아이디어와
2) 4차원을 제외한 나머지 차원들은 작게 감겨있어서 우리가 4차원만을 본다는 아이디어를 기반으로 하여 초끈이론이 만들어졌다.
추가 차원의 역사는 아인슈타인이나 칼루자, 클라인 등이 양자역학을 거부하고 전자기학과 중력을 합치려고 시도했던 것까지 거슬러 올라간다. 그때는 5차원 초시공간상의 이론이었다.
1960년대 이탈리아의 가브리엘레 베네치아노라는 입자물리학자가 입자간의 강력결합세기를 서술하는 방정식을 찾다가, 해당 식이 오일러-베타 함수와 정확히 일치한다는것을 확인한다. 이 식을 난부 요이치로, 홀거 닐센, 레너드 서스킨드 등 여러 학자들이 검토하다보니, 해당 식은 강력으로 상호작용하면서 서로 가까이 접근한 두 개의 끈이 잠시동안 진동하다가 다시 멀어지는 모양을 서술한다는 사실을 발견한 것이었다. 여기에서 끈이론이 등장하게 되었다.
이 당시에는 실험결과와 일치하는, 강력에 대한 이론적인 설명이 주요 과제였기 때문에 중력이론을 설명하기보단 강력을 주로 설명하기 위한 것이 끈이론의 시작이었다.
1969년 레너드 서스킨드, 난부 요이치로 등이 베네치아노의 이론을 연구 중 우연히 중력자의 실존을 예측, 혹은 허용하는 수학식을 발견하게 된다. 자연엔 네 가지 힘. 즉, 전자기력, 중력, 강력, 약력이 있는데 이 힘들은 장에 의해 매개되고 매개입자인 게이지 보손이 필요하다. 전자기력을 매개하는 게이지 보손인 광자는 이미 발견되었지만 중력을 매개하는 중력자는 실험적으로는 물론이고 체계적인 이론을 통해 허용, 혹은 예측된 사례가 없었다. 그러던 중, 끈이론에서 중력장의 양자버전인 중력자를 서술하는 방식을 개발하게 된것.
1971년 기존의 끈이론은 추가 차원의 아이디어와 결합하여 26차원 시공간에서의 끈이론으로 재탄생한다.
그러나 이후 강력의 문제는 끈이론이 아니라 양-밀스 이론을 바탕으로 한 양자색역학(QCD)을 통해서 해결된다. 강력과는 관계없는 질량 0에 스핀 2인 불필요한 입자 및 질량이 허수인 타키온 문제까지 이론에 등장하면서 끈이론은 버려졌었다.
표준모형의 문제점이 부각되면서 끈이론이 인기를 얻기 시작했다. '표준모형'은 양자전기역학과 약력과 강력 이론의 총집합이다. 하지만 표준모형은 중력에 대해서는 아무것도 설명하고 있지 않는 치명적인 결함을 가지고 있다. 물리학계에선 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합하려는 수많은 시도가 있었지만[6] 모두 치명적인 수학적 오류가 발생함으로써 사장되어 버리게 되고, 학계의 반응은 점점 양자역학과 상대성이론의 통합에 회의적으로 변하게 된다. 표준모형은 기본 입자의 크기를 점으로 간주하는데, 이로써 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[7] 확률의 값은 0≤x≤1 사이에 있어야 하므로 이는 표준모형의 참으로 치명적인 약점이 아닐 수 없다.
나중에 끈이론에서 나온 입자들 중에서 상술한, 불필요해보였던 입자가 중력의 양자장상태를 설명하는 질량 0,스핀 2인 입자라는 것이 드러나면서 끈이론이 부활했다. 그리고 또다른 심각한 문제 중 하나였던 타키온 문제는 후에 초대칭성을 도입함으로써 해결되었다.[8] 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 초끈이론(+11차원 초중력이론)은 M이론의 다양한 극한이라는 것을 끈이론 총회에서 발표함으로써 새로운 지평을 열었다. 원래 초끈이론의 차원은 10차원이었지만, 나중에 에드워드 위튼이 끈결합상수와 관련된 계산에서 Duality(쌍대성)[9]라는 특수한 계산방식을 도입하면서, 숨겨졌던 차원이 하나 더 있었다는것이 드러났다.
인터넷에서는 초끈이론과 패러렐 월드, 즉 평행이론과 연관 시키기도 하는데 평행우주 이론보다는 다중우주 이론과 관련성이 더 크다. 평행 이론은 3차원 우주가 여러군데 존재하고 또 다른 "나"가 존재한다는 것이지만 이는 초끈이론이 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.
검증 방법
이 때문에 초끈이론을 간접적으로 검증하기 위한 여러가지 실험이 제안되었다. 아래의 가설들을 검증하면 초끈이론을 간접적으로나마 검증하는 것이 된다.
4.1. 초대칭이론
4.2. 여분의 차원
첫 번째로 짧은 거리에서 중력의 세기를 측정하는 방법이 있다. 중력이 짧은 거리에서 역제곱 법칙이 성립하는지 확인하는 것이다. 초끈이론에서 주장하는 여분차원이 존재한다면 중력이 영향을 미치는 공간이 더 많아지기 때문에 실제 중력보다 약해진다.[11] 이를 여분차원보다 짧은 거리에서 측정하면 원래의 중력크기를 알게되어 더 큰 계수가 측정될 것이다. 대략 0.1 mm 스케일까지는 중력의 역제곱 법칙이 성립한다는 것이 확인이 되었으나 그 이하의 스케일에 대한 중력의 측정은 도전 과제로 남아있다.
두 번째로 천체물리학이나 우주론적 증거로부터 검증하는 방법이 있다.
세 번째로 LHC같은 입자가속기를 통해 검증하는 방법이 있다. 흥미롭게도, 여분의 차원이 존재할 경우 가속기를 통해 블랙홀을 생성할 가능성이 있다. (물론 너무 조그마한 블랙홀이라 호킹 복사를 무시할 수 없을 것이다.) 그러나 실제 실험 결과 이런 여분 차원의 존재를 지지하는 증거는 전혀 발견되지 않았다.
4.3. 우주끈
4.4. 인플레이션 모형
★ 초끈 이론을 GPT에 물어보는 나오는 반응
초끈 이론은 물리학에서 이끌어낸 개념으로, 끈이나 줄 같은 유연한 선이나 끈이 나타내는 현상에 대한 이론입니다. 이 이론은 강체가 아닌 유연체에 대한 분석을 수행하는 데 사용됩니다.
초끈 이론에서는 끈의 중력과 장력의 균형 상태를 이용하여 끈이 어떻게 움직이는지 예측합니다. 끈이 고정된 지점에서 일어나는 힘과 중력이 서로 상쇄되는 경우, 끈은 정지 상태에 있습니다. 그러나 끈이 힘에 의해 끌리는 경우, 끈은 이동합니다.
끈이 수평면에서 끌리는 경우, 끈은 일정한 속도로 움직이며, 끈의 각 부분에서 일어나는 장력이 일정합니다. 끈의 길이나 질량, 힘의 크기에 따라 끈의 속도가 달라질 수 있습니다.
끈이 수직으로 끌리는 경우, 중력이 끈을 늘리고, 장력이 끈을 수축시키는 반동력을 생성합니다. 이러한 반동력은 끈의 각 부분에서 다르게 작용하며, 이는 끈이 일어나는 곡률에 영향을 미칩니다.
초끈 이론은 기계 공학, 물리학, 수학 등에서 매우 중요한 이론으로 사용됩니다. 이론은 유연한 끈이나 줄이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움이 됩니다.
완전 황당한 답변을 내놓는 GPT........
갈수록 신뢰도가 바닥을 기어가는구나..
향후에도 AI에 의해 생성된 자료, 글, 이미지에 대해 분별력을 갖추기 위한 역량이 사회적으로 요구될 것으로 생각된다.
