매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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초끈의 종류
초끈은 두 종류가 있습니다. 하나는 닫힌 끈이고 다른 하나는 열린 끈입니다.
이 중 닫힌 끈이 중력을 매개하는 중력자(graviton)입니다. 중력자는 이론적으로 예측되고 아직 발견되지는 않았습니다. 중력자의 특성은 다음과 같습니다.
- 스핀:2
- 질량: 0
- 전하: 0
스핀이 정수이므로 보손에 속하게 됩니다.
먼저 열린 끈에 대해서 알아보겠습니다.
초기에 끈은 공간 상에 존재하는 물체로 인식했는데, 나중에 어떤 막 위에 존재하는 것이 아닌가 하는 의견이 제시됐습니다. 이 막을 2차원 철판으로 한다면, 끈의 양 끝에 자석이 달라 붙어 있어서 끈이 철판 위를 움직여 다니게 됩니다. 끈은 이 철판, 즉 막(membrane)에서 떨어질 수 없는데 이 막을 D-brane이라고 합니다. 여기서 D는 수학자 G. L. Dirichlet (디리클레)의 이름에서 따왔습니다. 미분방정식 중 디리클레 경계조건이라는 것이 있는데 그 D입니다. 그래서 D-brane은 D 경계조건이었어야 할 막이라는 뜻입니다.
이상한 말이죠? 초기에 D-brane은 실체는 없고 경계조건만 나타내는 것으로 이해했는데, 나중에 보니 실체가 있는 것으로 받아들여졌습니다.
그래서 아래와 같이 열린 끈의 끝 점은 항상 D-brane에 붙어 있습니다. 단 고정되어 있는 것은 아니고 얼음판에서 스케이트 타듯이 미끄러져 이동할 수 있습니다.
또 끈이라는 것은 D-brane 표면에서 튀어 나온 것이라는 견해가 지배적입니다. 이것은 장(field)에서 입자가 튀어 나오는 것과 비슷한 이미지입니다. 그리고 그림에서 나타났듯이 어떤 끈은 다른 D-brane과 연결되어 있습니다. 잘 보면 모든 열린 끈들은 끝이 D-brane에 붙어 있습니다.
M-이론
초끈이론은 초기에 우주가 10차원이라고 생각했습니다. 우리가 느끼는 공간 3차원, 시간 1차원의 4차원에 눈으로 볼 수 없는 6차원의 공간이 공간속에 구겨져 있다고 봤죠. 그런데 D-brane이 발견되고 2차원 막이 존재한다고 보고 10차원에서 1차원을 늘려서 11차원이 됩니다.
초끈 이론은 한 가지가 아닙니다. 무려 5가지나 됩니다. 이 문제를 1995년 에드워드 위튼(Edward Witten)이 나와서 해결합니다. 5개 이론은 모두 옳으며 단지 거울에 비친 5개의 모습에 지나지 않는다는 것이라고 얘기합니다.
아래 그림을 보면 S-duality, T-duality라는 용어가 보이는데, 각 이론들이 이러한 duality(이중성) 관계로 결국은 M-theory로 표현될 수 있다는 것입니다.
여기서 M은 막을 의미하는 membrane입니다만, 사람들은 조롱하듯이 Magic, Mystery, Mother의 M이라고 합니다. 왜냐하면초끈이론은 이론뿐인 이론입니다. 실험으로 증명된 것이 없습니다. 증명하기 위해서는 CERN의 LHC보더 훨씬 큰 가속기(태양계 크기만한 가속기)가 필요하다고 하여 실험이 불가능한 수준입니다.
이런 상황인데도 많은 사람들이 초끈이론에 대해서 얘기합니다. 그리고 이 이론이 4대 힘을 통합할 수 있는 유력한 이론이라고 얘기하기도 하고요.
개인적으로 입자로 설명하는 표준 모형보다, 파동/진동의 개념인 끈이론이 더 땡기긴 합니다. 그런데 초끈이론처럼 우주가 11차원으로 이루어져 있는지는 의문입니다. 세상이 그렇게 복잡할까요?
여기서 잠깐
이더 물리에서는 공간은 3차원이고, 시간 또한 3차원이라고 합니다. 그래서 시간 여행이 가능합니다. 동시에 과거, 현재, 미래가 존재하는 그런 우주입니다. 그리고 물질을 구성하는 기본은 에너지, 즉 파동이라고 봅니다. 진동에 의해서 입자처럼 느끼는 기하구조가 만들어진다고 합니다. 이 기하구조는 진동에 의해 에너지가 모여서 생기는 것으로 봅니다.
참고
소립자 물리학은 다음 책을 참고하였습니다.
기타 참고.
https://steemit.com/kr/@thomaslee101/72
https://brunch.co.kr/@superstrings/14
https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=rnrdjdhkd2&logNo=60114840193&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F