이 글은 밑에서 “String Theory”에 관해 질문하신
“타고난혀”님에게 드리는 글입니다.

0.
과학에 관심이 많으시다는 타고난혀님에게
갑자기 호감이 샘솟습니다.
String Theory 는 밑의 thread에서 hh 님이 말씀하신 wiki에
잘 나와 있습니다만,
제가 아는 만큼만 (비 전문가로서) 설명을 해 보겠습니다.

1.
빛으로 부터 시작합니다.
여기서 빛은 light, electromagnetic waves, 또는 전자파라고
정의합니다.
빛이 무엇인지를 인간이 어렴풋이 알게 되었다고 말할 수 있는 시기는
인간 역사에서 이제 겨우 100년 정도 밖에 되지 않았습니다.
현재의 결론은 빛은 입자 (particle) 이면서
“동시에” 파동(wave) 입니다.
그러면서 또한 빛의 “질량”은 영(zero) 입니다.
그런가하면, 빛은 운동량(momentum)을 가지며,
에너지(energy)를 운반할 수 있습니다.
빛은 에너지 덩어리(analog 가 아닌 digital, quantized) 로만 존재하며
그것의 에너지는 그 파동(wave)의 주파수(frequency) 에만 관련됩니다.
여기서 주파수는 1초에 몇번 꿈틀되느냐로 정의합니다.

2.
String Theory로 돌아와서,
인간의 현재의 의문은 물질 (matter) 은 무엇이며, 무엇으로 이루어져
있을까 입니다.
예를 들어, 금 한덩이를 계속 쪼개어 가면, 무엇이 마지막에 남을까,
아니 마지막이라는 것이 있기는 있을까에 대한 의문을 풀려는
노력으로 많은 제안된 (proposed, suggested) 이론 중의 하나이며,
현재로써는 가장 그럴싸 하다고 학계에서 생각되어지는 것이 바로
“String Theory”입니다.

3.
String Theory 가 제시하는 물질의 근본에 대한 결론은,
“모든 물질은 끈 (String) 이라는 10^(-35)m 크기의 근본적인 최소 단위로 이루어져있다” 입니다.

10^(-3) m = 1 milli-meter
10^(-6) m = 1 micro-meter
10^(-9) m = 1 nano-meter
10^(-10) m = 원자 (atom) 하나 크기
10^(-15) m = 원자핵 (nucleus) 하나 크기

즉 string이 어떻게 꿈틀되느냐에 따라서, 전자(electron)도 되고,
양성자(proton) 그리고 중성자(neutron) 의 하부 구조인
쿼크(quark) 도 된다고 하는 이론이 string theory 입니다.

빛이 wave 이면서 동시에 particle이고, 주파수에”만” 따라서
에너지가 결정되어지며, 만일 그 빛이 가시광선(visible light)이라면
인간의 눈에 색깔이 주파수에 따라,다르게 보여진다는 것을
생각하면, 얼추 비슷하게 생각되어질 수 있다고 생각합니다.

4.
이제 부터는 잡담(야불이)입니다.

(1) 빛은 우주 탄생 (big bang)과 인류가 존재하게 되는 데 필수조건입니다.
그래서 성서에서 다른 무엇 보다도 먼저
“let there be light” 라고 성서의 세번째 줄에서 언급되고,
빛을 먼저 만든 사실은, 상당히 흥미롭습니다.

(2) 냉전이 한창일 때, 자유진영과 공산진영에서의 과학은
정치가에 의해서 많이 좌지우지 되었습니다.
그 중에 하나가, 바로 과연 물질의 최하 구조, 즉 더 이상
나누어 질 수 없는 기본 입자가 존재하느냐입니다.
Maxism 에 기초한 공산주의가 가지는 우주관
– 존재하는 모든 것은 변화한다 – 에 따르는 중국의
모택동은 기본 물질이란 존재하지 않으며, 세부구조는
더 세밀한 세부구조로 나누어 진다라는 생각을 합니다.
모택동과 그를 이은 주은래와 등소평은 그러한 이론을 증명하는
실험실에 대한 지원을 아끼지 않았으며 (물론 핵무기 연구를
할 수 있다는 practical한 이유가 더 컷겠지만),
현재에도 중국은, 돈 문제로 Stanford Linear Accelerator Center 와
Fermi Lab 의 가속기 실험실을 닫으려는 미국과는 달리,
France 의 CERN 과 함께 앞으로의 입자 물리학을 주도할
야심에 가득찬 세계적 성능과 크기의 가속기를 Beijing 에
2007년 가을 완성을 목표로 건설하고 있지요.

(결론은)
(1) String Theory는 물질(matter) 의 최소 단위(fundamental particles)가 무엇이냐에 대한 이론입니다.
(2) String Theory는 물질의 최소 단위는 string(끈) 이며,
그 끈의 꿈틀거림에 따라서 우리가 보는 물질(matter)이
결정된다는 것입니다.
(3) 파동에 있어 꿈틀거림의 중요성은 빛을 설명할 때에도
유용한 개념이며, 무지개의 색의 다름은 단순히 파동의
다른 꿈틀거림때문이라는 것을 안다면,
그리 새로운 생각은 아닙니다.

굉장히 어렵군요. 머리가 팽팽… 천사와 악마인가요, 댄브라운이 쓴 소설이요. 거기서 반물질에 대해서 간략하게 나온 것 보고도 혼절할 뻔했죠. 저같은 사회과학 전공에게 물리학이란건 참 어려운 것 같네요.

얼핏 듣기로는 끈이론은 빅뱅을 부정하는 이론이라 들었습니다. 반물질은 빅뱅의 증거로 거론 되는 것이고요. 다만 반물질은 CERN이 발견을 했고, SUPER STRING은 아무도 실제를 증명한적이 없는 이론 물리의 한 부분이라 하던데…

물리교수님 아무도 안계신가요? 저도 많이 궁금한데… (책보기는 귀찮고… ^^ )

jk님;

Dan Brown의 책을 재미있게 읽으셨다니,
반갑습니다. 저도 Dan Brown의 The Da Vinci Code 를
재미있게 읽었고, Angels & Demons를 아주 재미있게
읽고 있습니다. A & D는 자기 전에 한 5분 정도 읽는데,
아주 흥미있게 즐기고 있지요.
저는 두 책 모두 illustrated Edition (사진포함)으로
읽는데요, 종교이야기를 좋아하는 저로서는 책 사이사이의
역사적인 유물의 사진들을 보는 재미가 아주 쏠쏠합니다.

A & D (천사와 악마)는 물리학자와 물리학에 관한
이야기로 시작함으로써, 일반인들에게 물리를 가까이
설명하려는 순기능도 있지만, 한편으로는 일반인에게
잘못된 물리 지식을 주는 역기능도 있지요.
하지만, 어차피 소설(fiction)이므로 저는 아무런 불만은
없습니다.

그래도 jk님은 물리에 관심을 보이시니, A&D에서 나오는
물리에 대해 말씀드리겠습니다.

(1) 우리가 일반적으로 친숫하게 알고 있는 것(전자electron,
양성자proton, 중성자neutron) 들로 이루어진 것을
matter (물질) 이라고 하고,
Antimatter(반물질)은 matter(물질)과 “쌍둥이” 이지만,
모든 것이 반대이지요.
(전기부호가 반대이고, 오른쪽 왼쪽이 뒤 바뀐 쌍둥이)

Antimatter의 존재는 Paul Dirac이 1927년에 이론적으로
계산했으며, 1932년에 Carl Anderson에 의해 실험적으로
확인되었지요.
Antimatter는 현재 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있습니다.
한국의 큰병원에서도 쉽게 이용하고 있는,
CT 와 MRI 와 더불어 사용하는,
PET scan이라는 것이 바로 전자(electron)의 antimatter인 양전자(positron)을 이용하는 장비입니다.
1975년에 UCLA의 조장희 박사(현 가천 의대)가
만들었습니다. 한국의 노벨상으로 매번 거론되기도 합니다.
그 원리는 Matter(electron)과 antimatter(positron)이 만나면,
두개의 빛으로 변한느데, 이 두개의 빛을 측정함으로써,
몸의 이상을 scan 하는 것이지요.

CERN 은 1995년에 antimatter만으로 된 최초의 artificial
atom인 반물질-수소원자(antimatter hydrogen atom)를 만들었지요.

electron 하나와 positron 하나가 만나서 변한 빛의
각각의 에너지는 0.5 M eV (M = mega = 1,000,000
그리고 eV는 에너지 단위)입니다
사과 (100 gram) 하나를 1m 위에서 떨어뜨리면,
1m 밑에서 사과가 가지는 에너지가 약 10^(20) eV 이니,
1 M eV 가 얼마나 작은 에너지인지 상상할 수 있습니다.

(2) 끈이론과 Big Bang 또는 antimatter는 서로 상관이
없습니다. (서로를 prove하거나, disprove할 수 있는 관계가 아닙니다.)

Big Bang 과 antimatter는 현재의 우주를 잘 설명하는,
현재로서는 확립된 물리의 FACT 입니다.
Big Bang 으로 약 15 billion years 전에 현 우주가
생길때 똑같은 양의 matter 와 antimatter가 생겼지요.
그 둘은 만나면, 반드시 빛으로 변하는데,
어찌된 연유인지, matter 가 한쪽으로 몰리게 되었고,
따라서 우리가 지금 살고있는 이 우주가 생겼지요.
그러므로, 우주의 저쪽편에는 우리와 똑같은
antimatter 로 생긴 우주가 있을 겁니다.

만일 님이 우주에서 님과 똑같이 생긴 사람을 만났고,
님이 반가워서 악수하려고 오른 손을 내밀었는데,
그 사람이 왼손을 내밀면, 님은 무조건 도망쳐야합니다.
그사람은 님의 antimatter이고, 둘이 만나는 순간
빛으로 사라질 수 있으니까요.

(3) 님이 말씀하듯이, string theory는 현재 (Jan 2007)까지,
실험을 통해서, 그 진위를 확인할만한, 실험 예상치을 제시하지
못했다는 점에서 theory라고 부르는 것에 대한 반대가 학계에
많이 있습니다.

SD.Seoul님 답변 감사합니다. 근데 점점 어려워 지는군요… ^^ 저는 이쯤에서 깨갱하고 싶습니다. 머리가 아파서리.. ^^ 전 천사와 악마 재미없게 읽었는데, SD.Seoul님은 관심분야시니 재미있을 수도 있겠네요. ^^

SD.Seoul님이 자연과학/공학 계통의 교수님이실 거라는 의혹이 점점 깊어가는 겨울입니다. ^^

봤습니다. 감사합니다.