일반인들도 이해할 수 있는 물리학의 한 분야, '끈이론'

『엘러건트 유니버스』는 끈이론이라는 이론 물리학의 한 분야를 일반인들이 이해할 수 있도록 소개한 책이다. 그린은 컬럼비아 대학의 수학과 및 물리학과 교수이며, 끈이론의 선두 주자이기도 하다. 이 책에는 끈이론의 기본 개념과 야심에 찬 포부를 탁월한 설명력과 다양한 사례들을 통해 분명하게 전달한다. 이 책에서 저자는 끈이론을 성급하게 유도하지 않는다. 끈이론의 필수 불가결한 성질을 강조하기 위해, 우선 상대성이론과 양자역학의 핵심을 일목요연하게 정리한 후에, 이들이 서로 충돌을 일으키는 지점으로 독자들을 안내하고, 그곳에 가서야 비로소 비장의 무기인 끈이론을 제시하고 있다. 저자는 독자들을 끈이론의 세계로 이끌면서 수시로 질문을 던지고 있다. 감춰진 차원의 수는 왜 하필 7개인가? 더 많거나 적으면 왜 안 되는가? 이들은 왜 눈에 보이는 차원처럼 평평하지 않고 좁은 영역 속에 감겨진 채로 존재하는가? 끈이론에 등장하는 끈은 무엇으로 이루어져 있는가? 끈이론은 이 모든 질문들에 답을 줄 수 있어야 한다. 물론, 아직은 만족할 만한 답을 얻어내지 못했다. 그러나 저자는 이 해답을 향하여 커다란 족적을 남긴 끈이론 학자로서, 조심스럽고도 분명하게 그 가능성을 제시하고 있다.

1부 지식의 변두리에서
제1장 끈 String으로 단단히 묶다 ...021

2부 시간과 공간, 그리고 양자의 딜레마
제2장 시간과 공간, 그리고 관찰자의 눈 ...049
제3장 뒤틀림 Warps과 글곡 ripples ...095
제4장 불가사의한 미시세계 ...143
제5장 새로운 이론의 필요성이 대두되다 ...193
: 일반상대성이론 대 양자역학

3부 우주의 교향곡
제6장 그것은 그냥 음악일 뿐이다 ...215
: 초끈이론 Superstring Theory의 본질
제7장 초끈이론 Superstring의 `초 Super`란 과연 무슨 ?인가? ...256
제8장 눈에 보이는 걱 이상의 차원을 찾아서 ...281
제9장 실험적 증거들 ...315

4부 끈이론과 시공간의 구조
제10장 양자기학 Quantum Geometry ...341
제11장 공간찢기 Tearing theFabric of Space ...381
제12장 끈이론 이상의 이론 : M-이론 M-Theory을 찾아서 ...407
제13장 끈/M-이론의 관점에서 본 블랙홀 ...455
제14장 우주론 Cosmology ...488

5부 21세기 통일이론
제15장 앞으로의 전망 ...525

※ 승산 북카페 "이 책의 포럼" ☞ universe.seungsan.com 물리학은 모든 과학의 기초일 뿐만 아니라 국가 발전에 있어서 큰 역할을 담당하고 있음에도 불구하고, 과거 천재들이 가장 선망하던 대학의 물리과는 인기가 떨어지고, 이공계 대학생들 역시 어렵다는 이유로 물리 공부하는 것을 기피하는 실정입니다. 그런데다 우수한 상당수의 이과 학생들마저도 의대로 진학하는 분위기여서 미래 국가 경쟁력에 큰 차질이 예상됩니다. 이에 도서출판 승산은 물리학에 대한 국민들의 관심을 높이고, 수학과 과학에 대한 올바른 학습문화를 만들어간다는 자세로 단행본 물리학 서적 13권을 기획하였습니다. 그 중 3권 발견하는 즐거움(4쇄), 조지 가모브 물리열차를 타다(3쇄), 일반인을 위한 파인만의 QED 강의(3쇄)는 이미 출판되어 절찬리에 판매중입니다. 물리학 서적 중 네 번째로 출간되는 "엘러건트 유니버스"는 국제적인 초베스트셀러로서 물리학 전공자들뿐만 아니라 수학과 물리학을 잘 모르는 일반 대중들에게 지적 호기심을 자극하고, 뉴턴 역학부터 21세기 첨단 우주론의 방향을 이해하게 하는 데 크게 기여할 것입니다. 물리학의 첨단 이론을 원래의 모습대로 우아하게 설명하기란 결코 쉽지 않다. 그러나 브라이언 그린은 10차원 또는 11차원 끈이론의 신비를 낱낱이 파헤쳐서, 찢어졌다가 다시 붙는 시공간을 비롯하여 가장 작은 쿼크로부터 거대한 초신성에 이르기까지, 미세한 끈의 진동으로 생성. 유지되고 있는 이 우주의 모든 비밀을 귀에 익은 언어로 우리에게 설명해주고 있다. 그린은 신비한 우주의 정체를 드러내는 데 거창한 표현을 구사하지 않는다. 그는 정원에 물을 뿌리는 수도용 호스에서 끈이론의 핵심 개념을 유추해낸다. 엘러건트 유니버스는 가장 아름답고 가장 어렵기로 소문난 최첨단 이론물리학을 가장 쉽고 명쾌한 언어로 설명한 책이다. 독자들은 이 한 권의 책을 통하여 우주의 심오한 원리를 가장 가까운 곳에서 보고 느낄 수 있을 것이다."한마디로, 놀라운 책이다. 그린은 흥미진진한 학문(끈이론)을 생생한 삶의 현장으로 옮겨다 놓았다."
―Nature"너무나도 매혹적인…훌륭한 업적이다…그린은 수학 방정식을 단 하나도 사용하지 않고 일상적인 언어만 사용하여, 물리학자들이 끈이론에 자신의 삶을 흔쾌히 바치는 이유를 설득력 있게 설명하고 있다. 그린의 책을 읽다 보면, 독자들은 지독하게 추상적인 끈이론을 편한 마음으로 대하게 될 것이며, 그것이 결코 좌시될 수 없는 심오한 이론임을 온몸으로 느끼게 될 것이다."
―Sunday Telegraph 과학의 기본은 상호 관계를 찾아내는데 있다. 물리학을 예로 들자면 전기와 자기, 그리고 빛의 성질을 통합하여 전자기학이 탄생하였고, 열의 원인이 원자의 운동이라는 사실로부터 열역학과 뉴턴역학이 통합되었으며, 원자와 분자구조가 규명되면서 물질의 화학적 성질들이 이해되기 시작하였다. 이러한 새로운 발견들은 실험과 이론의 적절한 상호 협조 하에 이루어지는 것이 일반적인 사례이다. 실험을 통해 알려진 현상을 설명하기 위해 이론이 개발될 수도 있고, 새로운 이론을 검증하기 위해 실험이 실행될 수도 있다. 하나의 이론이 과학적 설득력을 가지려면, 우선 자체모순이 없어야 한다. 최근에 브라이언 그린이 집필한 <엘러건트 유니버스>는 끈이론이라는 이론 물리학의 한 분야를 이러한 테두리 안에서 훌륭하게 서술한 책이라 할 수 있다. 그린은 컬럼비아 대학의 수학과 및 물리학과 교수이며, 끈이론의 선두 주자이기도 하다. 이 책에는 끈이론의 기본 개념과 야심에 찬 포부가 매우 분명하고 조리 있게 서술되어 있다. 지난 1000년간에 걸친 과학의 미스터리 중 상당수는 지난 50년 사이에 해결되었다. 현대 물리학은 지금 두개의 커다란 기초 위에 쌓아 올려지고 있는데, 이 중 하나가 천문학적 스케일에 적용되는 아인슈타인의 일반상대성이론이며, 다른 하나는 원자 이하의 초미세영역을 설명해주는 양자역학이다. 이 두개의 이론은 지금까지 수많은 실험을 거치면서 그 신뢰도가 이미 입증되었다. 그러나 문제는 이 둘을 동일한 대상에 적용할 수 없다는 사실이다. 일반상대성이론에 의하면 우리가 살고 있는 시공간은 부드러운 곡선을 그리며 휘어져 있는 중력장으로 표현되는데, 이것이 극미세 영역으로 가면 불확정성 원리에 의해 그야말로 마구잡이로 왜곡된 공간이 되기 때문이다.그런데 물리학은 왜 지금까지 와해되지 않았는가?―지금까지는 이 두개의 이론을 동시에 적용해 본 적이 없었기 때문이다. 그러나 초창기 우주의 성질을 이해하기 위해 두 이론을 초미세 영역에 동시 적용한 후로부터 물리학은 휘청거리기 시작했다. 그리고 이 문제를 해결하기 위해 탄생한 것이 바로 끈이론이다. 끈이론에 의하면 만물을 이루는 최소 단위는 점입자가 아니라 고유의 진동패턴을 갖는 끈으로서, 이들의 진동방식에 따라 입자의 질량이나 힘전하등이 결정된다. 그런데 끈은 크기가 너무나도 작기 때문에 그 정체를 추적하는 데에는 한계가 있을 수밖에 없다. 그리고 다행히도 양자역학과 일반상대성이론이 충돌을 일으키는 영역은 이 한계를 벗어난 극미세 영역이므로 더 이상 문제될 것이 없다.
- Scientific America (Chris Quigg)하나의 교향곡처럼 잘 조화된 하모니를 이루는 물리학을 상상해 보자. 개개의 악기는 각자의 고유의 화음을 3차원의 형태로 연주하고 있다. 날렵한 형태의 바이올린과 돌돌 감긴 금속형의 호론, 그리고 천사의 날개 모양을 닮은 하프와 팬케이크처럼 생긴 심벌즈 등이 한데 어우러져 완벽한 조화를 드러낸다…… 이것은 전혀 몽상이 아니다. 브라이언 그린의 저서 <엘러건트 유니버스> 안에서 실제로 일어나고 있는 상황이다.1995년에 커다란 혁명기를 겪은 후로, 끈이론는 이제 어느 누구도 무시할 수 없는 '물리학의 희망봉'으로 그 입지를 굳히고 있다. 1980년대에는 끈이론이 '4차원 시공간과 6차원의 숨겨진 공간'을 주장하였으나, 지금은 난립하고 있는 여러 개(5개)의 끈이론들을 다시 하나로 통합하기 위해 학자들은 M-Theory(여기서 M은 'Magic', 'Mystery', 'Membrane', 'Mother', 'Matrix' 등 다중적 의미를 담고 있다.)에 시선을 집중하고 있다. 이것은 우리의 기존 상식이나 현실 세계와 너무나도 동떨어져 있기 때문에, 이해는 고사하고 그런 세계를 상상하는 것조차 어려워 보인다. 그러나 컬럼비아 대학의 물리학자이자 수학자인 브라이언 그린 덕분에, 우리는 끈이론을 이해할 수 있게 되었다. 그린은 자신의 탁월한 설명력과 다양한 사례들을 동원하여 최첨단의 이론 물리학을 일반인들의 눈앞에 펼쳐 보이고 있다. 마치 어린아이를 가르치듯이 세세한 설명을 하다가도, 필요한 부분에 가서는 일대 도약을 하면서 끈이론으로 가는 길을 인도하고 있는 것이다.<엘러건트 유니버스>는 가장 어려운 물리학을 가장 쉽게 전달하려는 목적으로 집필된 책이다. 평소 복잡한 논리를 꺼려하는 독자들이라 해도, 이 책을 통해 '11차원의 커피'에서 나는 그윽한 향기를 맛볼 수 있을 것이다. 만일 끈이론이 결국 틀린 것으로 판명된다 해도, 그 아이디어만은 끝까지 살아남아서 차세대의 혁명을 주도할 것이다. 끈이론은 1960년대 말에 쿼크quark의 결합 상태를 설명하기 위해 처음으로 제시되었으나, 당시에는 학자들의 관심을 끌지 못했다. 끈이 살고 있는 세계가 26차원인 데다가, 빛보다 빠르게 움직이는 입자들까지 양산되었기 때문이다. 결국 학자들은 쿼크의 문제를 다른 방법으로 해결하였고, 끈이론은 폐기처분 되는 듯 했다. 그러나, Caltech(캘리포니아 공과대학)의 물리학자인 슈바르츠는 26차원을 10차원으로 줄이고 빛보다 빠른 입자들을 제거시킴으로써 끈이론을 화려하게 부활시켰다. 그리고 부활된 끈이론은 쿼크끼리의 상호작용뿐만 아니라, 그동안 베일에 싸여 있었던 중력의 비밀까지도 밝혀줄 가능성을 갖고 있었다. 이 책에서 저자는 끈이론을 성급하게 유도하지 않는다. 끈이론의 필수 불가결한 성질을 강조하기 위해, 우선 상대성이론과 양자역학의 핵심을 일목요연하게 정리한 후에, 이들이 서로 충돌을 일으키는 지점으로 독자들을 안내하고, 그곳에 가서야 비로소 비장의 무기인 끈이론을 제시하는 것이다. 양자역학의 주된 대상은 미시세계이고, 일반상대성이론은 천문학적 스케일에 적용되는 이론이므로, 이들이 조화롭게 섞이지 못하는 것은 그리 놀랄만한 일이 아니다. 그런데, 이 두 분야의 방정식을 한데 합쳤을 때 '무한대'의 해가 나온 것은 물리학에 닥친 일대 재난이었다. 이 문제를 성공적으로 해결할 수 있는 이론은 지금까지의 결과로 볼 때 끈이론이 유일한 후보이다. 물론, 끈이론을 받아들이려면 시공간에 대한 기존의 개념들을 완전히 포기해야 한다. 그래서 독자들이 난처함을 느낄 때, 저자는 "걱정할 것 없다. 누구나 겪는 일이다. 이 우주의 본성이 원래 인간의 직관과는 딴판이었다고 생각하라. 그것을 이해하는 사람은 아무 도 없다."며 위로의 말을 던지고 있다.저자는 독자들을 끈이론의 세계로 이끌면서 수시로 질문을 던지고 있다. 감춰진 차원의 수는 왜 하필 7개인가? 더 많거나 적으면 왜 안 되는가? 이들은 왜 눈에 보이는 차원처럼 평평하지 않고 좁은 영역 속에 감겨진 채로 존재하는가? 끈이론에 등장하는 끈은 무엇으로 이루어져 있는가? 끈이론이 그토록 간단하고 아름다운 답을 줄 수 있다면, 이전의 물리학자들은 왜 이러한 사실을 간파하지 못했는가? 끈이론은 이 모든 질문들에 답을 줄 수 있어야 한다. 물론, 아직은 만족할 만한 답을 얻어내지 못했다. 그러나 저자는 이 해답을 향하여 커다란 족적을 남긴 끈이론 학자로서, 조심스럽고도 분명하게 그 가능성을 제시하고 있다. 과연 이 우주는 끈의 진동패턴에 의해 그 운명이 좌우되고 있는가? 앞으로 시간이 지나면 끈이론의 진위여부는 판가름 날 것이다. 그러나 결과가 어떻게 나건 간에, <엘러건트 유니버스>는 현대 물리학을 바라보는 독자들의 시야를 전 우주적 스케일로 넓혀줄 것이다.
- LA Times Book Review

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