초끈이론의 개요
초끈 이론은 세상의 모든 것은 0차원의 입자가 아니라 1차원의 끈으로 이루어져 있다는 것을 골자로 하는 물리학 이론이다. 더 정확히는 0+1 0+1차원의 입자가 아니라 시간을 포함한 1+1차원의 끈으로 이루어져 있다. 이 끈들이 소립자고, 끈의 진동 패턴이나 장력 등에 따라 소립자의 패턴(정확히는 질량, 전하, 색전하, 스핀 등의 양자수)이 정해진다고 한다. 이름이 '초'끈인 것은 초대칭을 이루는 끈이기 때문이다.
초끈이론의 상세
일단 TOE의 후보이긴 한데 그다지 가능성은 높지 않다. 그나마 이놈이 가장 멀쩡할 뿐이다. 일단 실험적 검증이 전무한 것이 가장 큰 문제인데, 검증을 위한 장비가 현대 기술로는 어떻게 만들기가 어려운 수준이기 때문. 예를 들면 현대의 기술을 적용하면 태양계만 한 입자가속기를 만들어야 초대칭입자의 검출이 가능하다든가. 차원의 특성을 결정하는 칼루자, 클라인, 도형의 특정에도 난관을 겪고 있고 TOE의 범용성에서 기인하는 방정식의 복잡함은 사실 둘째 문제다. 또한 이 이론으로 무언가를 예측한 적도 없다는 것 또한 회의론자들의 주된 지적이기도 하다. 일단 이 이론이 옳다고 가정한다면 기존의 양자장 이론에서 장애물 취급을 받던 중력까지 양자화시키고 현대 물리학 이론의 양대산맥인 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합시킬 수 있다. 즉 TOE이다. 하지만, 이론물리학계에서 아무리 아름답고 탄탄한 체계를 들먹이며 떠들어도 실험적 검증이 없으면 한낱 가설에 지나지 않는다. 이 초끈이론에서의 초끈의 크기는 10-35m이며 쿼크보다 1억분의 1 정도로 작다. 하지만 초끈이 가장 작은 소립자인 것은 아니다. 정확히 말하자면, 초끈이론에서의 끈은 모든 입자들의 근본적인 모습이며, 끈의 진동 패턴과 진동수에 따라 서로 다른 입자로 보인다고 해석한다. 즉, 초끈이론에서 소립자의 근본적인 모습이자, 고대 그리스의 데모크리토스가 주장했던 원자로 볼 수 있는 것이 바로 끈이다.
초끈이론의 검증 방법
초끈이론에서 제시되는 에너지는 너무 크다. 대략 플랑크 에너지[10] 수준을 요하는데, 현재 LHC에서 만들 수 있는 최대출력의 약 1019배의 에너지이다! 이 정도 수준의 에너지 영역을 탐사하는 데 최소 태양계만 한 크기의 입자가속기가 필요하다 할 정도이다. 이 때문에 초끈이론을 간접적으로 검증하기 위한 여러가지 실험이 제안되었다. 아래의 가설들을 검증하면 초끈이론을 간접적으로나마 검증하는 것이 된다.
초대칭이론
초끈이론은 초대칭 이론을 기반으로 한 것이다. 따라서 초대칭이 존재하지 않는다면 초끈이론은 성립하지 않을 것이다. 초대칭을 찾으려는 노력의 가장 대표적인 예가 LHC이다. LHC는 초대칭 이론을 포함하여 다양한 이론을 검증하기 위해 만들어졌고 따라서 초대칭 이론이 옳은 이론인지를 어느 정도 결론지을 것으로 예상된다. 그런데 현재 이것이 존재하지 않을 확률이 점점 높아지고 있다. LHC에서 초대칭 입자가 발견되지 않았기 때문인데... 힉스 보손 발견 이후 5년 동안 7천조(...) 번의 양성자 충돌이 있었지만 초대칭 입자는 발견되지 않았다.
여분의 차원
초끈이론은 여분의 차원을 기반으로 하며 이들은 작은 공간에 말려있을 것으로 예상된다. 하지만 여분의 차원 중 일부가 관측 가능할 정도로 크게 퍼져있을 가능성이 제기되었다. 이를 관측한다면 초끈이론을 간접적으로 검증하는 것이 된다. 여분의 차원을 검증하는 방법으로는 크게 세 가지가 존재한다. 첫 번째로 짧은 거리에서 중력의 세기를 측정하는 방법이 있다. 중력이 짧은 거리에서 역 제곱 법칙이 성립하는지 확인하는 것이다. 초끈이론에서 주장하는 여분 차원이 존재한다면 중력이 영향을 미치는 공간이 더 많아지기 때문에 실제 중력보다 약해진다. 이를 여분 차원보다 짧은 거리에서 측정하면 원래의 중력 크기를 알게 되어 더 큰 계수가 측정될 것이다. 대략 0.1 mm 스케일까지는 중력의 역 제곱 법칙이 성립한다는 것이 확인이 되었으나 그 이하의 스케일에 대한 중력의 측정은 도전 과제로 남아있다. 두 번째로 천체물리학이나 우주론적 증거로부터 검증하는 방법이 있다. 세 번째로 LHCLHC 같은 입자가속기를 통해 검증하는 방법이 있다. 흥미롭게도, 여분의 차원이 존재할 경우 가속기를 통해 블랙홀을 생성할 가능성이 있다. (물론 너무 조그마한 블랙홀이라 호킹 복사를 무시할 수 없을 것이다.) 그러나 실제 실험 결과 이런 여분 차원의 존재를 지지하는 증거는 전혀 발견되지 않았다.
우주끈
우주 초기의 끈이 우주의 급격한 팽창과 함께 매우 커다랗게 확대되었을 가능성이 있다. 이렇게 생겨난 거대한 끈을 우주 끈이라 부른다. 우주 끈이 불안정하다는 이론도 있으나 안정한 우주끈도 있다는 가능성이 제시되었다. 우주끈이 존재한다면 우주 배경 복사에 영향을 줄 것이므로 우주 배경 복사를 분석하면 우주 끈의 유무를 확인할 수 있다. 플랑크 위성 연구팀을 포함한 여러 연구팀이 우주 배경 복사에서 우주 끈을 찾고 있다. 또한 SDSS라는 우주를 관측하는 프로젝트를 통해서도 우주 끈의 흔적을 찾고 있다. 최근 플랑크 2013 데이터에서 현 상황에서는 우주 끈에 대한 아무런 증거가 없음이 확인되었다.