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리사 랜들 - 여분 차원과 암흑 물질

• 1강 보이지 않는 차원
• 2강 스케일의 문제
• 3강 새로운 입자 찾기
• 4강 이름 없는 영웅, 암흑 물질
• 5강 물질과 대멸종

1강 보이지 않는 차원#

1강 보이지 않는 차원 1999년 「비틀린 여분 차원」 논문을 통해 전 세계 물리학계의 주목을 받은 하버드 대학교 물리학과 교수이다. '랜들-선드럼 모형'은 현대 이론 물리학의 난제, 특히 표준 모형 이론의 계층 문제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있다. 우주에 영향을 미치고 있는 ‘여분 차원(extra dimension)’이 존재한다. 상상할 수도 없는 고차원의 세계를 우리는 어떻게 상상할 수 있을까? 물리학자들은 왜 여분 차원이란 난해하고, 황당한 개념을 떠올렸을까? 리사 랜들이 말하는 여분차 원에 대해 알아본다.

어려운 주제이긴 해도 저와 제 동료들은 '우주의 숨겨진 차원'에 대한 비밀을 밝히기 위해 연구 중이에요. 우주의 숨겨진 차원은 비유적인 표현이지만 실재할 수도 있어요. 제가 말씀드릴 모든 이론이 사실로 판명될 거라 확신할 순 없어요. 하지만 왜 이 같은 이론을 생각해냈는지 어떻게 시험할 수 있는지 설명할게요.

제가 여분 차원에 주목하는 이유는 물리학적으로 가능성 있는 개념이기 때문이에요. 이건 시공간의 본질과 관련 있어요. 우리는 좌우, 전후, 상하가 있는 3차원이란 공간에 익숙해요. 하지만 무한히 크고 우리 눈에 보이지는 않는 여분 차원도 존재할 수 있어요.

우리가 3차원이라고 생각하는 이 세계는 사실 우주의 일부일 수도 있어요. 전 이걸 코페르니쿠스 혁명의 연장선으로 생각하고 싶은데요. 인간이 우주의 중심일 필요는 없으니 우리가 보는 게 우주의 모든 차원이 아닐 수도 있다는 거예요. 다시 말해, 숨겨져 있을진 몰라도 우리 눈에 보이는 이 세상에 영향을 미치는 게 있단 거예요.

여분 차원이 왜 생각해 볼 만한 건지 몇 가지 이유를 들어볼게요. 먼저 초끈 이론이에요. 아직 초끈이 무엇인지 어떻게 작동하는지 알 순 없어요. 하지만 우리가 가정하는 건 이 세상을 구성하는 기본 요소가 진동하는 끈이라는 거예요. 양자역학과 중력을 통합해 설명하는 이 초끈 이론이 성립하려면 우주에 여분 차원이 존재해야 해요.

우린 왜 4차원 시공간이 존재하는지 모르고 있어요. 4차원 시공간이란 공간 3차원과 시간 1차원이에요. 우주에 꼭 4차원만 있어야 한다는 물리법칙은 어디에도 없어요. 공간이 3차원만 있는 게 아니라면 중력 이론이 다른 결과를 줄 거예요.

4차원 공간에서 그 이상의 차원이 존재할 수도 있다고 생각해요. 그런 차원들은 말려서 숨어 있을 수 있어요. 안 보이는데 그게 뭐가 중요하냐고 할 수도 있어요. 모든 과학이 그렇듯 물리학의 역사는 우리 눈에 보이지 않는 영역에서 발견한 것들로 이뤄져 있어요. 오늘날 우리가 아는 모든 게 그래요. 우린 원자, 핵, 핵 안에 있는 것들을 당연하게 여기지만 200년 전에는 그 존재를 아무도 몰랐어요. 하지만 더 높은 에너지를 이용해 극소 세계를 연구하면서 우린 숨겨진 것들에 대해 배워요.

1강 강의 정리#

여분 차원에 주목하는 이유
물리학적 가능성, 이론적 일관성, 기존 연구와의 연결성
-> 더 많은 차원이 존재하고 우리 우주에 영향

여분 차원

• 시공간의 본질과 관련
• 3차원 공간 외 여분 차원도 존재 가능
• 3차원에 갇힌 존재라도 여분 차원을 통해 상호 작용 가능
• 중력은 여분 차원으로 이동

초끈 이론

• 양자역학과 중력을 통합하는 이론
• 4차원 시공간만 존재해야 할 이유가 없음
• 표준 모형을 이해하는 데 어려움

초끈 이론의 전제 조건

• 여분 차원을 증명해야 함
• 4차원 높은 에너지 상태에서만 나타남
• 일상에서 확인 불가

자연계에 존재하는 4가지 힘
중력, 전자기력, 강력, 약력

비틀린 중력(Warped Gravity)

• 특수한 형태로 휘어진 5차원 시공간에 존재하는 중력

2강 스케일의 문제#

2강 스케일의 문제 1999년 「비틀린 여분 차원」 논문을 통해 전 세계 물리학계의 주목을 받은 하버드 대학교 물리학과 교수이다. '랜들-선드럼 모형'은 현대 이론 물리학의 난제, 특히 표준 모형 이론의 계층 문제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있다. 우리가 아는 것은 무엇이고, 알지 못하는 것은 무엇일까? 우리가 아는 것을 바탕으로 알지 못하는 것을 이해할 방법이 있을까? 리사 랜들 교수는 이 거대한 질문에 답하기에 앞서 ‘스케일’이라는 개념에 주목한다. 규모, 범위 등으로도 번역되는 ‘스케일’이 중요한 이유는 무엇일까? 가장 큰 스케일부터 가장 작은 스케일까지! 스케일의 세계를 둘러본 후 현재 관찰 가능한 가장 작은 스케일을 연구하는 강입자 충돌기에 대해 알아본다.

이번 강의에서는 물리학의 근본에 대한 논의를 이어가며 어떻게 여분 차원에 대한 생각을 확장할 수 있는지 살펴볼게요. 저는 현재 우주를 이해하는 방법으로써 여분 차원이라는 아이디어에 집중하고 있어요. 저는 여러분이 이 개념을 통해 어떻게 현재의 사고 체계를 뛰어넘을지 생각해 봤으면 해요.

우리가 관측할 수 없는 스케일에서 일어날 수 있는 일을 이야기해 볼게요. 먼저 사진을 떠올려볼까요? 사진을 볼 때 여러분이 유념하셨으면 하는 게 있어요. 그건 바로 사진을 볼 때 '해상도'가 중요하다는 거예요. 여러분이 얼마나 가까이서 보느냐에 따라 보이는 게 다를 거예요.

이건 물리학이 돌아가는 방식에 대한 비유에요. 너무 작아서 관찰할 수 없는 게 있다면, 우린 어떻게든 탐사 도구를 개발해 전에 보이지 않던 '작은 영역'까지 볼 수 있어야 해요. 왜냐면 무엇이 존재하는지 확실히 아는 유일한 방법은 보는 거란 걸 강조하고 싶어요. 우주부터 적혈구까지 스케일에 따라 볼 수 있도록 도구를 개발했어요. 그렇게 물리학도 지속적으로 연구하며 발전했어요.

우주에 대한 이해는 우리가 이를 관찰하는 방식과 또 어디까지 관찰할 수 있느냐에 달려있단 거예요. 대형 강입자 충돌기는 오늘날 관찰 가능한 스케일의 한계까지 관찰하는데요. 둘레가 27km에 이르는 둥근 터널이 지하에 있어요. 그 안에서 양성자를 가속해 높은 에너지에서 서로 충돌하게 하죠. 자연 상태에선 에너지가 낮아 존재할 수 없던 입자가 양성자끼리 서로 충돌할 때 만들어지길 기대하는 거예요.

E=mc² 아시죠? 더 큰 질량 m을 가진 입자를 만들기 위해선 더 높은 에너지 E가 필요해요. 따라서 이런 높은 에너지 입자 가속기로 더 질량이 높은 입자를 연구할 수 있어요.

전 유효 이론에 나오는 이런 은유를 좋아해요. 여분 차원에 사는 사람과 3차원 세계에 사는 사람이 있어요. 이 둘은 같은 세상을 어떻게 다르게 볼까요? 그건 현실을 넘어서야만 알아낼 수 있죠. 그게 여분 차원일 수 있으니 더 연구해 봐야 해요.

2강 강의 정리#

여분 차원(Extra Dimension)

• 4차원 시공간을 넘어서는 차원
• 우리의 감각을 통해서는 파악할 수 없는 차원
• 현재의 사고 체계를 뛰어넘을 열쇠
• 직접 관측할 수 없는 세계, 현재 아는 것을 토대로 이해 가능

스케일

• 해상도 -> 우리 사고에 영향
• 스케일은 달라도 동일한 물리학 법칙 적용
• 스케일에 따라 설명하는 방법이 달라짐 -> 원자 스케일, 양자 역학 적용

양자 역학

• 20세기 초 발견된 원자 이하의 세계
• 원자 > 핵 > 양성자, 중성자 > 쿼크

소립자(Elementary Particle)

• 다른 입자를 구성하는 가장 기본적인 입자

대형 강입자 충돌기(LHC, Large Hadron Collider)

• 인류가 얻을 수 있는 최고 에너지로 양성자를 가속해 충돌시키는 장치
• 높은 에너지에서 양성자끼리 충돌할 때 새로운 입자 생성 가능
• 높은 에너지가 있다면 미세한 영역도 관측 가능

유효 이론

• 이론이 적용되는 특정 스케일에 한해, 측정이 가능한 입자와 힘을 기술하는 이론
• 유효 이론의 바탕이 되는 궁극적 이론은 미완성인 상황

표준 모형(Standard Model)

• 알려진 모든 입자와 이들 사이의 상호 작용을 기술하는 유효 이론
• 1980년대 실험적 검증 완료

3강 새로운 입자 찾기#

3강 새로운 입자 찾기 1999년 「비틀린 여분 차원」 논문을 통해 전 세계 물리학계의 주목을 받은 하버드 대학교 물리학과 교수이다. '랜들-선드럼 모형'은 현대 이론 물리학의 난제, 특히 표준 모형 이론의 계층 문제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있다. 높은 에너지를 이용하는 강입자 충돌기의 목표는 무엇일까? 그중 하나는 현대 물리학의 주요 난제 중 하나인 ‘표준 모형 이론의 계층 문제’를 해결할 입자를 찾는 것이다. 2012년 신의 입자라는 별명으로 세상을 떠들썩하게 만들었던 ‘힉스 입자’와도 깊은 관련이 있다. 물질에 질량을 부여하는 메커니즘을 증명하는 힉스 입자를 찾았더니, 이번에는 힉스 입자의 질량이 문제라는 것이다. 우리가 찾아야 할 또 다른 입자는 무엇일까? 대체 어떻게 찾을 수 있을까?

직접 관측할 수 있는 것 너머에 뭐가 있는지 아직 몰라요. 지난 20세기, 새로운 소립자의 발견이 많았죠. 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위예요.

자연에 존재하는 4가지 힘이 있어요. 중력, 전자기력, 약력과 강력이에요. 물질 간의 상호 작용인 힘들이에요. 그렇다면 어떤 물질들일까요? 강력과 상호작용을 하는 것도 그렇지 않은 것도 있어요. 강력과 상호작용을 하는 건 강입자, 그렇지 않은 건 경입자라고 불러요. 경입자는 전자와 유사하지만 조금 더 무거운 입자들이에요.

그리고 힉스 입자의 발견으로 우리는 입자가 어떻게 질량을 얻는지에 대한 많은 통찰력을 얻을 수 있었어요. 힉스 메커니즘은 소립자에 어떻게 질량이 생기는지 설명해요. 간단하게 설명하자면 우주는 힉스장으로 가득 채워져 있어요. 다른 입자들은 이 힉스장과 상호 작용을 하고 그렇게 질량을 얻게 돼요.

실제로 양자역학과 상대성 이론을 합친 양자장론의 계산에 따르면 질량은 실제 관측된 값보다 훨씬 더 커야만 해요. 이러한 차이는 우리가 정립한 이론들이 불완전할 수 있단 걸 의미해요. 과학자들은 이걸 계층 문제라고 불러요. 계층 문제는 지난 수십 년간 입자 물리학의 중심이 되었어요. 사람들은 커다란 수수께끼가 있다고 생각해요. 표준 모형 이론은 완벽하게 맞아떨어졌고 힉스 입자를 발견하면서 모든 게 설명됐어요.

우린 질량이 왜 작은지 몰라요. 그냥 변수값이 맞다고 가정하고 사용할 뿐이죠. 그래서 저는 여분 차원을 설명해 보려고 해요. 실험적 증거를 보지 못했기 때문에 제 이론이 옳다고 말씀드릴 순 없어요.

여분 차원에는 두 개의 막이 있어요. 두 개의 막인 세계죠. 하나는 중력막, 또 하나는 약한 막이라고 불려요. 약한 막부터 얘기할게요. 막은 무언가를 가둬둘 수 있죠. 우리는 약한 막 위에 갇혀 살고 있을 수 있어요. 그러니까 사실 4차원 공간이 존재하지만, 우주 전체가 3차원 막에 갇혀 있을 수 있다는 거죠.

저희의 이론적 구조에서 중력은 중력 막에 집중되어 있어요. 즉 우리는 중력 막에서 벗어난 3차원 공간의 세계에서 중력을 느끼는 거죠. 여러분이 어디에 있든 중력 막 위에 있지 않다면 중력은 약하고 따라서 질량도 작아진다는 거예요. 이 이론을 검증하기 위해서 칼루차-클라인 입자가 필요해요. 이 입자는 여분 차원 세계에 존재해요. 대형 강입자 충돌기(LHC)로 찾을 수 있어요.

3강 강의 정리#

소립자

• 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 물질
• 다른 입자를 구성하는 가장 기본적인 입자

쿼크(Quark)

• 강입자를 이루는 기본 입자로 쿼크 3개가 모여 양성자와 중성자를 형성

강력(Strong Force)

• 양성자와 중성자 안의 쿼크들을 묶어 두는 힘

힉스 입자(Higgs Boson)

• 표준 모형이 제시하는 기본 입자 가운데 하나

힉스 메커니즘(Higgs Mechanism)

• 양자론에서 소립자들이 질량을 얻게 되는 과정

현대 물리학의 난제

• 계층 문제(계산된 질량과 관측된 질량 차이에서 오차가 있는 문제)

중력

• 계층 문제를 이해하는 또 다른 방법

랜들-선드럼 모형(Randall - Sundrum Model) -> 크기, 질량, 중력 모두 여분 차원에 따라 변화 -> 여분 차원이 있다면, 약한 중력, 계층 문제 설명 가능

• 5차원 시공간이 특수한 형태로 휘어진 물리 도형
• 중력의 위치는 여분 차원의 위치에 변화
• 중력 막을 벗어나면 중력과 질량이 약해진다는 가설
• 힉스 입자, 소립자 스케일에서 실험 가능

4강 이름 없는 영웅, 암흑 물질#

4강 이름 없는 영웅, 암흑 물질 1999년 「비틀린 여분 차원」 논문을 통해 전 세계 물리학계의 주목을 받은 하버드 대학교 물리학과 교수이다. '랜들-선드럼 모형'은 현대 이론 물리학의 난제, 특히 표준 모형 이론의 계층 문제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있다. 암흑 물질의 존재를 시사하는 것들이 여럿 있다. 암흑 물질이 ‘있다’에 손을 들어 준 리사 랜들 교수는 암흑 물질을 관측하는 여러 방법을 소개하고, 암흑 물질의 중요성을 일깨워준다.

이번 강의에서는 물질의 표준 모형 세계를 넘어 저 우주에 다른 무엇이 있을지 살펴보려고 해요. 우린 우주를
입자 물리학자의 관점에서 살펴볼 거예요.

저는 우주의 놀라운 상호 연결성에 대해 강조해요. 우주 역사에서 일어났던 많은 사건이 오늘날 우리에게 어떻게 영향을 미치는지 말이에요. 우주 파이라고 부르는 것으로 이야길 시작해 보죠. 우주 파이는 우주 전체의 에너지 분포를 나타낸 거예요. 원자로 이루어진 물질은 우주 에너지에서 겨우 5%에 불과하단 거예요.

암흑 물질은 그거에 비해 5배나 많아요. 암흑 물질이란 건 실제 물질이에요. 중력과 상호작용을 하는 걸 보면 그냥 물질 덩어리예요. 그러나 빛과 상호작용을 하지 않아요. 게다가 우주 에너지 대부분은 암흑 에너지 형태로 있어요. 암흑 에너지는 우주 전체에 퍼져 있는 에너진데요. 물질처럼 모여 있는 게 아니에요. 우주의 가속 팽창을 관측했을 때, 암흑 에너지가 원인이 되어 가속 팽창이 일어난다는 사실을 알게 됐어요.

암흑 물질을 구성하는 단일 입자는 아직 밝히지 못했어요. 그렇다면 우리는 어떻게 이 암흑 물질의 존재를 알고 있을까요? 암흑 물질을 직접 보진 못하지만, 그 영향을 관찰했어요. 우리가 실제로 암흑 물질이 있다고 믿게 된 첫 번째 계기는 은하 회전 곡선이에요. 은하에서 별들이 어떻게 회전하는지에 대한 거죠. 은하 중심으로부터의 거리 함수에 따라 은하계의 별들이 어떻게 회전하는지 관찰했던 학자들은 보통 물질만으로는 이런 회전이 불가능해서 중력이 충분치 않고 물체가 은하계 밖으로 날아갈 것이라 알아냈어요.

중력을 묶여있는 은하들의 집합인 은하단도 암흑 물질의 영향이 있다고 봤어요. 보통 물질만으로 낼 수 있는 속도보다 실제로 더 빠른 속도를 내고 있었어요. 이러한 속도를 설명하려면 우리가 관측한 것 외에도 다른 물질이 더 필요했어요. 우주 마이크로파 배경 복사도 암흑 물질의 존재를 말해줘요.

암흑 물질에 의한 중력 렌즈 현상이란 게 있어요. 어디에 암흑 물질이 있는지 추적할 수 있는 또 다른 방법이에요. 총알 은하단도 암흑 물질이 존재한다는 단서가 돼요. 총알 은하단은 실제로 두 개의 은하단이 서로 합쳐진 것처럼 보여요. 이런 성단들 두 개 혹은 그 이상이 서로 가까워지면 가스들은 상호 작용을 하고 중심부에 뭉쳐요. 반면 암흑 물질은 서로 지나쳐요.

암흑 물질이 실제로 우리은하 크기의 은하 형성에 기여했단 거예요. 우주의 일생동안 말이죠. 암흑 물질은 붕괴하면서 우주의 구조를 만드는 발판이 되어줬고 그 위에 보통 물질이 자리 잡았어요. 그러니 암흑 물질은 은하계 형성에 필수적이에요. 주목받지는 못했지만 정말 중요한 역할을 한 거예요.

4강 강의 정리#

우주 파이(Cosmic Pie)

• 우주의 에너지 분포를 원형 그래프로 표현한 것

암흑 에너지

• 전 우주에 걸쳐서 분포할 것으로 추정되고 있는 가상의 에너지

암흑 물질

• 중력과 상호 작용, 빛과는 상호작용을 하지 않음
• 표준 모형 입자가 아닐 가능성이 높음
• 표준 모형(전자기력, 약력, 강력)과 상호작용이 없음
• 암흑 물질을 직접 볼 수는 없어도 영향은 관찰이 가능
• 은하 형성에 기여 -> 은하계 형성에 필요한 충분한 중력을 생성
• 암흑 물질이 없으면 은하계 구조가 흩어짐

암흑 물질의 증거

1. 은하 회전 곡선
2. 우주 마이크로파 배경(Cosmic Microwave Background)
   • 관측할 수 있는 우주를 균일하게 채우고 있는 마이크로파 전자기 복사
   • 암흑 물질의 양을 말해주는 우주 배경 복사
3. 중력 렌즈 효과
   • 중력 렌즈 현상 관찰을 통해 암흑 물질의 위치 추적
4. 총알 은하단
   • 은하들의 집합인 은하단이 최소 2개 이상 융합해 만들어지는 은하단

중력을 제외한 암흑 물질과 보통 물질은 상호작용을 하지 않음
보통 물질 + 보통 물질 -> 상호 작용 O
암흑 물질 + 암흑 물질 -> 상호 작용 X

오늘날 지구의 모습

• 암흑 물질 붕괴(중력을 만듦) -> 보통 물질 붕괴 -> 은하계 형성

5강 물질과 대멸종#

5강 암흑 물질과 대멸종 1999년 「비틀린 여분 차원」 논문을 통해 전 세계 물리학계의 주목을 받은 하버드 대학교 물리학과 교수이다. '랜들-선드럼 모형'은 현대 이론 물리학의 난제, 특히 표준 모형 이론의 계층 문제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있다. 암흑 물질의 특성에 관해 연구하던 리사 랜들과 학자들은 흥미로운 가설 한 가지를 떠올리게 된다. 일반적인 이론에 따르면 암흑 물질은 보통 물질과 중력 이외에는 상호 작용을 하지 않는다. 하지만 암흑 물질이 자기끼리는 상호 작용을 할 수도 있지 않을까? 만약 자기끼리 상호 작용한다면 무슨 일이 일어날까? 꼬리에 꼬리를 물고, 이어 나간 생각의 종착지는 공룡의 멸종이었다. 대체 어떻게 된 일인 걸까?

전 입자 물리학 외에도, 우주론 특히 암흑 물질에 대해 연구하고 있어요. 제가 왜 암흑 물질을 연구할까요? 존재한다는 것을 확신하기에 암흑 물질은 완벽한 연구 대상이거든요. 확실치 않지만 전 암흑 물질이 소립자로 구성돼 있다고 가정할 거예요.

약하게 상호작용을 하는 질량을 가진 입자 윔프에 대해 들어보신 분도 있을 거예요. 오랫동안 윔프가 암흑 물질일 거라 막연히 추측했었어요. 원론적으로 윔프는 입자 물리학의 표준 모형과 밀접하게 관련된 입자예요. 윔프는 아직 발견하지 못했고 윔프가 여전히 가능성 있는 후보지만 그 특성을 더 구체화해야 해요.

사실 제가 암흑 물질을 연구하는 건 모형 구축이란 거예요. 우리가 보는 현상을 어떻게 설명할 수 있을지 가능성을 찾는 거죠. 전 실험할 수만 있다면 광범위한 이론들에 대해 생각해 봐야 한다고 여겨요. 그중 맞는 걸 찾길 바랄 뿐이죠.

태양계 외곽에는 천체가 느슨하게 결집된 오르트 구름이란 게 있어요. 오르트 구름은 장주기 혜성의 기원이죠. 그런데 태양계가 암흑 물질 원반을 통과할 때마다 오르트 구름 속 아주 멀리 떨어져 있어서 약하게 묶인 천체는 궤도에서 쉽게 이탈할 수 있어요. 천체가 궤도에서 이탈하면 태양계에서 사라질 수도 있고 지구와 충돌할 수도 있죠. 그래서 태양계가 암흑 물질 원반을 통과할 때 지구에 이런 충돌이 발생할 가능성이 높아요.

이 거대한 우주 역사를 연구하면서 제가 느낀 점은 이 우주를 구성하는 것들과 우주의 발달 과정이 정말 경이롭고 놀랍단 거예요. 우리가 관측하는 것을 설명하기 위해 이렇게 다양한 과학 분야가 상호연결 될 수 있단 것도 놀랍죠.

5강 강의 정리#

암흑 물질

• 존재하지만, 알 수 없는 것 -> 모든 가능성을 염두
• 암흑 물질 -> 소립자로 구성(가정)

윔프(WIMP, Weekly Interacting Massive Particles)

• 약하게 상호작용을 하는 질량을 가진 입자(이론상 가상 입자)
• 힉스 입자와 비슷한 질량
• 보통 물질과 중력 외 상호 작용
• 암흑 물질의 양과 비슷
• 실험으로 검증 가능

모형 구축(Model Building)

• 현상을 설명할 가능성이 있는 후보 이론을 만드는 것
• 모형을 구축하는 과정에서 새로운 접근법을 발견할 가능성
• 모형은 모형일 뿐 검증이 필요

광자(빛)

• 보통 물질 간의 전자기력 상호 작용 매개

암흑 광자

• 암흑 물질 간의 상호 작용 매개

Debt is the slavery of the free.

— Publilius Syrus