초끈이론과 M-이론의 관계

초끈 이론 이란? 

 

초끈 이론은 이론물리학에서 자연계의 입자와 상호작용을 미세한 크기의 초대칭적 끈의 진동으로 설명하려는 시도입니다. 이 이론은 상대성이론과 양자론의 충돌을 해결하기 위해 고안되었는데, 이 충돌은 플랑크 길이라는 아주 작은 영역에서 일어나는 양자적 요동 현상 때문입니다. 양자론은 이 양자적 요동을 예견했지만 중력장이 이 요동에 영향을 받기 때문에 상대성이론과 일치하지 않았습니다. 초끈 이론은 이러한 문제를 해결하고 두 이론을 통합하기 위해 만들어진 이론입니다.

초끈 이론은 자연계의 입자를 끈의 진동으로 나타냅니다. 끈의 진동은 파장의 길이가 끈의 길이의 정수배여야 한다는 조건이 있습니다. 따라서 초끈 이론에 따르면 입자의 개수는 사실상 무한합니다. 짧은 파장을 가진 끈은 큰 질량을 가지는데, 이로 인해 우리가 지금까지 질량이 큰 입자를 발견하지 못한 것으로 설명될 수 있습니다.

또한 초끈 이론은 숨겨진 차원을 가정합니다. 예를 들어 1차원 선을 말아서 원통 모양의 2차원 물체를 만든다고 생각해봅시다. 이때 원통의 두께가 매우 얇다면 멀리서 보았을 때 그 물체는 2차원 물체가 아닌 1차원 끈으로 보일 것입니다. 이와 같이 차원을 매우 작게 만들어 숨길 수 있는데, 초끈 이론에 따르면 우리 세상은 9차원 공간을 가지고 있으며, 플랑크 길이 안에는 6차원의 공간이 숨어있다고 설명됩니다.

초끈 이론은 플랑크 길이 이하의 영역에서 일어나는 양자적 요동을 설명하여, 이 영역의 현상은 관측할 수 없다는 점을 설명합니다. 이러한 관측되지 않는 현상은 고려할 필요가 없는 현상으로 간주되며, 초끈 이론은 모든 것의 이론(TOE) 후보로 주목받게 되었습니다.

초끈 이론에는 초대칭성의 개념이 적용됩니다. 초끈 이론 이전의 보존 끈 이론은 스핀이 정수인 입자만을 설명할 수 있었는데, 스핀이 반정수인 입자를 설명하기 위해서는 페르미온이 필요했습니다. 초끈 이론에서는 초대칭성 개념을 도입하여 보존 끈 이론과 다르게 스핀과 끈의 진동 패턴이 대응되는 것을 설명합니다. 이를 통해 초끈 이론은 다양한 입자를 설명할 수 있게 되었습니다.

초끈 이론은 다양한 유형의 이론으로 구성되어 있습니다. 이들 이론은 보손 끈, 페르미온의 진동패턴이 각각 대응된다는 점을 공유하지만 세부 내용은 서로 다릅니다. 따라서 시일이 지난 후 이들 이론을 통합할 수 있는 후보로는 m-이론이 제시되었습니다. 

 

M-이론이란?

M-이론은 물리학에서 모든 초끈 이론과 11차원 초대칭 중력 이론을 하나의 이론으로 통합하려는 시도입니다. 이 이론은 1995년에 에드워드 위튼에 의해 제안되었습니다. 그는 5가지의 초끈 이론과 11차원 초대칭 중력 이론이 모두 같은 이론인 "M-이론"의 서로 다른 극한 경우라는 것을 제안했습니다. M-이론은 11차원에서 진행되며, 여기서 추가 차원은 초끈 이론의 10차원에 추가되어 통합되는 것이라는 것이 제안되었습니다.

 

M-이론에 따르면, 우리가 관측하는 4차원 우주는 실제로는 더 높은 차원의 공간의 특정 영역일 뿐입니다. 여기서 '끈'들은 이론에서 설명하는 입자들을 형성하며, 이러한 끈들은 더 높은 차원에서 진동하고 있습니다.

M-이론은 여전히 완전히 이해되지 않았고, 많은 연구가 진행 중입니다. 이는 양자 중력 이론과 모든 기본 입자와 힘을 설명하려는 '모든 것의 이론'(TOE)으로서의 끈 이론을 보완하는 데 필요한 개념입니다. 그럼에도 불구하고 이는 여전히 이론적인 발전 단계에 있으며, 실험적으로 검증하기는 매우 어려우며 아직 입증되지는 않았습니다. 이로 인해 이 이론에 대한 비판도 많습니다. 그럼에도 불구하고, M-이론은 표준 모델과 일반 상대성 이론의 결합을 통해 우리 우주의 모든 물리적 현상을 설명하는 가장 유력한 이론 중 하나로 여겨집니다.

이렇게 높은 차원의 이론들은 우리가 이해하기는 어렵지만, 그럼에도 물리학에서는 이러한 이론들이 우리가 아는 세계를 설명하는 데 필요한 중요한 도구라고 생각합니다. 이들 이론은 우리가 아직 이해하지 못하는 우주의 비밀들을 설명하는 키가 될 수 있기 때문입니다.