우주는 '끈'으로 시작했다..이대 교수팀 새 이론 제시
'우리가 살고 있는 우주가 언제 어떻게 생성됐을까.' 과학자뿐 아니라 일반인들도 늘 궁금하게 여기는 질문이다. 일단 많은 과학자가 '빅뱅이론'으로 우주 탄생을 설명하고 있고 대다수가 상식적으로 받아들이고 있다. 빅뱅이론은 매우 높은 에너지를 가진 특이점(부피가 0인 아주 작은 한 점)의 거대한 폭발을 통해 우주가 형성됐다고 설명한다.
특히 1970년대 세계적 과학자인 스티븐 호킹과 로저 펜로즈가 입자(particle)이론을 이용해 우주가 생성한 시기를 수학적으로 규명해 세상을 놀라게 했다. 빅뱅을 이론적으로 밝혀내 '호킹ㆍ펜로즈 이론'으로 불린다.
이화여대 조용승 교수(수학과)와 홍순태 교수(과학교육과)는 입자(점)가 아니라 '끈 이론(string theory)'을 활용해 우주 생성 원리(빅뱅)를 설명하는 이론을 제시해 주목 받고 있다. 끈 이론은 세상을 이루는 기본 단위가 점으로 표현되는 '입자'라고 가정하는 기존 '표준 모형' 한계를 극복하기 위해 등장한 이론. 물질의 기본단위를 0차원인 점이 아니라 1차원인 '끈'으로 가정한다.
수학자인 조 교수와 물리학자인 홍 교수는 공동연구를 통해 빅뱅우주론에 끈 이론을 처음으로 적용했다. 이른바 '조ㆍ홍 이론'은 끈 이론을 바탕으로 우주 탄생을 설명하는 모델이다.
조 교수는 "기존 호킹ㆍ펜로즈 이론보다 더 일반적이면서 자연스럽게 우주 탄생을 설명할 수 있다"며 "미국 물리학회에서 주목할 만한 내용이라고 평가하고 있다"고 말했다.
이번 연구 결과는 미국물리학회가 발행하는 '피지컬 리뷰(Physical Review D)' 5월 20일자에 실렸으며 곧 주요 내용을 따로 보도하는 '피지컬 리뷰 포커스'에도 소개될 예정이다.
이에 따라 두 교수 연구 결과가 호킹ㆍ펜로즈 이론을 뛰어넘어 더 설득력 있는 이론으로 정립할지 관심을 모으고 있다.
조ㆍ홍 이론은 우주 탄생(빅뱅)을 좀더 구체적으로 설명한다. 예컨대 호킹ㆍ펜로즈 이론을 뒷받침하는 수식에서는 우주 생성 과정에서 물질의 회전 값을 '0'으로 놓고 무시하지만, 조ㆍ홍 이론 수식은 물질의 회전을 고려하고 있다. 이를 통해 천체와 입자 등 우주에 존재하는 물질의 회전을 설명할 수 있다는 것. 홍 교수는 "끈 이론을 이용했기 때문에 회전을 설명할 수 있었다"고 말했다.
또 호킹ㆍ펜로즈 이론에서는 우주 탄생 초기에 질량이 없는 입자(빛)가 먼저 생기고 뒤이어 질량을 지닌 입자가 등장하는 상태가 나타난다. 질량이 없는 물질에 이어 질량이 있는 물질이 등장하는 '위상 전환(phase transition)'이 왜 일어나는지는 설명할 수 없다는 게 단점이다. 하지만 조ㆍ홍 이론은 위상 전환을 가정하지 않고 빛과 질량입자가 동시에 나타났다고 설명한다.
이와 함께 조ㆍ홍 이론은 우주 회전 속도가 시간이 갈수록 떨어질 것으로 예견하고 있다.
두 교수는 끈 이론을 통해 앞으로 우주에서 73%를 차지하는 것으로 알려진 암흑에너지와 23%를 구성하는 암흑물질에 대해 연구하는 한편 초기 우주모형도를 완성한다는 계획이다.
■ < 용어설명 > 끈 이론 : 우주를 이루고 있는 기본 단위를 0차원인 점입자(particle) 대신 1차원 개체인 끈(string)으로 보는 물리학 이론. 입자 물리학의 표준 모형은 기본 단위를 입자로 본다. 끈 이론은 표준 모형과 일반 상대론을 통일할 수 있는 후보 중 하나로 점입자 이론으로 설명할 수 없는 문제를 해결할 수 있다. 다만 실험적으로 증명할 수 없다는 게 단점이다.
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