기이론과 초끈이론의 <양자역학>
[기이론, 초끈이론과 M-이론의 제 문제]
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초끈이론의 가장 중요한 특성은 중력과 양자역학, 중력과 게이지장 이론과의 자연스러운 통합이다.
물론 이러한 통합이 가능한 이론이 초끈이론 이외에 어떠한 이론들이 있는지 현재로서는 명확하지 않다.
그렇다면, 초끈이론이 앞으로 풀어야 할 중요한 기본문제들은 무엇인가?
즉, 양자역학이론과 아인슈타인의 일반상대성이론을 내부 모순 없이 결합시키는 유일한 방법이다.
이는 초끈이 점-입자가 아니라, 고유 크기를 가지는 결합자(파동자;확장자)라는 사실에서부터 기인한다.
그러나, 보다 근원적인 성질은 초끈의 무한한 진동 스펙트럼이 제멋대로 구성된 것이 아니라,
M-이론이 초끈이론의 강한 결합영역을 간결히 표현함은,
양자현상을 새로운 각도에서 이해할 것을 요구하고 있다.
이러한 관점이 흥미로운 기하학적 심미성을 제공할 뿐 아니라 동시에 전통적인 섭동전개 이론이
M-이론에서는 성립하지 않아, 근사적인 접근 방법이 불가능하다는 어려움을 동시에 내포하고 있다.
존재한다면 왜 결합상수가 없는가?"라는 근원적인 문제로 되돌아가야 할지 모를 일이다.
초끈이론은 다양한 방법으로 게이지 상호작용을 생성할 수 있다.
이러한, 열린끈은 앞서 설명한 D-브래인들의 여기상태를
약한-상호작용 영역에서 효율적으로 기술할 수 있는 방법으로 알려져 있다.
D-브래인들과 열린끈은 모두 비대칭 닫힌끈으로 재구성되는 놀랄만한 특성을 발휘한다.
이 양면성이 다른 초끈 사이의 양면성에 비하여 심도 있게 규명되어야 함은 바로 끈의 닫힘과 열림,
그리고 끈 진동의 방향성 사이에 밀접한 관련이 있음을 시사하기 때문이다.
즉, 이러한 개념들은 절대성을 가지지 않고, 양자결합 상수의 크기에 따라 달리 구현될 뿐이다.
도대체, 초끈의 어떤 근본적 특성이 이러한 결과를 도출시키는가?
이의 규명에 한가지 암시를 제공하는 초끈의 상이한 특이성은 소위 "충돌방향 양면성"이다.
점-입자의 경우, 전통적인 파인만 도형에 따른 섭동전개는,
쿨롱-충돌과 같은 비낌-충돌과 입자의 생성-소멸에 기인하는 정면-충돌은 전혀 다른 물리적 과정으로 기술된다.
그러나, 초끈이론에서는, 초끈의 확장자 성질에 기인하여, 이들을 동일한 과정으로 간주한다.
이 "충돌방향 양면성"의 특수한 경우가 바로 열린끈의 양자섭동 전개를 닫힌끈의 배경장 전개와 동일시 간주하는 것이다.
닫힌끈의 존재와 동역학은 모두 열린끈으로부터 이해할 수 있으며,
따라서 열린끈을 초끈의 기본단위로 다루어야 함을 암시하고 있다.
정확히 어떤 동역학에 의거하여 이러한 관계가 성립하는지 이해함은
중력에 대한 전혀 새로운 관점과 이해를 제공할 것으로 기대된다.
초끈의 구조에 절대성이 없음은 전술한 "열린끈-닫힌끈 양면성"과 M-이론의 기원으로부터 쉽게 이해할 수 있다.
어떠한 동역학 영역에서 초끈의 운동이 가장 간결히 기술되는지를 조사하는 중요한 과정을 거쳐야 할 것이다.
가장 중요한 현안은 양자역학과 중력 중 어떤 것을 보다 근원적인 물리법칙으로 다루겠는가라는 질문이다.
인위적으로 10차원 시공간과 1차원 결합상수로 재해석하는 과정에서 나타난다는 것이다.
중력은 게이지이론의 동역학에서 나오는 부수적인 상호작용이다.
과연 어떠한 관점이 결국 맞는 해석인지 이론적 접근에 의하여 조사해야할 시점에 있다.
우주의 기원과 진화는 고전 중력의 대표적인 강한 배경장 비섭동현상이다.
아인슈타인의 상대성이론에 따르면, 프리드만-로버터슨-워커의 균일 우주론은 3가지의 상이한 종류로 나타난다.
아인슈타인의 일반상대성 이론과 같이 완벽한 듯한 이론이 유일한 해답을 제공하지 못하고
3가지 다른 가능성을 제시하는지, 현재까지 전혀 이해되지 못하였던 부분이다.
이 당시의 물리현상을 기술하는 가장 적합한 방법론은 무엇인지 역시 미해결 문제이다.
현재, 유일한 양자-중력 이론으로서의 초끈이론은 이들 질문에 대한 보다 훌륭한 대답을 제공할 것으로 기대된다.
특히, 우주론에 적용되어 홀로그램 원리가 일반상대성 이론에 덧붙여 새로운 법칙으로 자리잡을 것인지는
그리고, 인플레이션 우주론, 대폭발 우주론을 대치시킬 새로운 우주론이 있는지,
있다면 초끈이론과 어떤 관련이 있는지 알아보는 것 역시 앞으로 해결해야 할 문제들이다.
이렇게 다양하고 흥미로운 주제들이 아직 미 해결 과제로 남아있음은
초끈이론이 아직도 계속 눈부시게 발전하고 있는 중요한 이론물리학의 한 부분임을 뜻한다고 보겠다.
앞으로도 지속적으로 새로운 발상의 혁명들이 10년 간격으로 반복되어 제창되고 발전되어 나갈 분야임을 시사하고 있다고 여겨지며,
지금까지와 마찬가지로 한국의 초끈이론 학계 역시 국제적으로 인정받는 연구집단으로,
그리고 새로운 발상의 전환이 이루어지는 진원지로 계속될 것임을 믿어 의심치 않는다.
태극은 무극이면서 가장 큰 극으로서 시간적 공간적 의미에서 실(實)도 아니고 허(虛)도 아닌 종국적인 극(極)이고,
동과 정은 그 뿌리는 같지만 음(陰)과 양(陽)으로 갈라져 서로 양의(兩儀)로 맞서게 되고,
음과 양은 서로 꼬리를 깊숙히 파고들어 태극을 만들고,
양이 변하고 음이 합하여 목,화,토,금,수 다섯가지 소인(素因)을 만드는데,
오기가 사시(四時)로 돌아가 넓혀지니 오행(五行)이 되었다.
오행은 서로 묘합(妙合)하여 만물을 생성,변화시키니 만물은 태어나고 다시 태어나(生生) 무궁무진 변화하여
오행은 하나의 음,양에서 시작되었고 음,양은 하나의 태극이요,
건과 곤이 합해져 변화하여 인간이 화생(化生)된 것이다.
여기서 우리는 [오기(五氣)]를 우주구성의 기본 5원소로 본다.
금(金)은 100여종류의 금속들(100Metal"s),
이들 기본5기는 4종류의 유기원소와 100여 종류의 무기금속원소을 지칭하는 소위 "5원소설"인 것이다.
지구상에서는 4계절(四時)이 있어 "오기(5원소)"가 4계절(四時)를 만나 함께 순행하여 오행(五行)이 된다는 것이다.
오행(5원소)들은 상생(相生),상극(相克),상승(相乘),상모(相侮) 작용으로 묘합(妙合)
즉 "화학반응(Chamical reaction)"을 일어켜서 만물을 생성하고 변화시켜 우주만물이 생성되는 것이다.
생성된 만물은 태어나고 다시 태어나(生生) 무궁무진 변화하여(진화과정) 천지생성이 이루어진 것이다.
본래 태극은 [무극]이며 혼돈된 [1기(一氣)] 이었다.
이와같이 모든 생물체와 인체는 "우주생성원리"에 의하여 동일한 물질과 동일한 방법으로 구성되어 있다.
사실 인체를 구성하는 기본원소도 우주를 구성하는 기본물질인 원소로 구성되어 있다.
다만 생물체와 인체는 탄소(C;木),산소(O;火),질소(N;土),수소(H;水) 등,
많은 유기원소와 미량의 금속(Metals;金)으로 구성되어 있을 뿐이다.
이러한 이유에서 침구의학은 "인체는 소우주다"라고 하는 것이며,
또한 이러한 관점에서 모든 질병을 진단하고 치료하므로 침구의학을 자연치료의학이라는 것이다.
그러므로 침구의학은 만물생성의 "태극원리"와 현대 우주생성이론인 "끈이론"에서 부터 시작된
신경반사학설 등이 침구의학의 기본치료원리가 되는 것이다.
기 이론은 우주와 만물생성을 설명하는 동양철학의 한 이론이다.
동양철학은 기에 대하여 너무나 많은 기록이 있어 혹자는 동양철학을 기철학이라고 까지 한다.
동양철학의 범주에서 벗어날 수 없는 동양의학 역시 인체와 만물의 생성-소멸을 기에서 출발하고 있다.
특히 침구의학은 기에서 출발한 음양, 오행, 경락으로 인체의 생-노-병-사를 판단하고 있다.
최근(1974-1984-2000년) 슈바르츠 박사 등이 주창한 끈이론(Super string theory)은
침구의학에서 주창하는 기이론(Ki-energy theory)와 동일한 내용이란 것이다.
이 글을 통해 우리는 끈이론의 발전 과정을 가능한 평범한 용어로서 소개하고자 한다.
역사를 통해 우리는 물질의 궁극적인 구성입자와 그 입자들간의 상호작용이라는 것이 실은
당시 실험실에서 다룰 수 있는 길이의 짧은 정도에 따라 계속 변해왔다는 것을 알 수 있다.
현제 놀라울 정도로 정밀한 가속기에 의한 실험결과에 따르면
이른바 10의 -17승 미터의 "페르미스케일"의 정밀도로 측정한 물질의 가장 기본단위는 쿼크, 렙톤, 게이지 들이다.
이들은 강한 핵을 구성하는 양자와 전자가 붕괴하는힘 "약력"을 형성하는 기본 입자들로서
그러나 "패르미스케일"보다 훨씬 정밀한 10의-34승 미터인 "플랑크스케일"의 정확도로 보면
물질을 구성하는 궁극적인 단위는 "점이 아닌 굵기가 없는 끈"이라는 것이 끈이론의 핵심이다.
중력은 고에너지로 가면 점점 강해지면서 양자적인 설명이 필요로 하는데
중력을 양자화하는 지금까지 알려진 이론은 유일하게 초끈이론 뿐이며,
초끈이론의 기본 구성요소는 바로 스프링과도 같은 끈이기 때문이다.
초끈이론의 초끈(string)은 플랑크스케일에 해당하는 질량과 장력이 있으며 상대론적으로 움직인다는 것이다.
그러므로 끈은 오직 10차원의 시공간에서만 존재할 수 있다는 것이다.
현대이론물리학 이론은 종래의 고전적인 사고인 물질의 궁극 단위는 '점'이 아닌 '끈'으로 보고
80년대 초끈이론학계의 주요 동향은 약하게 상호작용하는 초끈들에 대해 주로 연구했다는 것이다.
그러나 90년대에 들어와 우리는 강하게 상호작용하는 끈들에 대한 비섭동적인 놀라운 결과들을 얻기 시작하였다.
이 중 한 가지는 초끈이 물질의 궁극단위라는 것이 끈(실)은 또 변할 수 있다는 점이었다.
아래 다시 설명하겠지만 상호작용이 강해지면 초끈들은 다시 '중력자'라 불리는 점과 같은 입자들로 이루어져 있는 것처럼 보인다는 것이다.
무엇보다도 이 중력자들은 초끈들이 존제는 10차원이 아닌 이보다 한 차원 높은 11차원에 존제하게 되며
이 늘어난 차원은 바로 플랑크상수 h를 기하학적으로 구현해 준다.
이러한 이론을 현재 우리는 "M-이론"이라 부르고 있다.
다시말해서 끈이론(string theory)는 만물의 최소 단위가 '점 입자'가 아니라 '진동하는 끈'으로 이루어져 있다는 이론이다.
그 끈은 우리가 흔히 알고 있는 원자와 분자로 이루어져 있는 물질이 아니라
더 이상의 세부구조를 갖고 있지 않는 가장 기본 단위를 말한다.
1), I.뉴턴(Isaac Newton)의 '인력'을 설명하는 [중력],
2), J. C.맥스웰(James Clerk Maxwell)의 '전자기법칙'을 설명하는 [자기력],
자연계에서 존재하는 모든 물질을 하나의 원리로 통합 설명할 수 있고 이들 4가지 힘을 통합 설명할수 있는 이론이
모든 입자의 원자내 구조를 설명할 수 있는 초끈이론은,
자연계의 기본입자가 하나의 자유도를 갖는 점(point)이 아니라
무한한 자유도를 갖는 1차원의 초끈(string)으로 되어 있다는 가설에서 시작했다.
또한 초끈의 진동 형태에 따라 입자의 질량을 비롯한 모든 물리적 성질들이 결정되고
즉, 초끈의 진동이 격렬하면 에너지가 많다는 뜻이되며, 거기에 대응해 질량의 무게도 커지게 된다.
반대로 초끈의 진동이 약하면 에너지가 작다는 뜻이되고,
초끈의 진동형태의 변화에 따라 힘의 종류인 중력, 자기력, 약력, 강력이 결정된다는 것을 의미한다.
이로써 초끈이론은 일반상대성이론과 양자역학이 충돌되는 중력 문제를 해결하고
모든 물질의 생성현상을 설명하는 '통합이론'으로서의 실마리를 제공하고 있다.
초끈이론은 A. 아인슈타인의 '일반상대성이론'이 틀렸음을 지적하고,
지난 50년 동안 과학계를 지배했던 '빅뱅이론'을 부정하며,
전혀 다른 개념의 우주론을 제시하는 혁명적인 이론이라 할 수 있다.
"페르미스케일(10의-17승)"까지는 물질의 궁극단위는 점으로 볼 수 있지만
그보다 적은 "플랑크스케일(10의-34승)"에서 물질의 궁극적단위는 초끈이 된다는 것이다.
하지만 '초끈'과 '초끈'들 사이의 상호작용이 강해지면 플랑크상수는 여분의 일차원으로 변환하며
모든 초끈들은 11차원에 존재하는 두께가 없는 막(membrane)으로 변한다는 것이다.
이 막들이 바로 M-이론(M-theory)의 미소 기본 단위이며
우리는 역사상 처음으로 '양자역학'과 '중력' 그리고 '시간적' '공간적" 의미 우주생성이론을 통일하는