Le problème de l'univers primitif

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초기 우주의 문제.

... t = 0 순간, 또는 t = 0에 매우 가까운 순간에 한 입자를 생각해 보자. 이 입자가 예를 들어 전자기 복사를 포함한 어떤 신호를 방출한다고 가정해 보자. 이 신호는 속도 c로 전파된다. 시간 t가 지나면 구형 파동의 반지름은 ct가 되며, 이를 '수평선'이라 부른다. 그러나 두 입자가 '우주적 지지체'에 연결되어 있다고 가정할 때, 그들 사이의 팽창 및 이격 법칙은 포물선 형태를 띤다(이 거리는 t²/³에 비례하여 증가한다). 시간을 거슬러 올라가면 항상 두 입자가 서로 통신할 수 없었던 시기 t < th가 존재하게 된다. 왜냐하면 그 시기에는 입자들이 '0에 가까운 시점에 방출된 전자기파가 전파되는 속도보다 더 빨리 멀어지고 있었기 때문이다'.

...다음 그림은 우주의 이러한 자폐적인 상태를 묘사한다. 각 입자와 연결된 흰색 구는 통신이 가능하려면 이웃 입자가 위치해야 할 범위를 나타낸다. 그러나 이 구들은 서로 겹치지 않으며, 나중에야 겹치게 된다.

...따라서 초기 우주의 놀라운 균일성, 즉 2.7K의 우주 배경 복사라는 화석적 흔적을 설명하는 것이 매우 어렵게 된다.

...현재 유행하는 이론은 린데의 이론: 인플레이션이다. 이는 오직 이 이론의 유일한 근거이다. 자세한 설명은 생략하지만, 이 이론은 초기 우주에 시간에 따라 변하는 '초우주 상수'를 부여함으로써, 상상할 수 없을 정도의 '진공의 반발력'을 설명한다. 이로 인해 우주는 수십 배 이상의 팽창을 겪게 된다.

기원의 문제.

사실, t = 0이라는 시간이란 무엇인가? 이는 의미가 있는가?

...시간을 거슬러 올라가면, '우주적 유체'의 온도가 증가한다. 질량이 0이 아닌 입자의 열 운동 속도도 증가한다. 어느 순간, 이 속도는 상대론적 속도에 도달하게 된다. 실제로 t가 0에 가까워지고 온도 T가 무한대로 갈수록 입자의 개별 에너지는 무한대로 증가하며, 속도는 c에 접근하게 된다. 고유 시간은 다음과 같은 법칙을 따른다:

...속도 v가 c에 접근할수록 고유 시간은 시계에서 '정지'하게 된다. 시계를 정의하는 것 자체가 개념적으로도 어려워진다.

...따라서 표준 모델이 완벽하지 않다는 것이 명확해진다. 언급된 문제 목록은 완전하지 않다. 기본 물리학에서도 유사한 문제들이 존재한다. 초현실론 이론은 차원을 확장한다(많은 경우 10차원). 그러나 10차원 기하학은 여전히 어두운 숲과 같다. 2차원 표면은 그 신비를 잃었지만, 3차원과 4차원 초표면의 분류는 여전히 이루어지지 않았다.

...또한, 우주에 차원을 더하면 각 차원과 관련된 특성 길이가 나타난다. 그런데 이 길이는 항상... 플랑크 길이이다. 길이란 말은 파장과 연결되며, 파장은 다음 관계식에 의해 에너지와 관련된다:

...플랑크 에너지는 엄청나다. 이 에너지를 고전적 기술로 실현하려면 은하계 크기의 가속기가 필요하다. 실험 물리학자들은 손을 들고 포기한다.

...일본계 이론 물리학자 미치오 카쿠(『하이퍼스페이스: 10차원을 향한 과학적 여정』, 옥스포드 대학교 출판사, 1995)는 흥미로운 개인적 해석을 제시한다. 그는 초현실론 이론이 단지 수 세기 정도 앞서 나간 것뿐이라고 주장한다. 현재 기술 수준에서는 이 이론이 친구들과 놀이처럼 여겨질 뿐이다.

아스펜 회의.

...1996년 유명한 과학 잡지 사이언티픽 아메리칸은 콜로라도 주 아스펜에서 열린 초현실론 회의에 대한 보고서를 마드후스리 무케르지가 기고했다. 이 글은 마르크스 형제의 작품처럼 느껴진다:

...기사의 저자가 언급했듯이, 1986년 시카고 대학의 제프리 A. 하르베이에게 초현실론 이론을 7단어로 정의해 보라고 요청했다. 그의 답변은 다음과 같았다:

• 오, 여호와여, 어찌하여 나를 버리셨나이까? (하느님, 어찌하여 나를 버리셨나이까?)

그러나 기사에서는 하나님께서 새로운 대칭성의 발견을 통해 응답한 것처럼 보인다고 밝힌다: 이는 '이중성(duality)'이다.

...초현실론 이론의 가장 낙관적인 지지자인 유티엔은, 이 이중성이 단지 '모든 이론(The Theory of Everything, TOE)'에 도달하는 데 그치지 않고, '왜 우주가 이렇게 되어 있는지'를 설명할 수도 있다고 믿는다. 그는 양자역학의 본질적 이해로 나아가고 있다고 믿는다.

...사실, 이 초현실론 이론에 도전하는 사람은 거의 없다. 이 이론은 수학적으로도 매우 복잡하여 물리학자와 수학자들이 이에 몰두하는 것을 꺼린다.

...기사에서는 이 '이중성'이 기본 입자와 복합 물체를 서로 바꾸어 사용할 수 있게 한다고 설명한다. 전문가들은 이를 '덩어리'(무거운 덩어리, 꽃다발, 뭉치)로 묘사하며, 이를 '헤지혹'(귀신 돼지)처럼 상상하려고 시도한다. '헤지혹처럼 말아서 뭉치다'. 다른 이미지로는 '벡터로 가득 찬 구체'로 불리는 '솔리톤'이 있다.

...그러나 이 이중성이 존재한다고 해도, 이 개념의 저자들은 그것이 입증될 수 없다고 명시한다(이중성은 '이중적 성질'을 의미한다. 영어 사전 참고). 따라서 기사에서는 복합 구조가 서로 얽히고 얽혀 있으면서도 기본 입자와 동일한 것으로 간주될 수 있다고 설명한다.

다음으로 '미러 대칭(mirror symmetry)' 개념이 제기되었지만, 큰 성공을 거두지 못했다.

...1986년 런던 임페리얼 칼리지의 더프는 새로운 실체인 '버블(bubble, 공기방울)'의 진동을 고려했다. 기존의 끈이 10차원에서 휘어지면, 버블은 11차원 공간에서 떠다니게 된다. 이후 더프는 5차원 막을 고려했으며, 이는 끈과 대체 가능한 설명이었다. 그는 이후 이 막이 '소시지의 껍질처럼' 감겨질 수 있다고 생각했고, '끈-끈 이중성(string-string duality)'을 제안했다.

...1995년 유티엔은 버클리에서 강연을 하며, 더프의 버블이 10차원에 해당하는 특별한 끈의 솔리톤일 수 있다고 추측했다.

그리고 캘텍의 슈warz(초현실론 이론의 선구자 중 한 명)는 이렇게 덧붙였다:

• 나는 트럭 운전사가 되었어야 했어!

어쨌든 현재 하루에 10편의 새로운 초현실론 논문이 발표되고 있다.

솔리톤은 '털이 무성한 나방'처럼 보이며, 벡터로 뒤덮여 있으므로, '끈의 이중적 대상'이라고 할 수 있다.

더프는 이후 공간 간의 이중성의 이중성을 제안했다. 그리고 써스킨드는 이렇게 코멘트했다:

'물체의 크기와 내부 차원은 "장소마다 바뀐다".'

타운센드는 말했다:

• 막이 끈의 솔리톤으로 변할 수 있다면, 끈과 동일한 지위를 가질 수 있다. 다만 막을 이용한 계산은 의미가 없다.

...이제 끈과 블랙홀의 결합이 논의된다. 호킹은 블랙홀이 입자를 방출할 수 있으므로 질량을 잃고 작아진다고 지적했다. 만약 블랙홀이 처음부터 끈으로 구성되어 있었다면(끈형 블랙홀), 그 진화는 크기가 0인 물체로 변하게 될 것이다: "실제로 입자처럼 보이는 극한 블랙홀". 써스킨드와 스트로밍어 사이에 논쟁이 있다:

• 스트로밍어의 연구는 "훌륭하지만", 이런 것을 블랙홀이라고 부르는 건 너무 과장된 것 같다.

참고로, 스트로밍어의 최신 논문 제목은 "세계를 홀로그램으로 본다"이다.

이 논문은 '질량이 0인 블랙홀' 개념을 제기한다.

시카고 대학의 제프리 A. 하르베이는 즉시 반박했다:

• 질량이 0인 블랙홀이란 뜻이 뭐야? 빛의 속도로 움직이는 거야?

캘리포니아 대학의 가리 T. 호로위츠는 말했다:

• 오, 어이없다! (헛소리야!)

또한, 끈이 환경에 따라 구성될 수 있으며, 동적으로 올바른 해를 취할 수 있다고 언급된다(...). 그리고 스트로밍어는 덧붙였다:

• 우주의 어떤 부분에는 방울 모양의 공간이 존재할 수 있으며, 블랙홀이 그 안에 들어가면 끈으로 변하고, 반대로 끈이 블랙홀로 변할 수 있다. 우리의 환경에서는 이 방울들이 가상의 우주를 항해하는 것처럼 보일 수 있다. 이 가상의 우주는 매우 짧은 시간 동안 존재할 뿐이며, 관측하기 전에 사라지기 때문에 우리가 볼 수 없다.

...그러나 이제는 누구도 "해결책이 길목에 있다"고 믿지 않는다. 유티엔이 세기 말까지 이 이론이 성숙할 것이라고 빙수를 걸었음에도 불구하고 말이다.

그리고 허오프는 날카롭게 반박했다:

• 끈 이론 연구자들이 결과를 정리할 때마다 항상 과장하는 경향이 있다. 그들은 단지 자신의 이론에 맹목적으로 믿음을 갖고 있을 뿐이다.

이 초현실론의 무대에는 젊은이들과 나이 많은 이들이 함께 존재한다.

하버드의 시드니 R. 콜먼:

• 내 나이에선 많이 가스를 뱉게 된다. 나는 조용히 있겠다.

셸든 L. 글라쇼는 "이 이론에서 아무것도 변하지 않았다"고 인정했다.

회의 종료. 기사의 저자는 "밤이 내려앉는다"고 말하며, 써스킨드는 이렇게 외쳤다:

• 나는 개인적으로 이 모든 것이 허풍이라고 생각한다!

이 위기 속에서도 일부는 결국 모든 것이 잘 풀릴 것이라고 믿는다. 암흑 물질이 탐지될 것이며, 모든 이론(The Theory of Everything)은 결국 10차원 초현실론의 배경 위에서 등장할 것이다.

...그 기쁜 시대, 지식의 황금시대를 기다리는 동안, 앞으로 이어질 이론적 발전은 암흑 물질이나 초현실론과 관련된 모든 것들과 비교해 볼 때, 더 좋거나 나쁘지 않다.

우리 연구 발표에 앞서, 1998년 1월 4일 자 J.M. 수리오의 대화 요약
(현재 상황에 대한 약간의 설명일 수 있음).

• 기본 물리학에서 정체기라고 느끼고 있나요?

• 1950년대 이후, 파인만과 양자 전기역학 이후, 물리학은 정체되어 있다. 양자 전기역학은 작동하지만, 왜 작동하는지 정확히는 모른다. 그 이유를 찾는 것이 아직 남아 있다. 그 외에는 특별한 발견이 없다.

• 과학 세계가 이런 기초적 정체기로 갔던 적이 있었나요? 지난 세기에는요?

• 기초 연구와 기술적 활용 사이에 일종의 번갈아가는 패턴이 있는 것 같다. 사람들은 동시에 둘 다 하기 어려운 것 같다. 예를 들어, 1752~1834년 자카르드의 직조기 발명은 수작업과 제품 생산 사이의 기계적 전환을 의미한다(또한 정보 기술의 시작이기도 함). 물리학에서는 1788년 라그랑주가 해석 역학을 제시했다. 세기 초에는 나비에가 유체역학을, 푸리에가 열 이론과 조화 분석을, 프레넬이 기초 광학을 발전시켰다.

1815년부터 약 1870년까지는 기술 발전의 시기였다. 증기기관으로 기계를 인간이나 동물의 힘 대신에 움직였으며, 전기 역시 등장했다. 그램은 1845년에 다이내모를 발명했다. 줄스 베른은 1870년경에 이러한 기술적 응용을 찬양했다. 화학, 철도, 전화, 전기 조명의 발전도 있었다. 그러나 1815년부터 1870년까지는 주로 기술적 응용의 시기였다.

• 그러면 언제 다시 시작되나요?

• 1870년경에 결정학이 탄생하고, 원자 이론이 시작되었다. 이 시기 원자 이론은 추측에 불과했다. 맥스웰도 있었다.

• 그리고 군론은요?

• 군론은 결정학과 함께 탄생했다. 소푸스 리, 클라인은 1870년경이다. 군론의 출발점은 결정학이다. 세기 초에는 원자였다.

• 그리고 1950년까지 이어진다고 보시나요?

• 이후에는 주로 기술과 응용 연구였다. 물리학에서 큰 도약은 컴퓨터 기술이었는데, 누구도 그 폭발적 성장을 예측하지 못했다.

• 그리고 1950년 이후 다시 기술 중심으로 회귀했다. 기초 연구는 그 피해를 입고 있다.

이러한 산책은 여기서 마무리된다.

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