"우리가 자유롭게 결정하고, 존재하는 것조차 물리학이다!"
모든 순간의 물리학, 카를로 로벨리 지음
세상에서 가장 아름다운 이론
#1. 일반 상대성이론의 탄생
1905년, 아인슈타인은 <물리학 연보>에 논문 세 편을 보냈다:
① 원자가 실제로 존재한다는 것을 증명
② 양자역학의 시초가 된 광자에 대한 이론
③ 상대 이론
그리고 1915년, 중력 이론에 대한 논문을 완성한다 :
상대성 이론과 중력은 논리적으로 상충하는 부분이 있었고, 뉴턴 이후 최고의 이론으로 자리하고 있던 '만유인력'은 의심을 받게 된다. 그리고, 아인슈타인은 중력과 상대성이론이 양립할 방법을 찾아낸다.
이 이론이 바로 "일반 상대성 이론"이다.
#2. 공간에 대한 인식의 변화
뉴턴 says
- 모든 것은 서로를 끌어당긴다 (중력)
- 우주를 담고 있는 빈 공간이 존재한다. 이는 힘이 가해지지 않을 때 물체가 직선으로 움직이게 한다.
마이클 패러데이 & 제임스 클러크 맥스웰 says
- 전자기장: 눈에 보이지 않지만, 전자기파를 사방으로 퍼뜨려 공간을 채우고, 때로는 진동하여 물결이 생기는 장. 이는 전력을 주위에 전달하기도 한다.
아인슈타인 says
- 중력에도 전력과 같이 장(field)가 존재한다.
- 이 중력장 자체가 공간이다 (일반 상대성 이론)
- 공간도 물질과 다를바가 없으며, 물결을 이루며 휘기도 하고 굴절하기도 하는 실체이다.
#3. 아인슈타인이 사용한 언어
- 리만곡선(R): 곡선 공간의 특성을 수학적 명제들로 포착
- 아인슈타인은 R을 물질 에너지에 비례하는 수로 정한 방정식을 썼다.
: 공간은 물질이 있는 곳에서 곡선을 이룬다!
#4. 아인슈타인 방정식이 담고 있는 우주는...
- 태양이 빛을 굴절시킨다고 예측함
- 공간 뿐만 아니라 시간도 곡선이 되기 때문에...
> 특수 상대성 이론: 속도가 빠른 곳에서는 시간이 천천히 흐른다
> 일반 상대성 이론: 중력이 센 곳에서는 시간이 천천히 흐른다
- 블랙홀의 존재를 예측
> 별이 수소를 다 태우고 열기도 사라지게 되면 스스로의 무게에 짓눌리고, 공간을 매우 강하게 휘게 하여 빛조차 빠져나올 수 없는 구멍을 만들게 된다.
- 공간은 확장/팽창할 수 있고, 더 나아가 공간은 정지된 상태로 있을 수 없으며 항상 확장하고 있다.
> Big bang theory: 이는 추후 우주 배경 복사를 관측하며 확인됨
- 공간이 중력파의 영향으로 바다처럼 물결을 이루고 있으며, 이러한 현상이 쌍성에서 관측될 것으로 예측
> 2016년 LIGO에서 중력파의 존재를 탐지함
#5.
이 모든 것은 "공간(space)와 장(field)이 같다"라는 개념에서 만들어진 결과이다.
양자역학
#1. 양자역학, 개념의 탄생
1900년, 막스 플랑크는 뜨거운 열 상자 속 균형 상태에 있는 자기장을 계산하고자 하였는데, 이를 위해서는 전기장의 에너지가 양자(quantum)와 같은 덩어리 형태로 분포되어 있다고 가정해야만 했다.
- 이전까지만 해도 "에너지"는 연속적으로 변하는 것이라고 생각되었다.
- 그런데 "에너지가 양자와 같은 형태로 분포되어 있다"는 것은 에너지르래 벽돌로 된 물체와 같이 취급한 것이다.
- 여기서 양자란, 더이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량 단위를 의미하는데, 물리량인 에너지에 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위, 혹은 해상도를 높일 수 없는 최소 단위(=불확정성의 원리)가 존재한다는 아이디어는 현대 과학이 양자 개념을 받아들일 수 있는 기반이 되었다.
#2. 양자의 실재를 보이다
1905년, 아인슈타인은 이러한 에너지 덩어리가 실재함을 보였다.
- 광자(photon): 빛은 빛 입자가 모여서 만들어진다는 것을 증명함
- 빛 에너지는 공간 내에서 연속적으로 분포해 있는 것이 아니라
> 공간 속의 특정한 지점에 위치하고
> 이동은 하지만 서로 분리되지 않으며
> 각각 하나의 개체로서 생산되고 흡수되는 일정한 수의 "에너지 양자"로 이루어진다.
#3. 양자 도약 (quantum leap)
1910~1920년, 닐스 보어는 원자 속에 있는 전자 에너지도 빛과 같이 '양자화'된 일정 값만 취할 수 있고, 전자들은 특정한 에너지 값만을 허용하는 원자 궤도에 있는 한 원자 궤도에서 다른 원자 궤도로 "점프"할 수만 있으며, 점프를 하는 동안 광자를 방출하거나 흡수한다.
#4. 양자역학 기본 방정식의 정립
1925년, 양자역학의 기본 방정식이 정립되었다.
- 이는 뉴턴의 역학 전체를 대체할 수 있는 이론 방정식으로
- 주기율표의 구성, 원소들의 나열과 원소들이 각각의 특성을 가지는 이유를 설명한다.
- 이는 모든 원소가 양자역학의 기본 방정식을 따르기 때문이다!
#5. 베르너 하이젠베르크, 불확정성의 원리
- 전자가 언제 어디서나 존재하는 것은 아니다.
- 전자는 무엇인가와 상호작용할 때에만 존재한다.
- 즉, 전자는 어느 한 장소에서 무엇인가에 부딪히면 물질화되는데, 이때 물질화된 수치를 계산할수도 있다.
- 이러한 "양자 도약"은 실제로 전자들이 존재하는 방식이다.
- 방해하는 요소가 아무것도 없으면, 정확히 어느 장소에 존재한다고 말할 수 없다.
- 부딪히지 않는 한, 그 무엇도 확실한 자기 자리를 갖지 못한다.
이렇게 상호작용을 외해 부딪힌다라는 것을 설명하기 위해 양자역학에서는 실재 공간이 아닌 추상적인 수학 공간에 존재하는 함수를 사용한다. 양자 도약은 대부분 우발적이고, 예측할 수 없는 방식으로 이루어진다. 전자가 여기 혹인 저기에 나타날 가능성은 계산할 수만 있을 뿐, 어디에서 또다시 나타날 것인지 예상하는 것은 불가능하다.
#6.
아인슈타인은 이 "이상한 세계"로의 도약을 받아들이지 못하였고, 양자역학의 모순을 증명하기 위해 빛상자에 대한 사고 실험을 고안했다.
이밖에도 아인슈타인은 여러차례 양자역학 이론에 대한 반문을 제기했고, 이에 대해 양자역학의 아버지 닐스 보어는 적절한 답변을 찾아냈다. 아인슈타인과 닐스 보어의 대화는 수년간 계속되었고, 이 과정을 통해 위대한 두 과학자는 한 걸음씩 물러나 생각을 바꿔야 했다고 한다. 아인슈타인은 보어의 이론에 실질적인 반박의 여지가 없다는 것을 인정해야 했다. 하지만 어떤 것과 상호작용을 일으키는지와 상관없는 객관적인 실체가 존재한다는 핵심적인 내용을 양보하지 않으려 했다. 보어는 그의 이론이 간단하지도, 명확하지도 않다는 것을 인정해야 했다. 아인슈타인이 사망하였을 때, 그의 가장 큰 경쟁 상대였던 닐스 보어는 감동적인 존경심을 표했으며 몇 년 후 그가 사망하였을 때, 그의 사무실에는 아인슈타인의 사고 실험에서 언급된 "빛이 가득한 상자" 그림이 그려 있었다.
#7.
양자역학 방정식은 현대의 모든 과학기술에서 유용하게 활용되고 있다. 하지만 양자역학 이론들은 여전히 간단하지도, 명확하지도 않다. 이 이론들은 물리계에서 어떤 현상이 벌어지는 못하면서, 한 물리계가 다른 물리계에서 어떻게 인지되는지만 설명하려 한다.
입자
#1. 기초 입자
- 우주 안에는 빛과 물질들이 이동하고 있다.
- 빛은 빛의 입자인 광자로 이루어져있다.
- 우리가 눈으로 볼 수 있는 물질은 원자이다.
- 원자는 모두 주위에 전자를 가지고 있는 핵이다.
- 모든 핵은 양성자와 중성자(quarks, 쿼크)로 구성되어 있고, 이들은 단단하게 묶여 있다. 즉, 우리가 만지는 모든 물체들이 전자와 쿼크들로 이루어져 있다.
- 양성자와 중성자 안의 쿼크가 붙어있도록 하는 힘은 글루온이다.
즉, 전자, 쿼크, 광자, 글루온은 우리 주변 공간에서 움직이는 모든 것의 구성 요소이다.
이러한 입자는 열두 가지밖에 되지 않고, 이것이 바로 입자 물리학에서 연구하는 "기초 입자"이다.
#2. 입자의 성질
입자들은 공간들을 채우고 있지만, 자갈과 같은 물체가 아니라 기본적인 "장"에 상응하는 "양자"이다.
- 이들은 기본적으로 '여기(excitation)'상태에 있고
- 유동적이다. (흐름이 있는 작은 파동이다)
- 또한 양자역학의 법칙에 따라 나타난다 -> 불안정하다. 하나의 상호작용이 일어나면 또 다른 상호작용으로 계속 이어진다.
#3. 공간에 대하여
공간 중 원자가 없는 빈 영역을 관찰해보면 이러한 입자들이 무리를 형성하고 있고, 따라서 진짜 완벽하게 빈 공간은 존재하지 않는다.
#
'완벽하게 빈 공간은 존재하지 않는다'
입자들이 무리를 형성하고 있는데, 이들은 '양자'로 양자역학의 법칙에 따른다. 입자는 유한한 존재인가? 그런 존재는 유한히 존재해 유한한 공간을 이루는가? 완벽하게 빈 공간은 존재하지 않는데 전자는 상호작용이 일어나기 전에는 어디에 존재한다고 할 수가 없고, 하나의, 상호작용은 다른 상호작용으로 이어지고... 유한과 무한, 여기에 불안정성이 더해져 도대체 세계가 어떻게 이루어져 있는 건지 ㅎㅎ...
#4. 우리가 살아가는 세상은
불안정하지만 끊임없이 나타나는 물질들이 떼를 지어 있는 곳.
하나가 나타나면 다른 것은 사라지는 일이 꾸준히 반복되는 곳.
#5. 기본 입자의 표준모형
- 이 모형은 리처드 파인만, 겔만 등 위대한 과학자들의 참여 하에 1970년대까지 천천히 정립되었고, 이전에 예측한 내용들이 수많은 실험을 통해 입증되었다.
- 2013년 힉스 입자의 발견도 표준모형 확인의 사례이다.
- 그런데, 이 모형에는 눈에 띄는 결함이 존재하는데 바로 "암흑물질"의 존재이다.
> 은하들 주위의 거대한 물질 무리의 영향력을 관찰한 결과, 이들은 별을 끌어당기고 빛을 굴절시키는 중력을 지닌다.
> 하지만 이들은 눈으로 볼 수도 없고, 어떻게 만들어졌는지도 모른다.
> 표준모형으로 설명이 가능하다면, 언젠가 관측도 가능할 텐데 그렇지가 못하다.
> 즉, 원자도, 중성미자도, 광자도 아닌 그 무언가가 존재한다.
- 그래도 중력과 암흑물질을 제외하고는, 표준모형은 눈에 보이는 세상의 모습을 잘 설명한다 ㅎㅎ
#6. 현재로서 물질에 대해 하는 것은
우리 눈에 아무것도 없는 것 같아 보이지만 끊임없이 탄생과 소멸을 거듭하는 몇 종류의 기본 입자들이 진동과 함께 우주 공간에 무리 지어 나타난다는 것.
공간 입자
#1. 이론물리학의 연구 분야
일반 상대성 이론 -> 우주학, 천체물리학, 중력파, 블랙홀 연구,...
양자역학 -> 원자물리학, 핵물리학, 기초입자물리학, 응집물질물리학, ...
그런데, 일반상대성이론과 양자역학은 현재의 형태로는 모순된다.
예를 들어 일반상대성이론에서는 모든 것이 연속적인 곡선 공간이라고 말하지만, 양자역학에서는 에너지 양자들이 불연속적으로 점프하는 평평한 공간이다.
#2. 양자중력
그래서, 일반상대성이론과 양자역학의 모순을 해결하고자 등장한 것이 양자중력에 대한 연구이다.
이 이론에서는 여러 방정식의 총체이자, 이 세상에 대한 관점이 일관된 이론, 이를테면 정신분열증까지 해결할 수 있는 이론을 찾는 것을 목표로 한다.
이렇게 두 이론이 완전히 상반된 내용임에도 불구하고 동시에 성공적인 경우는 물리학에서 처음이 아니다. 그리고 상반된 이론들을 통합하고자 하는 노력은 세상을 이해하는 데에 큰 도움을 주었다.
#3. 루프 양자중력이론
- 일반상대성이론과 양자역학을 결합하려는 시도에서 나온 이론.
- 두 이론이 서로 호환될 수 있도록 적절하게 재작성한 내용 이외에 다른 가설은 전혀 사용하지 않음
- 대신, 현실 구조를 근본적으로 변경한 급진적인 시도이다.
일반상대성이론 says...
- 공간은 역동적인 것
- 우리가 존재하는 공간은 유동적인 연체동물과 같아 압축될 수도, 비틀어질 수도 있다.
양자역학 says...
- 모든 종류의 장은 양자로 이루어져 있고
- 물리적인 공간 역시 양자로 이루어져 있다.
- 즉, 공간은 무한히 나누어지지 않으며, '공간 원자'로 이루어져 있다.
- 공간 원자는 가장 작은 원자핵보다도 수십, 수천억 배 작은 아주 미세한 크기이다.
루프 양자중력은 수학적인 형식을 이용해 이러한 공간 원자와 원자들의 진화를 정의하는 방정식을 설명한다.
#4. 루프 (Loop)
모든 원자는 고립되어 있는 것이 아니라, 다른 비슷한 것들과 고리로 연결되어 공간의 흐름을 이어주는 관계 네트워크를 형성한다
* 이때 공간 양자는 어디에도 없다. 양자들은 그 자체가 공간이고, 공간은 각각의 양자들을 통합해 만들어진다.
#5. 공간과 시간
공간, 연속적인 공간에 대한 개념이 사라지면 사물과 별개로 흐르는 기본적인 시간에 대한 개념도 사라진다.
공간과 물질의 입자를 설명하는 방정식은 더 이상 시간의 변화를 수용하지 못한다.
이 결론은 모든 것이 변화하지 않는다는 이야기가 아니라,
변화가 편재하지만 기본적인 과정들이 평범한 시간(순간)의 흐름에 따라 정리될 수 없다는 것을 의미한다.
모든 자연의 춤은 이웃해 있는 것들과 상관없이 자신만의 리듬에 따라 진행된다.
시간의 흐름은 세상 안에 있고, 그 세상 안에서 양자들 간의 관계에서 만들어진다.
양자들 간에 발생하는 사건들이 세상이고, 그 자체가 시간의 원천이다.
#
세상을 수용하는 공간도, 다양한 사건들이 일어나는 긴 시간도 존재하지 않는다. 공간 양자와 물질이 상호작용하는 기본적인 과정만이 있을 뿐이다. 시간과 공간을 바라보는 양자중력의 관점에는 알듯 말듯한 울림이 있다. 우리 주위를 맴도는 공간과 시간의 환영은 공간 양자와 물질이 상호작용하는 과정이 무더기로 발생할 때의 희미한 모습이다.
#6. 루프 양자중력이론의 아이디어: 블랙홀
별을 구성하던 물질이 붕괴되면 블랙홀 안으로 빨려 들어가 물질 자체의 무게에 짓눌렸다가 우리의 시야에서 사라진다.
이들은 어디로 가는 것인가?
- 이론이 맞다면, 물질은 무한한 어느 한 지점에서 실제로 붕괴할 수는 없다. '무한한 지점'이 존재하지 않기 때문이다.
- 따라서 자신의 무게에 짓눌린 물질은 밀도가 점점 높아지고, 양자역학이 반대 압력을 발생시킬 필요 없이 스스로의 무게를 상쇄할 수 있는 상태에 이른다.
- 이렇게 수명이 다한 별의 마지막 상태를 가상으로 설정한 것을 '플랑크의 별'이라고 부르는데, 여기에서는 시공간의 양자 파동에 의해 발생한 압력이 물질의 무게 균형을 맞춘다.
- 블랙홀 안에서 태양을 구성하던 물질이 계속 가라앉다가 결국 플랑크의 별이 되는데, 이 태양물질의 크기는 원자와 비슷하다.
- 즉, 태양물질 전체가 원자 하나의 공간 속에 응집되는 것이고 이렇게 물질이 극단적인 상태가 되면 플랑크의 별이 만들어진다.
- 이는 안정적이지 않다. 최대로 압축되면 튕겨올라 팽창하기 시작하고, 이것이 블랙홀을 폭발 상태에 이르게 한다.
- 만약 가상의 관찰자가 블랙홀 안의 플랑크의 별 위에 앉아 이를 관찰한다면, 이 과정은 한순간의 점프와 같이 매우 빠르게 느껴질 것이다. 하지만 블랙홀 외부에 있는 사람에게는 시간이 같은 속도로 흐르지 않는다. 블랙홀 밖에서 이 '점프'를 관찰하는 사람에게는 이 순간이 아주 길게 느껴질 것이다. 그래서 블랙홀은 아주 오랜 시간 현재의 모습을 유지하리라고 예상할 수 있는데, 블랙홀은 바깥에서 보면 아주 느린 속도로 도약하는 별이기 때문이다.
#7. 우주의 시작
루프 방정식은 우주의 역사를 아주 오래전부터 재구성할 수 있게 하였다.
우주가 극도로 압축된 상황에 양자이론을 적용하면 빅뱅이 일어나 "빅 바운스(big bounce)"가 실제로 일어났을 가능성이 높다. 이 세상은 현재 이전의 우주에서 만들어졌을 수 있다. 과거의 우주가 자체의 무게에 압축되어 아주 작은 공간에 짓눌리다가 "재도약"을 한 후, 다시 확장하기 시작해 현재 우리 주위에서 계속 확장하는 우주가 된 것이다.
재도약의 순간은 공간과 시간이 모두 사라지고 세상이 수많은 가능성의 구름 속에 녹아들어 있는 순간, 즉 진정한 양자중력의 순간이 펼쳐졌을 것이다.
현재의 우주는 그보다 한 단계 전의 도약에서, 공간도 없고 시간도 없는 중간 단계를 통과하면서 탄생했을 수도 있다.
"우리는 너무 많은 선입견을 가지고 있으며, 우리가 예측하는 세상의 모습은 지극히 부분적이고 확실치도 않습니다. 우리 스스로도 그런 것을 잘 알고 있지요. 세상은 우리 눈앞에서 조금씩 계속 변화하고 있고, 우리도 그런 변화를 느낍니다."
- 카클로 로벨리 -
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