끈 이론
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끈 이론(string theory)이란 세상을 이루고 있는 기본 단위를, 공간을 점유하는 끈으로 보는 물리학의 이론이다. 물리학의 이전 이론이, 기본 단위를 점(point)같은 입자(소립자)로 보고 있는 것과는 대비를 이루며, 이런 성질 때문에 점입자 이론이 해결할 수 없는 문제들을 해결할 수 있다. 물론, 끈을 아주 멀리에서(낮은 에너지에서) 보면 다시 점입자와 다르지 않게 보인다. 무엇보다도 끈을 양자화하면 스핀이 2인 입자가 있어야 하는데, 이를 중력자로 해석할 수 있다. 아직도 점입자를 기본 단위로 보는 이론에서는 자체 모순 없는 양자화가능한 중력 이론이 없다.
끈을 기술하는 변수가 보존(boson)인 끈 이론을 보존 끈 이론이라고 하고, 이의 초대칭쌍을 도입한 초대칭 끈 이론을 초끈 이론이라고 한다. 지금은 구별하지 않고, 대개 초끈 이론을 끈 이론이라고 부른다.
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[편집] 기본 성질
끈을 기술하는 방정식은 고전 역학에 이미 잘 알려져 있으며 이를 상대론적인 끈으로 확장하는 것도 어렵지 않다. 단 끈을 양자화할 때, 양자 효과에 의해 고전적인 끈이 가지고 있는 대칭성(포앙카레 대칭성)이 일반적으로 파괴되는데, 이 대칭성은 특정한 공간 안에서만 깨지지 않는다. 보존 끈 이론은 26차원, 초끈 이론은 10차원에서만 모순없이 존재한다. 우리가 알고 있는 네가지 힘을 완전하게 통합하고 양자화하는 이론을 모든 것의 이론(Theory of everything)이라고 부르기도 하는데, 끈 이론은 이 모든 것의 이론의 유일하면서도 강력한 후보이다.
[편집] 열린 끈과 닫힌 끈
끈은 열린 끈과 닫힌 끈을 생각할 수 있다. 닫혀 있는 끈 만으로도 이론을 만들 수 있으나 열린 끈 이론은 닫힌 끈을 포함해야 한다. 왜냐하면 열린 끈 두개가 붙어서 닫힌 끈을 만들 수 있기 때문이다.
닫힌 끈의 특징은 (편의상) 왼쪽으로 전파하는 진동과 오른쪽으로 전파하는 진동이 독립적이라는 것이다. 이 진동을 양자화 하게 되면, 진동을 하고 있는 상태가 입자의 특징을 결정한다. 유명한 비유는 바이올린 하나가 여러 음색의 소리를 내는 것과 같이, 줄 하나의 진동하는 모양이 입자의 성질(질량,스핀 등)을 결정한다는 것이다.
열린 끈의 특징은 끝의 끝점이 있다는 것이다. 끈의 끝점의 행동은 열린 끈을 이용하는 데 중요한 요소이다.
[편집] 초끈 이론의 종류와 M이론
10차원에서 모순 없는 초끈 이론은 5가지가 존재한다. 먼저
- Type I
- Type IIA
- Type IIB
- E8xE8 잡종
- SO(32) 잡종
끈이론이라 부른다. 열린 끈이 포함되어 있는 이론을 Type I이라고 하며, 10차원 초대칭이 한개이기 때문에 I이라는 이름이 있다. 마찬가지로 닫힌 끈만으로 되어 있는 이론을 Type IIA, Type IIB라고 부르며, 왼쪽의 진행 파와 오른쪽 진행 파가 각각 하나의 10차원 초대칭성을 담는다. 나머지 닫힌 끈 이론은 전하를 끈 위에 고르게 분포시키는 이론이며, 끈 이론이 기술하는 리 대수에 따라 E8xE8 또는 SO(32) 잡종 끈이론 의 이름을 가지고 있다.
1995년 끈의 제2혁명이라고 불리우는 시기에 이들 끈 이론이 사실은 하나의 이론이며, 5가지로 달라 보이는 것은 이 이론의 다른 5가지 상태일 뿐이라는 생각이 제안되었다. 이 가상의 통합 이론을 M이론이라 부른다.
[편집] 공간 말기와 4차원
앞서 말한 조건 때문에 이론은 우리가 사는 4차원의 시공간 이외에 여섯 차원이 더 있다는 것을 예견한다. 우리가 여분의 (6)차원을 볼 수 없는 이유는 Kaluza와 Klein의 아이디어에 의해 설명할 수 있다. 이 여분의 차원이 유한하며, 아주 작은 크기에 말려 있으면 여분의 차원 쪽으로 퍼져나가는 힘이 없기 때문에 그 존재를 느낄 수 없다. 최근에 이루어진 가장 정밀한 실험에 의하면, 여분의 차원의 크기가 mm크기보다 작으면 중력이 여분의 차원 쪽으로 전파되는 지를 판단할 수 없다.
더욱이 이 여분의 차원이 말려 있는 모양이 단순하지 않다면, 이 공간의 성질과 게이지 군의 성질을 연관시킴으로서 대칭성을 깰 수 있다. 따라서 끈 이론은 4차원에서 표준 모형을 얻을 수 있는 토대가 된다.
[편집] 참고자료
[편집] 자료들
- Davies, Paul, and Julian R. Brown. Superstrings: A Theory of Everything?. Cambridge University Press (1988). ISBN 0-521-43775-X.
- Greene, Brian, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, W.W. Norton & Company; Reissue edition (2003) ISBN 0-393-05858-1.
- Gribbin, John, The Search for Superstrings, Symmetry, and the Theory of Everything. London, Great Britain: Little Brown and Company (1998). ISBN 0-316-32975-4.
- Kaku, Michio, Hyperspace: A Scientific Odyssey Through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension. New York, Oxford University Press (1994). ISBN 0-195-08514-0.
- 박재모, 현승준 초끈이론: 아인슈타인의 꿈을 찾아서 - 살림지식총서 126
[편집] 영문 교과서
- Michael Green, John Schwarz and Edward Witten, Superstring theory, Cambridge University Press (1987).** Vol. 1: Introduction, ISBN 0-521-35752-7.
- Vol. 2: Loop amplitudes, anomalies and phenomenology, ISBN 0-521-35753-5.
- Joseph Polchinski|Polchinski, Joseph, String Theory, Cambridge University Press (1998). A modern textbook.
- Vol. 1: An introduction to the bosonic string, ISBN 0-521-63303-6.
- Vol. 2: Superstring theory and beyond, ISBN 0-521-63304-4.
- Zwiebach, Barton. A First Course in String Theory. Cambridge University Press (2004). ISBN 0-521-83143-1.
