[스크랩] ebs 초끈이론

 

 

 

● 아인슈타인의 목표: 우주 모든 법칙을 하나로 통합해 전부를 아우르는 통일장 이론 만들기 ==> 현대 물리학의 지상 과제

● 끈이론

 - 우주의 모든 것이 상상할 수 없이 작은 끈(진동하는 에너지)으로 이루어져 있음

 - 우주 만물을 구성하기 위해 작은 끈들의 다양한 형태로 진동함

 - 우주는 진동하는 가느다란 끈들이 연주하는 다채로운 음이 모여서 만들어진 거대한 교향곡

 - 모든 것을 단 하나의 원리와 방정식으로 통일하는 것이 목표

● 통일된 이론(UNIFICATION)

 - 우주의 모든 것을 하나의 개념 또는 하나의 방정식으로 기술할 수 있는 법칙

 - 물릭학의 목표: 더 많은 우주의 현상을 보다 더 간단한 원칙으로 설명

● 뉴턴의 중력(G)법칙

 - 사과를 땅으로 잡아당기는 힘과, 달이 지구궤도를 돌게 하는 힘이 동일한 하나의 힘

 - 천체와 지구를 중력이라는 하나의 이론으로 통합

 - 중력의 힘을 나타내긴 했으나, 중력이 어떻게 작용하는지는 설명 못함

● 아인슈타인

 - 빛의 속도가 우주에서의 한계속도이며, 온 우주에서 그 속도를 능가하는 것음 없다는 것을 발견

 - 빛의 속도 보다 빠른 것은 없다는 개념이, 뉴턴의 중력 법칙에 위배

● 뉴턴 vs 아인슈타인

 - 태양이 파괴된다면,

 - 뉴턴: 파괴되는 즉시 행성들은 궤도를 벗어남 => 거리에 상관없이 중력이 즉시 작용

 - 아인슈타인: 태양의 빛이 지구까지 오는데 8분이 걸림. 중력이 빛보다 빨리 이동할 수 없기에, 태양이 파괴되더라도 즉시 행성이 궤도 이탈을 하지 않을 것

 - 그럼 왜 행성들이 궤도를 도는 이유는? 중력이 우주의 한계속도를 넘어설 수 없다는 것을 증명해야 됨 ==> 이를 증명하기 위해 새로운 이론 필요

● 아인슈타인 일반 상대성 이론

 - 중력이 시간과 공간의 장을 구부러지거나 휘어지게 함

 - 중력이 무엇인가에 대한 새로운 인식 심어 줌.

 - 하나의 시공간에 3차원의 공간과 1차원의 시간이 한데 섞여있다고 생각

 - 4차원으로된 시공간을 기하학적으로 이해

 - 통합된 시공간에서 행성이나 항성같은 무거운 물체에 의해 구부러지거나 휘어짐

 - 지구가 태양주의를 도는 것은, 태양이 중력으로 지구를 잡아당기는 것이 아닌, 태양때문에 생긴 공간의 굴곡을 그냥 따라 돌기 때문

 - 만약, 태양이 파괴되는 경우 중력으로 인한 영향력은 우주 공간에 물결처럼 퍼져나가는 파장을 형성, 이 파장이 지구에 다다를때까지 태양 주의의 궤도를 벗어나지 않음

 - 중력의 파장이 빛의 속도와 똑깥이 이동

● 아인슈타인의 새 목표: 만물의 이론 만들기

 - 자신의 중력 이론(G)과 이미 알려져있던 전자기력(EM) 통합하여 전 우주의 모든것을 설명할 수 있는 궁극적인 방정식(만물의 이론) 만들기

 - 전자기력: 맥스웰이 수학을 통해 전기력과 자기력의 관계 설명하는 4개의 방정식 발견하여,  전기력과 자기력을 통합

 - 문제: 전자기력이 지구의 중력보다 수십억배 강함

● 양자역학의 시작

 - 1920년대 닐스보어를 주축으로 구성

 - 오랫동안 물질의 최소단위로 여겨져왔던 원자가, 더 작은 입자 즉 양자와 중성자로 된 원자핵과    그 주위를 도는 전자로 구성되어져 있음

 - 아인슈타인과 맥스웰의 이론은 원자 안에서 서로 상호 작용하는 작은 입자들을 설명하는데는 무용지물

 - 양자역학으로 미시세계를 정확히 설명하는데 성공했지만, 너무 급진적인 이론이라 자연계에 대한 기존 시각을 완전히 전복시킴

 - 아인슈타인: 우주는 질서정연하고 예측 가능함

 - 닐스고어: 원자의 소립자의 수준으로 볼 때, 세계는 예측 불가능한 게임의 세계. 원자나 양자의 차원에서는 확실한 규칙이 없음. 가능성을 예측하는게 최선.

 - 아인슈타인 '신은 주사위를 던지지 않는다'는 말로, 양자역학 반대

 - 1930년대 원자의 비밀을 풀어냄

 - 원자의 구조를 연구하는 과정에서 우주를 지배하는 힘이 중력과, 전자기력 외 광력(S)과 양력(W) 발견

 - 강력(S): 모든 원자의 원자핵 형태 유지시켜주며, 양성자와 중성자를 단단하게 결속하는 힘

 - 양력(W)우라늄이나 코발트같은 같은 원소에서 방사능붕괴를 일으키는 힘

 - 양자 수준에서 볼 때, 중력은 다른 세가지 힘에 비해 미약

● 물리학의 양대진영

 - 항성과 은하계 우주 전체와 같이 크고 무거운 대상을 연구하는데 일반상대성이론 적용

 - 원자와 소립자 같이 작은 물체를 연구하는데 양자역학 이용

● 블랙홀

 - 고밀도 항성처럼 거대한 물체가 극단적인 수축을 이르키면 시공간이 뒤틀리게 되어 그 안의 중력이 무한대가되어, 빛조차 탈출 못함

 - 블랙홀의 중심이 작고 무겁기 때문에 동시에 두 이론(G, S/W/EM) 적용, 하지만 두 이론은 서로 충돌

● 끈이론

 - 미시세계이론과 거시세계이론을 하나로 통합, 우주 만물을 설명할 수 있는 길이 열릴지 모름

 - 우주를 구성하는 최소단위가 점 같이 생긴 입자가 아닌, 끊임없이 진동하는 가느다란 끈

● 결론

 - 뉴턴  "난 바닷가에서 노는 어린 소년과 같았다. 더 예쁜 조개와 더 둥근 조약돌을 찾는 동안 내 앞에는 거대한 진실의 바다가 진실을 가린 채 누워 있었다."

 - 아인슈타인: 거대산 진실의 바다 즉 자연계의 모든 법칙이 몇개의 수학적 법칙으로 표현되는 간단한 이론임을 보여 줌

 - 끈이론: 아인슈타인의 통합에 대한 꿈을 이루기 직전에 와있음

[출처] EBS 끈이론 - 1부 우주 비밀의 열쇠 끈이론의 출현|작성자 송묘

 

진동하는 가느다란 끈으로 이뤄진 우주

양자역학과 일반상대성이론이 통합될 수 없는 이유는 무엇인가?

우리가 살고 있는 시공간에 '여분의 차원'이 존재하는가?

여러 개의 변형이론이 대두된 '끈이론'

 

※ 끈이론(String Theory)

 - '끈'이라 불리는 1차원적 물체가 자연의 근본 물질이라느 가정에서 출발한 통일장이론

 - 기존 물리학이 자연계를 구성하는 최소 단위인 원자와 그 속의 소립자들을 극도로 작은 구형이나 점으로 생각하였으나, 끈이론에선느 최소 구성 단위가 진동하는 작은 끈이라고 주장

 

● 우주에 대한 2가지 이해방식

 (1) 아인슈타인 일반 상대성 이론(General Theory Of Relativity)
 - 별과 은하계 같은 우주의 거대한 물체를 이해하는 방식

 - 시공간이 중력과 상호 작용하여 그 결과가 시공간의 곡률로 나타난다는 중력 이론

 (2) 양자역학(Quantum Mechanics)

 - 우주의 작은 물체들 즉 원자보다 작은 소립자를 설명하는 체계

 - 미시세계의 원자나 소립자들의 운영방식을 지배하는 역학 원리

 

● 일반상대성이론과 양자역학의 충돌

 -  양자역학에서 말하는 현란하게 요동치는 시공간의 모습은 일반상대성이론이 묘사한 매끄럽고 질서정연하며 기하학적인 시공간모델과 정면으로 충돌

 - 두 이론을 함께 설명할 수 있는 방정식이 만들어지면 언제 어디에서 어떻게 우주가 운영되는지, 그 비밀이 밝혀질 것

 ==>  미시세계와 거시세계를 통합하고, 양자역학과 일반상대성 이론을 하나로 엮을 수 있으며 절대 깨지는 않는 그런 이론 필요

 

● 우주를 지배하는 4가지 힘 [물리학에서 가정하는 4가지 힘...]

원자의 분리에서 부터 별의 탄생에 이르기까지, 우주의 모든 사건은 아래 네 가지 힘이 물질과 상호작용하며 일어남

(1) 일방상대성 이론: 중력(G)

(2) 양자역학

 - 강력(S): 원자안에서 양성자와 중성자를 단단하게 결속시키며 원자핵의 형태를 유지시켜주는 자연계의 힘(Strong Nuclear Force)

 - 전자기력(EM): 전기력과 자기력이 합해진 힘

 - 약력(W): 방사능 붕괴를 일으키는 힘

 

● 끈이론의 탄생

 - 1968년 이탈리아 물리학자 가브리엘 베네치아노가 강력을 설명하는 방정식을 찾는 과정에서, 우연히 레온하르트 오일러가 기술한 오일러의 방정식을 보게 되고, 이 방정식이 강력을 기술하는 방정식이라고 생각함

 - 미국의 레너드 서스킨드가 오일러 방정식이 탄력있는 끈 입자를 기술한다고 생각

 

● 표준모델

 - 주류 물리학에서는 입자가 점이라고 믿음

 - 입자들을 고속으로 부딪치게하여 입자의 반응을 조사, 충돌효과 연구해 온 결과, 자연계에 존재하는 입자가 생각보다 훨씬 많다는게 밝혀짐

 - 입자물리학(?): 자연계의 기본 힘을 입자로 설명할 수 있음

 - 전자기력, 강력, 약력에도 매개입자가 존재한다는게 밝혀짐

 - 140억년전 빅뱅 직후 초고온상태에서는, 약력과 전자기력이 한데 합쳐서 전자기약력이라는 단일한 함을 이루었을 것이라고 믿음

 - 시간을 더 거슬러 올라가면, 우주는 전자기약력과 강력이 합해진 Super Force 상태였을 것이라고 믿음

 - 표준모델(Standard Model): 자연계에 존재하는 4가지 힘 중에서 중력을 제외한 모든 힘들을 통합하는 이론

 - 한계: 미시세계를 지배하는 세 가지 힘을 설명하였으나, 중력은 포함시키지 못함

 - 표준모델에 가려져 끈이론은 물리학의 변방이 됨

 

● 끈이론의 문제점

 - 기존 물리 이론과 상충하는 입자를 예측(타키온 Tachyon: 빛보다 빠르다는 가상의 입자)

 - 존 슈바르츠 물리학자: 불규칙적인 방정식을 정리하려고 노력하는 중, 중력 이론을 함께 다루어야 한다고 생각함,  끈이 원자보다 수천억배 작다고 가정

 - 중력자(Gravition): 중력적 상호작용에서 교환하는 가성적인 입자 또는 에너지 양자. 양자의 세계에서 중력을 매개하는 입자

 - 하지만, 방정식의 수학적 변칙성(Anomalies)을 해결해야 하는 과제가 남음

 - 1984년, 변칙성을 해결하는 방정식 발표, '만물의 이론(Theory Of Everything): 모든 물질과 모든 힘을 포함하는 양자역학적 이론' 이라는 칭호를 받음

 - 원자 > 원자핵(양성자 + 중성자 => 쿼크 > 진동하는 가느다란 끈) + 전자

 

● 끈이론의 핵심

- 끈 들이 진동하는 패턴에 따라 입자마다 고유한 질량과 전하가 생김

- 미시세계에서 바라 본 혼란스럽고 예측불가능한 우주와 거시세계에서 바라 본 평온한 우주 사이의 충돌 해소

 - 일반상대성 이론이 중력에 의해 시공간이 부드럽게 휘어진다고 주장한 반면, 양자역학은 초미세영역에서 일어나는 양자의 요동때문에 시공간이 부드럽지 않음

 - 끈이론은 물질의 궁극적인 최소단위가 점이 아닌 끈이라고 주장하여, 두 이론의 대립 해결

 

● 끈이론의 단점

 - 실험을 통해 검증할 수 없음

 - 복잡한 방정식을 풀기위해 '여분의 차원'이라는 개념 도입

 

● 여분의 차원

 - 1916년 아인슈타인 중력이 4차원의 시공간을 구부러지고 휘어지게 한다는걸 밝힘

 - 1919년 칼루자가 전자기력도 잔물결같은 파문을 일으킬수 있다고 주장

 - 이 주장을 증명하기 위해 물결이 일어날 수 있는 여분의 차원이라는 개념 도입

 - 여분의 차원은 원자보다 수십배 작기 때문에, 우리가 볼 수 없다고 주장

 - 우리 주변 곳곳에 여분의 차원이 존재한다는게 끈이론의 핵심(하나가 아닌 여섯개의 여분의 차원 필요)

 - 우리가 아주 작게 줄어들어 6차원 속으로 들어간다면 여분의 차원이 생긴 형태를 볼 수 있고, 우주의 기본 구성 단위인 끈이 어떻게 움직이고 진동하는지 볼 수 있을 것

 

● 여분의 차원과 우주

 - 우주는 잘 정비된 기계와 같음, 현재까지 과학자들이 발견한 자연계의 상수는 20개(전자의 무게, 중력의 크기, 전자기력의 크기 등)

 - 만약, 상수가 틀리게 되면 큰 변화를 미침(예를 들면, 전자기력의 크기가 커지는 경우 원자들이  서로 밀어내어 핵폭발이 일어나 태양 등 별들이 사라짐)

 - 문:무엇이 20개의 상수값을 정확하게 규정하는가?

 - 끈이론의 답: 여분의 차원. 극히 미세한 영역속에 6개의 차원이 숨어져 있음(너무 작아 관측되지 않음). 숨겨진 차원들의 기하학적 특성이 끈이 진동 패턴 좌우하는 결정적인 요인

 - 여분의 차원의 형태가 자연계의 상수를 결정 -> 끈으로 이루어진 우주를 조화롭게 유지

 

● 끈이론의 딜레마

 - 몇년 사이 다섯가지 변형이론 등장

 - 끈과 여분의 차원을 토대로 하지만, 세부적으로는 제각각(끈의 형태, 차원의 수 등)

==> 우주를 설명할 수 있는 이론은 하나여야 함

 

[출처] EBS 끈이론 - 2부 끈이론 딜레마에 빠지다|작성자 송묘

출처 : 흐르는 강물처럼

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