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양의 질량만 존재할 때 아인슈타인의 방정식은 다음과 같다:

(95)

S = c
T

여기서 S는 기하학적 텐서이고 T는 "에너지-물질" 텐서이다. 우리는 r(물질 밀도)과 p(압력)가 명시적으로 나타나는 형태로 표현할 수 있다. 고전적 상대성 이론에서는 둘 다 양이다.

이제 양의 질량에 기인한 기여를 r+와 p+라고 부르자. 이 양들로 구성된 텐서를 T+라고 부르자.

음의 질량에 기인한 음의 질량 밀도 r- < 0과 음의 압력 p- < 0은 텐서 T-를 줄 것이다.

그러면 해당 장 방정식은 다음과 같이 된다:

(96)

S = c (T+ + T-)

오늘날 천체물리학과 우주론의 미해결 문제들.

이 두 분야에는 많은 미해결 문제들이 있다. 우리는 여기서 천문학과 우주론의 전체 역사를 되짚어 보려는 것은 아니다. 분광학적 방법은 도플러 효과 측정과 결합되어 항성 채층의 화학 조성과 온도에 관한 중요한 데이터를 제공했다.

거리 기준으로 사용되는 세페이드 변광성은 수천만 광년까지의 거리 평가를 가능하게 한다.

미분 기하학 도구들은 우주론(장 방정식, 계량)에 새로운 통찰을 주었고 적색편이 현상과 우주 배경 복사를 설명했다.

핵물리학은 항성 모델을 만들어냈는데, 그 기원, 작동, 진화 모두에 대해 그러했다(그러나 우리는 앞 절에서 태양 중성미자 결핍이 이 항성 모델들에 관한 심각한 문제를 제기한다는 것을 보았다).

핵물리학은 우주에서 원시 헬륨의 존재와 상대적 풍부함을 설명한다.

그러나:

• 우리는 은하 역학을 설명하는 이론적 모델이 없다. 이 분야에서 우리의 접근은 여전히 완전히 경험적이다.

• 우리는 은하가 어떻게 형성되는지, 왜 그렇게 특정한 질량을 가지는지, 시간에 따라 어떻게 변하는지 모른다. 나선 구조는 정말로 이해되지 않는다. 그 실제 기원은 여전히 논쟁 중이다.

• 모든 은하는 수십억 년 동안 폭발했어야 한다(누락 질량 효과). 큰 주변 속도를 가진 회전 곡선은 여전히 수수께끼이다.

• 은하단에 관해서도 같은 누락 질량 문제가 있다.

• 많은 은하가 매우 불규칙하다. 수년 전 영국 천문학자 제임스 진스 경은 말하곤 했다:

그렇게 왜곡된 패턴을 보면, 우리는 어떤 강력하고 근본적이며 완전히 알려지지 않은 힘이 그것을 일으킨다는 생각을 떨칠 수 없다.

• 허블 상수 측정으로부터 나온 우주의 나이와 우리 은하의 가장 오래된 별들(헤라클레스 성단과 같은 구상 성단에 속한)의 추정 나이를 비교할 때 문제가 있는 것 같다.

• 우주의 VLS(매우 큰 구조)는 여전히 미해결 문제이다. 우리는 왜 은하들이 100광년 규모의 큰 공동 주변에 위치하는지 모른다.

• 퀘이사의 에너지원은 여전히 알려지지 않았다.

• Halton Arp는 적색편이가 허블 법칙을 위반하는 많은 은하계를 발견했다.

• "감마선 폭발"의 본질: 알려지지 않음.

• 중성자별은 예측되었고 수백 개가 발견되었다. 이 모델은 임계 질량, 약 2.5 태양 질량을 가진다. 더 높은 질량을 가진 중성자별은 존재할 수 없는데, 내부 압력이 더 이상 중력을 균형 잡을 수 없어 물체가 붕괴할 것이기 때문이다.

그러한 조건은 우주 어딘가에 존재해야 한다. 예를 들어 한 쌍의 중성자별이 합쳐진 결과로. "고전적 답"은 소위 블랙홀이다. 일부 천문학자들은 그러한 물체로 모든 종류의 현상을 "설명"한다. 거대 블랙홀은 은하의 중심이나 은하단의 중심에 반드시 존재해야 한다. 그들은 QSO 현상을 "설명"한다. 그들은 거의 모든 것을 "설명"한다.

그러나 직접 관측은 매우 드물어 보인다. 왜 후보가 그렇게 적은가?

물체가 정말로 존재할 때, 시간이 지나면 천문학자들은 많은 것을 찾는다. 예: 초신성, 회전하는 중성자별(펄서). 왜 블랙홀 후보는 그렇게 적은가?

더욱이, 블랙홀의 기하는 두 번째 항이 소멸할 때, 즉 T = 0일 때 아인슈타인 방정식의 해이다. 이는 이 해가 에너지-물질이 존재하지 않는 우주의 한 부분을 기술한다는 것을 의미한다. 장 방정식은 다음과 같이 축소된다:
(97)

S = 0

• 표준 모델로 돌아가서, 왜 초기 우주(그 이미지는 우주 배경 복사로 주어진다)는 그렇게 균일해 보이는가? 모델에 따르면, 초기에는 우주의 입자들이 상호작용할 수 없었는데, "지평선" ct가 입자들 사이의 평균 거리보다 작았기 때문이다. 그렇다면 오늘날 관측되는 우주 배경 복사의 놀라운 균질성을 초래한 것은 무엇인가?

• "t=0"에 가까운 "시간"이란 무엇인가? 이 질문은 의미가 있는가?

가장 먼 과거로 거슬러 올라가면, 물리학자들은 높은 에너지 조건에 도달하고, 그들이 만나는 문제들은 오늘날 고에너지 물리학의 위기와 비견되는 것 같다:

- 우리는 무엇에 대해 말하는가?

• 표준 모델을 뒷받침하는 아인슈타인 방정식이 전자기 현상을 고려하지 않는다는 것을 누가 아는가? 중력과 빛 이론 사이의 연결은 아직 구축되지 않았다. 양자 세계와 중력 사이의 같은 간극(중력자란 무엇인가?).

50년의 널-물리학.

이 제목은 매우 도발적으로 보인다. 오늘날의 기술적 진보는 매우 인상적이다. 이론 물리학자들은 "모든 것의 이론"(TOE)을 꿈꾼다. 양자역학의 성공은 연구자들을 현혹시킨다. 우리가 입자의 질량을 예측할 방법이 없다는 것을 아는가? 쿼크 모델은 프톨레마이오스 체계처럼 보인다.

수 세기 전, 프톨레마이오스는 복잡한 원의 체계를 통해 하늘에서 행성의 경로를 기술할 수 있는 체계를 발견했다. 이것은 예를 들어 일식을 예측하는 데 매우 효율적이었다. 결국 이 모델은 48개의 원을 사용했다. 코페르니쿠스 시대 이전에. 젊은 스페인 국왕이 선생님으로부터 프톨레마이오스 모델을 배웠을 때, 그는 말했다:

- 맙소사, 주님이 이 모든 것을 창조하기 전에 내게 조언을 구하셨다면, 나는 더 단순한 것을 추천했을 텐데!

거짓된 것들도 수 세기 동안 효율적으로 작동할 수 있다. 그렇기 때문에 앞 절에서 언급한 태양 중성미자 결핍이 그렇게 매혹적인 것이다: 양자역학은 그것을 설명할 수 없다. 양자 기계가 걸림돌에 부딪힌 것은 이번이 처음이다.

일부는 군론에 기반한 초끈 이론의 방향을 본다. 초끈 이론가들은 세상의 모든 것이 10차원 실체인 "공간"의 서로 다른 구조에 대응할 수 있다고 생각한다. 1714년 독일 철학자이자 수학자인 고트프리트 빌헬름 라이프니츠는 그의 책 《모나드론》에서 비슷한 것을 제안했다. 라이프니츠는 "모든 것이 모나드로 이루어져 있다"고 생각했다. 세계는 일종의 조직화된 모나드 체계여야 하지만, 그는 그의 아이디어를 발전시킬 수 없었다.

초끈 이론가들은 그들의 현대적 10차원 모나드를 찾는다.

이 모든 것은 콜로키움에서 진정으로 초현실적인 대화를 낳는데, 최근 콜로라도주 아스펜에서 열린 것과 같다. 신문 《사이언티픽 아메리칸》은 1996년 1월호에서 편집진 마두스리 무커지의 "모든 것을 설명하기"라는 제목의 기사에서 이를 보도했다.

10차원 우주를 조직한다고 여겨지는 이 마법의 물체를 찾으면서, 일부 사람들은 "박힌 구체", 벡터로 뻣뻣하게 선 고슴도치, 또는 "털복숭이 애벌레", 즉 "소시지 껍질처럼" 스스로 말릴 수 있는 5차원 막(런던 임페리얼 칼리지의 더프)에 대해 말한다.

(이론의 선구자 중 한 명인) 칼텍의 슈바르츠는 덧붙인다, "나는 트럭 운전사가 되었어야 했다!"

다른 이들은 "질량이 0인 블랙홀"에 대해 말한다.

시카고 대학의 제프리 A. 하비는 외쳤다:

"그 말은 당신의 블랙홀이 질량이 0이라는 건가요? 그것들은 빛의 속도로 움직이나요?"

"아니요, 그것들은 아무것도, 운동량도 없습니다,"라고 캘리포니아 대학 산타바바라의 게리 T. 호로비츠가 대답한다.

"오, 헛소리!" 스탠퍼드의 레너드 서스킨드였다.

"그것들은 에너지도, 운동량도 없어요 -- 거기엔 아무것도 없어요!"라고 하비가 항의한다.

스트로민저: "우주 어딘가에 작은 방울 모양의 공간 부분이 존재할 수 있으며, 그 안에 들어가면 블랙홀이 끈으로 변하고 그 반대도 마찬가지입니다. 우리 환경에서 이 작은 방울들은 가상 우주를 항해하는 것처럼 보일 수 있으며, 관측되기 전에 즉시 사라지기 때문에 극미한 시간 동안만 존재할 것입니다.

서스킨드: "개인적으로 나는 그것이 헛소리 덩어리라고 생각합니다."

1986년 누군가 한 연구자에게 "모든 것의 이론"을 일곱 단어로 요약해 달라고 했고, 그는 대답했다:

• 오, 주님, 어찌하여 나를 버리셨나이까?

이 모든 것은 흥미롭지만, 우리가 보는 것처럼 끝나지 않았다. 물리학 역사상 어떤 이론 체계도 지금처럼 격동을 일으킨 적이 없는데, 매일 이 주제에 관한 열 편의 논문이 출판되고 있다. 그리고 우리는 산이 쥐를 낳을지 쥐가 산을 낳을지 말할 수 없다.