이론상 "끈"을 푸는 우주
선생님은 입자 이론을 연구하는 에구치 토루 교수다.이른바 '슈퍼스트링 이론'을 전문으로 한다던데. 그래서 '초능력 이론'이 어떤 소리인지, 또 그것을 연구해보면 어떨지 궁금했다.
기초 입자가 "끈!"이라고?
나카타:오늘 협조해줘서 고마워.당신의 전공은 슈퍼스트링 이론(일명 슈퍼스트링 이론)과 양자 중력 이론인데, 그 개념은 무엇인가?
에구치: 목표는 기초 입자의 기본 이론, 통일 이론이다.비록 기초 입자가 자연의 기본 입자지만, 나는 그것들이 보통 우주에서 움직이는 점이라고 생각한다.그것을 1차원적인 '끈'으로 대체하자는 발상은 슈퍼스트링 이론이다.길이 10~33cm 정도의 매우 작은 끈으로 보통 점 입자처럼 보인다.그러나 미시세계에 가면 끈에 있는 입자들을 보게 되는데, 그 입자들은 여러 가지 법칙이 알려진 형태에서 벗어나게 된다.나는 그것이 입자 이론의 몇 가지 난관을 해결한다고 생각한다.
특히 미시세계의 중력론에는 지금 좋은 이론이 없다.아인슈타인의 일반 상대성 이론은 항성의 운동과 은하계의 구조와 같은 거시 세계의 중력 이론이다.그러나 우주의 역사로 돌아가면 점점 더 붕괴될 것이고, 마침내 우주의 전체 덩어리가 아주 작은 공간으로 밀려날 때까지.그런 미시세계의 상태를 물리 이론으로 큰 중력으로 살펴볼 수 있기를 바란다.
미시세계를 다루기 위해서는 정량화된 이론을 만들어야 한다.그러나 일반 상대성 이론은 계량화하면 모순으로 가득 차 있다.불확실성의 원리가 있지만 일반 상대성 이론에 적용하면 시간과 공간이 불안정하게 고정되지 않는다.이것은 미시세계에서 더욱 심해지고, 결국 제멋대로 되고 제멋대로 된다.
나카타: 전자기력이나 다른 힘에는 문제가 없는가?
에구치:그래, 입자의 힘은 중력 외에 전자기력과 원자핵을 생산하는 핵력이다:강력한 힘, 일상생활에서 많이 일어나지 않는 약한 힘이다.미시세계의 이러한 이론에는 거의 모순이 없다.이러한 세력은 게이지 이론을 이용해 이해되고 있으며, 올해는 그 힘으로 노벨 물리학상을 받았다.
그래서 장기적인 목표는 미시 세계 중력 이론을 만드는 것이다.이것은 기본 입자가 점 입자라는 이미지로는 할 수 없다.슈퍼스트링 이론에서 나는 과감히 뛰어들어 점보다는 늘어진 끈으로 기초 입자를 생각한다.
현악기가 진동할 때, 말하자면 바이올린이 다양한 음색을 발산하듯이, 고진동, 느슨한 진동 등 여러 조건이 있다.나는 끈 이론이 다양한 입자들이 이것을 한 번에 설명할 수 있도록 한다고 생각한다.예를 들어 바이올린을 켜면 소리가 많이 나지?
나카타: 바이올린 하나로?
에구치:그래, 멀리서 보면 점으로 바이올린이 보인다.멀리서 보면 여러 가지 다른 에너지 상태를 볼 수 있고, 멈춰선 에너지는 질량인 것 같다.
나카타:진동은 없나?
에구치 : 아니, 자세히 보면 진동이 있지만 전체적으로 고착되어 있어.멀리서 보면 거대한 입자가 있는 것 같고, 끈의 진동 상태에 따라 여러 가지 기본적인 입자로 나타난다.
에너지가 낮으면 끈이 거의 점으로 뭉쳐지기 때문에 입자를 점으로 생각하는 정상적인 이론으로 돌아온다.그러나 끈이 높은 에너지로 서로 충돌할 때, 또는 미시적인 세계 현상에서는 일반적인 이론에서 벗어나게 된다.
그래서 끈에는 두 종류가 있는데 하나는 끝이 닫힌 것과 다른 하나는 닫힌 끈의 측면에서 보면 가장 낮은 에너지 상태가 중력자가 된다.
나카타: 중력 원소가 되기 위한 공식을 만들 수 있다는 말인가?
에구치: 그는 처음부터 일반 상대성 이론의 융합에 아주 능하다.
반면에 끝과 함께 열린 문자열의 가장 낮은 에너지 상태는 게이지 입자다.이것은 게이지 이론을 재탕한 것이다.
나카타: 게이지 입자가 힘과 정확히 무슨 관계가 있는가?
에구치:광자.전자기력은 물론 강하고 약한 힘도 모두 게이지 입자에 의해 운반된다.
나카타:중력을 제외한 모든 힘이 게이지 입자라는 말인가?
에구치:그래, 전하가 있고, 그 다음에 광자가 배출되어 다른 전하에 빨려들면 그 힘이 전자기력에 가해지는 거야.같은 방법으로, 전하를 대신하여 글루온으로 운반하는 「색」이라고 하는 것이 있다.그만큼 강한 것이다.그리고 약하면 "센트"라고 부른다.나는 게이지 이론이 힘의 근원이 되는 이 세 힘의 패턴을 이해할 수 있고, 어떤 입자로부터 입자가 교환되는지를 통해 힘을 만들어 낸다고 생각한다.
끈 이론의 위치에서, 가장 낮은 에너지 상태에서, 그들은 게이지 이론이 열린 끈 이론의 이론으로부터 중력을 얻는 전체 섭취를 시도한다.
슈퍼스트링 이론 전환
나카타: 슈퍼스트링 이론에는 다차원 공간, 10D 공간, 11D 공간에 대한 이야기가 있지만, 그 근거는 무엇일까?
에구치:글쎄, 그 증거는 수학 이론의 일관성에서 나온 거야.가장 먼저 나온 것은 끈 이론과 끈 모델이 강한 상호작용의 문제에 대한 모델이었다.강한 상호작용은 쿼크에 작용하는 힘이지만, 쿼크가 근본적인 입자라고 할 때 쿼크의 가장 이상한 점은 쿼크의 감금(주2)이었다.그래서 설명에는 끈 모델이 있었다.쿼크와 안티 쿼크가 있을 때, 나는 연결되는 고무줄 같은 것을 떠올린다.쿼크에서 튀어나올 때 끈이 쭉쭉 뻗어나가지만 너무 늘이면 중간이 둘로 갈라지고, 컷이 쿼크와 반쿼크를 형성해 메손이 두 개, 쿼크가 절대 나오지 않는 모델을 생각했다.
그래서 차원에 관한 겁니다.방금 언급했듯이 스트링 모델은 강한 힘의 모델로 나왔으며, 이 시스템을 자세히 살펴보면 초기에는 26차원, 후기 모델에서는 10차원이라는 이상한 차원이 있어야 하며, 흥분상태의 확률을 조사하면 마이너스 확률을 갖게 된다.
그리고 이 시스템의 가장 낮은 에너지 상태는 질량 제로 입니다.나는 지금 이것을 광자처럼 질량이 없는 게이지 입자로 생각하지만, 그 당시에는 질량 중간자나 양성자를 생각하고 있었기 때문에 이상하다고 생각하고 모델로서 생각했고 그것을 파괴할 것이다.그래서 강한 상호작용의 문제는 끈이 아니라 게이지 이론으로 해결된다.
그래서 이 첫 번째 버전은 작동하지 않지만, 70년대에 걸쳐 재해석되었다.치수는 전혀 달랐고, 핵 문제가 아니라 게이지와 중력의 확장된 이론이라고 생각했다.하지만 좋은 드라마 스토리가 떠오르지 않아 당시 연구자들로부터 큰 관심을 받지 못했다.
그러나 80년대 중반 이후 큰 발견이 있었고, 끈 이론은 이후 입자 이론의 중심 연구 대상이 되었다.
나카타:큰 발견이다.
에구치=80년대 중반과 90년대 중반에는 두 가지가 있다.첫 번째 것은 제1줄 이론 혁명이라고 불리며, 두 번째 것은 1990년대 중반이다.
1차 혁명을 설명하자면 중력과 게이지장력의 두 가지 주요 유형이 있다.그러나 보통은 중력과 게이지의 전력은 왜 그들이 그렇게 되어야 하는지를 서로 이해하지 못했다.
나카타:한 개가 있다는 것은 알았지만, 그 이유는 알 수 없었다.
에구치:글쎄, 아무런 설명도 없었다.그러나 80년대에 이르러서야 끈이론은 일치할 수 있었다.끈이론에서 중력점만 빼내고 게이지론을 버리거나 반대로 하면 결국 수학적으로 모순되는 이론으로 귀결된다.
특히 끈 이론은 게이지 그룹이라고 불리는 것을 결정한다.게이지 이론에서는 게이지 그룹을 선택하지만, 우리는 보통 경험을 사용하여 게이지 그룹을 결정한다.그러나 끈 이론에서 이론의 일관성은 실제로 두 개의 특정한 계기를 지시한다.그것이 흐름을 바꾸었다.그때까지만 해도 소수의 연구자들이 그 일을 해왔고, 그 때 우리는 끈 이론을 연구하기 시작했다.
나카타: 함께 연관되거나 합리화되지 않은 것들을 슈퍼스트링 이론으로 설명할 수 있다는 것은 정말 흥미롭게 들린다.
에구치:그래. 모두들 충격을 받고 갑자기 흥미를 가지고 공부하기 시작했어.이것을 제1 현악 이론 혁명이라고 한다.약 10년 후, 약 10년 전, 제2 현악 이론 혁명이 일어났다.
끈 이론은 복잡한 이론이라 풀기 어렵다.그래서 예언들을 꺼내지 못했지만, 제2의 현악 이론 혁명은 현악 이론에 있어서 너무나 많은 진전을 이루었기 때문에 상당히 강력한 증거가 있다.하나는 블랙홀의 엔트로피 문제(주3)이다. 들어본 적 있어?
나카타:닥터 기억나. 호킹은 그런 종류의 연구를 하고 있다.
에구치:그래, 그것과도 관련이 있어.블랙홀은 많은 미스터리를 가지고 있다.
블랙홀 주위에는 탄피, 사건의 지평선이 있어 안으로 들어가면 밖으로 나갈 수 없다.이상한 일이 생기면 퍼즐이 많이 생긴다.그래서 예를 들어 껍질 밖의 별가루 상태를 보면 기본적으로 전하, 질량, 회전 등에 대한 많은 정보를 추출할 수 있지만 일단 별가루가 수평선 위로 떨어지면 안에서 무슨 일이 벌어지는지 알 수 없다.
나카타:불도 안 나와.
에구치:그래서 우리가 알고 있던 정보를 잃어버렸다고 말할 수 있고, 블랙홀이 쌓이고 있다.블랙홀은 총 질량과 전하량, 그리고 그 스핀에 대한 매개 변수만 있을 뿐 블랙홀에 떨어진 원자와 분자의 수와 같은 미세한 물질이 많을 것이다.주의 로그 로그는 엔트로피다.
블랙홀을 양자적으로 처리할 수 있다면 엔트로피는 에너지의 함수로 계산할 수 있어야 한다.베켄슈타인과 호킹이 열역학적 고려에서 나온다는 예측이 있다.이것은 일반상대성이론에서는 계산할 수 없지만 끈이론이 할 수 있다면 일반상대성이론보다는 끈이론이 조금 나을 것이다.
나카타:알았어.
에구치: 약 8년 전에 어떤 종류의 블랙홀을 하는 것이 가능했기 때문에, 우리가 예상한 것은 바로 이런 것이다.그리고 끈 이론이 올바른 방향으로 가고 있으며, 일반 상대성 이론보다 더 큰 차원에서 다루어질 수 있다고 말할 수 있었다.어떻게 보면 나의 첫 번째 성공이다.
나카타:그건 끈 이론의 증거 중 하나야.
에구치:그래, 끈 이론은 여기까지 갈 수 있을 만큼 크니까 어딘가에서 비틀거리면 나가지만, 지금은 하나의 검문소를 치운 느낌이야.다른 증거들도 많이 나왔고, 사람들은 전보다 더 확신했다.
나는 우리가 이상한 차원에 살고 있다는 사실이 농담으로 받아들여지곤 했다고 생각한다.전문적이지 않은 사람(lol)을 위해서.
나카타:네.
에구치: 하지만 정말 그런 추가 차원이 있고, 우리가 그것들을 실험적으로 볼 수 있는 방법에 대한 연구가 현재 활발히 진행되고 있어.
그리고 우주 초창기에도 슈퍼스트링 이론에 대한 새로운 이해가 다양한 모델로 이어졌다.보통 빅뱅이라고 불리던 우주는 어느 시점에서는 폭발했지만 시간이 0으로 돌아간다고 해도 반대편에서는 시간 마이너스 현상이 나타날 가능성이 있다.전 영역은 유동적이며, 확립된 이론은 없다.
나카타:이제 슈퍼스트링 이론을 검토할 때인가?
에구치: 부족하다고 생각하지만, 이론적인 예측이 나오기 시작했어.지금은 올림픽에 참가하는 젊고 정력적인 연구자들이 많이 있다.전 세계의 다양한 사람들이 서로 공부하기 위해 경쟁한다.
끈 이론에 대한 관여
나카타:그럼 선생님께서는 이런 상황에서 어떤 연구를 하고 계시는지요?
에구치: 나는 1차 혁명 때부터 끈 이론을 공부하기 시작했다.그 전에 내가 하던 연구는 현재의 끈 이론에 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 관련된 것들에 관심이 많다.
하나는, 끈 이론이 활성화되기 훨씬 전에, 나는 일반 상대성 이론의 아인슈타인 방정식 중 하나에 대한 해결책을 연구하기 위해 70년대 후반에 미국의 연구자들(한슨)과 함께 일하고 있었다.아인슈타인 방정식을 풀 때 보통 블랙홀의 해법, 예를 들어 평평한 밍코프스키 공간, 즉 우주 시간 등을 떠올린다.
나카타:민코프스키 공간 이름이 뭐야?
에구치: 시간과 공간을 구분하는 공간은 민코프스키 공간(임시 공간)이다.반면에 유클리드 공간에서는 시간과 공간이 정확히 같은 역할을 한다(참고:시간 차원이 없다는 것도 알 수 있다).그래서 나는 그것을 설명하는 아인슈타인 방정식의 정확한 해법인 유클리드 공간이 곡선인 공간을 찾았다.
자, 끈 이론은 우리가 10차원 공간에서 시작해서 4차원 공간에서 살고 있고, 6차원이 남아 있다는 겁니다.그것이 바로 기초 입자의 내부 공간이라고 하는 것이다.우리가 볼 수 없는 작은 공간인 것 같고, 거기서 다양한 입자의 성질이 나온다.그리고 그 내부 공간을 위해 우리가 과거에 구축한 공간을 사용할 수 있다.
나카타: 그럼 상대성 이론에서 끈 이론으로 내가 생각하고 있던 우주의 모델을 적용할 수 있겠군.
에구치: 끈 이론의 여분의 6차원 부분은 시간차원이 없기 때문에 유클리드 공간은 구부러져 매우 잘 들어맞는다.게이지의 대칭은 자연적으로 생성되기 때문에 우리가 발견한 공간에 중요한 역할을 한다.
또한 이것은 다른 종류의 작업이었는데, 앞서 게이지 이론의 관점에서 게이지 그룹이 선택될 것이라고 언급한 바 있다.게이지 이론은 아직 분석적으로 풀리지 않았지만, 이를 해결하고자 한다면 이러한 게이지가 매우 큰 한계이기 때문에 게이지 이론이 단순화될 것이다.그래서 거기서 무슨 일이 일어났는지 알아보았다.
그것을 조사해 보았더니 그 분야의 양자이론 문제는 어떤 의미에서는 규모 순서, 규모 순서, 쉬운 질문이라는 것을 알게 되었다.이것은 내가 가와이라는 사람과 함께 한 일인데, 이 메커니즘은 여러 가지 다른 맥락에서 끈 이론에서도 사용된다.
나카타: 해결책을 알아내기가 매우 어려운 끈 이론에서, 어떤 해결책을 알아내는 것을 더 쉽게 만들 수 있을까?
에구치: 항상 해결이 불가능한 것은 아니지만, 단순화는 여러 곳에서 일어난다.이 직업이 끈 이론에 쓰일 수 있을 거라고는 생각도 못했는데, 최근 들어 반복적으로 보고 있다.
또한 끈 이론은 수학적인 문제를 가지고 있기 때문에 약 20~30%의 작업이 수학에서 이루어진다.물리학에 새로운 이론이 등장할 때마다 물리학의 내용을 쓰는 도구는 변한다.뉴턴이 처음 운동의 방정식을 쓸 생각을 했을 때, 그는 분화와 통합과 같은 수학적인 도구가 필요했다.같은 방법으로 양자역학, 힐버트 공간, 그리고 액츄에이터로부터, 일반 상대성, 리먼 그리고 많은 다른 것들로부터,
그래서 끈 이론에는 많은 새로운 수학들이 있다.끈 이론이 물리학 이론으로 성공할지는 아직 알 수 없지만 수학 분야에서는 좋은 점수를 받고 있다.
나카타: 슈퍼스트링 이론을 풀려고 노력했고 수학에도 기여했다는 뜻이야?
에구치:그래, 그래서 수학자들과 접촉이 많구나.배우는 것이 많다.예를 들어, 끈 이론의 내부 공간의 기학은 앞에서 말했듯이 수학적인 문제에 상당히 가깝다.
나카타:수학과 관계가 깊구나.
기초 연구의 역할
나카타:그럼, 화제를 조금 바꾸게 해줘.
이론물리학 같은 기초연구는 중학교 사회의 이익과 유용성과 연계될 수 없다고 본다. 기초연구를 실시하게 된 의의와 동기를 어떻게 생각하십니까?
에구치: 모르는 일이나 자연의 기본에 대해 알고 싶은 것에 끌릴 때가 있다고 생각해.이제 국제경쟁의 주제 중 하나는 기초연구가 얼마나 성공할 수 있느냐다.지원 분야에서 좋은 성과를 내는 것이 매우 중요하다고 생각한다. 그러나 일본 과학을 진흥시키기 위해서는 기초적인 분야에서 좋은 연구를 하는 것도 중요하다고 생각한다.
나카타:나라 위상을 높이겠다는 말인가?
에구치:맞아.나는 네가 그것을 적용하고 있다는 말을 듣고 싶지 않아.그런 식으로 최선을 다하는 것은 사회에 대한 책임을 다하는 것이라고 믿는다.게다가 일본이 진정한 근본적 바탕 위에서 인류의 지혜를 선진화하는 일종의 문화에 기여할 수 있다고 믿는다.
미국 대학에서도 최근 슈퍼스트링 이론이 유행하고 있어 대학의 위상은 끈 이론의 우수한 연구자를 모집하는 것이다.그렇기 때문에 도쿄대를 비롯한 일본의 여러 기관으로부터 국제적으로 경쟁력 있는 일자리를 지속적으로 제공할 필요가 있다고 생각한다.
우리 연구소의 기능 중 하나는 대학원생으로 들어오는 젊은이들이 수준 높은 연구와 훈련을 하고 우수한 외국 연구소와 대학에서 더 열심히 일하게 하는 것이다.마치 메이저리그에 가서 활동하는 것과 같다. 사실 이 연구실에는 외국에서 활동 중인 우수한 사람들이 많이 있다.
이를 이루기 위해서는 일본도 좋은 수준에서 잘해야 한다. 실험실에서 잘 하는 것이 중요하다.
나카타=메이저리그에 갈 수 있는 선수들을 훈련시키려면 국내 리그가 잘 짜여져야 한다(lol)
에구치=J리그는 세리에A(롤)로 가려면 레벨이 높아야 한다.
하지만 정확히 같은 수준으로 가기는 쉽지 않다.나는 일본이 미국의 일류 대학 연구자들에 관한 한 그렇게까지 갈 것이라고 생각하지 않는다.메이저리그가 일본 야구를 할 때 일본은 아직 패자부활이라고 생각한다.야구보다 더 잘하고 있어?
물리학의 현시점
나카타: 음, 마지막이지만 중요한 것은, 물리학, 특히 이론 물리학을 공부하고 있는 학생들을 위한 메시지가 있다면.
에구치: 입자 이론은 자연의 기본 원리를 추구하는 세계다.예를 들어, 나는 실제 우주의 시작을 이해하는 이론을 만들려고 노력하고 있다.지금은 잘 되고 있지만 아직 할 일이 많은 것 같아.
다른 분야에는 흥미로운 문제들이 많이 있다.우리는 물리 이론과 같은 것을 보고 있습니다, 예를 들어 고체 물리학, 입자 이론과는 매우 다른 시스템 -- 그리고 우리는 실제로 입자의 세계에서 사용될 수 있는 현상을 발견하였습니다.
예를 들어, 현재 게이지 이론에 사용되고 있는 힉스 메커니즘은 고체 물리학에서 발견된 초전도성 이론을 입자에 사용하는 것과 같다.
나카타: 이론 물리학에서는 많은 이야기들이 서로 연결되어 있다.
에구치:그런 일이 여러 번 일어난다.이상하다.
그런데, 나는 물리학이 우리가 학생이었을 때보다 훨씬 성숙했다고 생각해.내가 학생이었을 때는 게이지 이론이 없었다.그때만 해도 나는 중력론, 아인슈타인 방정식을 조작하는 것이 노인의 일이고, 젊은이들은 그것을 해서는 안 되며, 성자처럼 되고, 현실세계에서 멀어질 것이라고 말하곤 했지만, 지금은 전혀 때가 아니다.
그래서 더 많이 배웠지만 지금은 일이 많다.공부하는 데는 시간이 걸리고, 스스로 하는 시간을 갖기 위해 오랜 시간 동안 거대한 기계를 사용하기 전에는 새로운 것을 발견할 수 없다.물리학은 각 이론에서 여러 가지 다른 부분으로 나뉘어져 있고, 각각은 나름대로 축적이 있기 때문에 한 걸음 더 나아가기 위해 열심히 노력해야 한다.
나카타:기뻐해야 하지만 이제 막 시작하려는 사람들에게는 힘든 일이다.
에구치:나는 가끔 오늘날의 젊은이들의 젊은이들에게 조금 미안함을 느낀다.
하지만 물리학에서는 우주론에 대한 연구가 조금 더 젊다고 생각한다.너는 프런트에 꽤 빨리 도착할 수 있다.입자 이론이 가장 어려운가?현장에 따라 다르다고 생각한다.인생은 아직 어린 과학이 아닌가.
나카타:맞아.분야에 따라 기존의 상식을 뒤집고 새로운 장르를 만들어낼 발견이 아직 남아있다고 생각한다.
에구치:아직도 큰 변화가 있다고 생각하십니까?물론 물리학은 여전히 변화하고 있지만, 그러기 위해서는 열심히 노력해야 한다.그러나 끈 이론에서 이루어진 큰 진보 때문에 끈 이론에 끌리는 젊은이들이 많다고 생각한다.국제사회에서도 이름을 모르는 사람이 많다.지금은 아주 좋은 시간이다.
나카타:열매를 맺을 때인가?
에구치:결국 좋은 이론을 세울 수 있을지 모르겠어.하지만, 나는 모든 끈 이론이 틀렸다고 생각하지 않는다.결국 좋은 이론이 있다면 그 안에 남아 있을 수 있는 것이 있을 것이다.끈 이론에 대한 오해가 있을 수 있고, 진공 에너지가 0이 되지 않는 문제는 정말 어렵다.
나카타:그런 곳의 발전은 하나의 혁명적인 생각을 가질 때 움직이는 특성인가?
에구치:그래, 혁명이 필요하다고 생각해.얼마나 더 필요한지 모르겠다.
나카타: 음, 나는 그것이 당신의 실험실에서 나오는 종류의 혁명이었으면 좋겠어.
에구치: 그러길 바래.
내가 이 대학에 있는 것이 행복했던 것은 우수한 사람들이 국제적인 최고의 장소에 와서 공부했다는 것이다.앞으로도 그렇게 해줬으면 좋겠어.
나카타: 나도 생물학 기초 연구를 하고 있어, 오늘은 아주 흥미로운 이야기였어.정말 고마워.