우주는 언제 생겨났을까? 우주는 무한히 펼쳐져 있을까,아니면 끝이 있을까? 우리가 사는 우주 이외에 다른 우주가 존재하지는 않을까? 그곳에 생명체는 살지 않을까? 누구나 한번쯤은 던져 보았을 질문들이다.

‘제 2의 아인슈타인’이라고 불리는 세계적인 천체물리학자 스티븐호킹박사(58·케임브리지대 교수)는 이같은 질문에 대한 답을 천체물리학계의 최신 가설인 ‘막(膜·brane) 우주론’에서 찾고 있다.4일부터 8일까지 제주에서 열리는 천체물리 분야의 국제학회 ‘COSMO-2000’에 참석하기 위해 지난달 29일 방한한 호킹박사는 서울대,고등과학원 등에서의 강연에서 새로운 우주론을 소개하고 있다.그의 강연을 통해 천체물리학자들이 최근 연구에 몰두하고 있는 ‘막 우주론’에 대해 알아본다.

[막 우주론이란] 미국의 물리학자 랜달(프린스턴대)과 선드럼(스탠포드대)이 1998년 내놓은 가설이다.그들은 우리가 살고 있는 세상이 사실은 10∼12차원의 큰 공간(다차원 우주)에 들어있는 4차원(전후,좌우,상하,시간)으로 된 막이라는 가능성을 제시했다.예컨대 3차원 공간인 영화관에 2차원의 스크린이 있고 이 스크린 상에서 배우들이 살아있 듯,우리는 다차원 공간에 들어있는 4차원의 막에 살고 있다는 것이다.이 곳에 있는 강력한 에너지때문에 그 주위의시·공간이 강하게 휘고,이 세상의 물체들은 4차원 막에 붙어살게 되며 우리 우주 ‘바깥’,즉 나머지 차원은 관측되지 않는다는 것이 이들의 설명이다.

다차원 개념은 80년대 등장한 초끈이론(super string theory)에서처음 등장했다.

자연계를 구성하는 기본 입자들이 사실은 미세한 끈(string)으로 이뤄져 있다는 것이 이 이론의 기본 아이디어다. 초끈이론에 따르면 우주는 11차원으로 이루어져 있는데, 다만 이 중 4차원만 우리 눈에 보이고 나머지 7차원은 관측은 어렵지만 간접적인 경로를 통해 눈에 보이는 4차원의 물리법칙을 결정한다는 것이다. 나머지 7차원이 안보이는 이유는 무엇일까?가장 오래되고 간단한 설명방법은 7차원 모두 아주 작게 접혀 있기 때문이라는 것이다.

초끈이론을 연구하다 보면 2차원의 막(membrane) 또는 더 큰 차원을가진다양한 물체들이 존재함을 알 수 있게 됐다.이러한 물체들을 통틀어 막,즉 브레인이라고 부른다.브레인에 관한 연구는 초끈이론에서얻어낼 수 있는 우주론의 가능성을 한층 넓혀 놓았다.

[새로운 의문점] 막우주론은 그동안 물리학자들이 풀지 못했던 많은다른 문제들에 관한 해답을 제시해 줌으로써 학계의 주목을 받았다.

만일 정말로 우리 우주가 4차원 막에 갇혀 있다면,혹시라도 우리 우주에서 보이지 않는 바깥으로 물질이나 에너지가 새어 나갈 수 있는지,가능하다면 어떻게 관측할 지가 관심사로 떠오른다.물리학자들은이를 관측하거나 검증하는 것이 당장에는 불가능하지만 향후 10년 간의 초정밀가속기 실험을 통해 보이지 않는 추가적인 차원에 대한 실험데이터를 얻을 수 있을 것으로 보고 있다.

함혜리기자 lotus@.

*기존의 우주론은 ‘표준우주모형’.

천체 물리학자들의 관심사는 우주의 기원과 상호작용의 원리를 규명하는 일에 집중된다.

과학자와 철학자들은 100년 가까이 우주의 모든 힘과 상호작용을 이해하기 위해 노력한 결과 많은 우주모형을 도출해내는 데 성공했다.

현재 우주론을 연구하는 사람들이 주로 사용하는 우주모형은 대폭발(빅뱅)·급팽창(인플레이션)·차가운 암흑물질·중력불안정 등 4가지가설을 기본으로 하는 ‘표준우주모형’이다.

표준우주모형은 20세기 초 우주의 역사를 새로 쓰게 한 양대 발견에서 비롯됐다.

우선 아인슈타인은 일반상대성이론을 통해 중력이 다른 힘들과 달리시공간의 휘어짐을 통해 전달된다는 사실을 밝혀냈다. 고정된 시공간에서 물체들만 움직이는 것으로 보았던 기존의 이론들과 달리 상대론은 우주 자체가 시간이 흐름에 따라 분명히 변화한다는 것을 기술하는 길을 열었다.그 다음 위대한 발견은 에드윈 허블에 의해 이뤄졌다.허블은 윌슨산에 있는 천체망원경을 이용한 자세하고 정확한 관측을통해 우주가 팽창하고 있음을 밝혀냈다.아인슈타인과 허블의 발견 이후 수많은 물리학자들이 우주의 발생과 진화를 연구하는 데 매달려 표준이론이 정립됐다.

그러나,표준우주모형이 우주의 생성과 진화과정을 완벽하게 설명해주지는 못한다.

예를들면,우주는 어떤 대폭발 점에서 시작됐으며 그 점에서는 전체우주와 그 안의 모든 것들이 어마어마한 밀도로 엄청나게 작은 공간에 밀집돼 있는데,그런 상황에서는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이성립하지 않는다.즉 일반상대론에 미세 세계를 다루는 양자역학을 접목시켜야만 이 현상을 제대로 기술할 수 있다.

그러나 상대론과 양자역학이 각각 완성된 지 70여년이 지난 현재까지 두 이론을 결합하는 문제는 숙제로 남아있다.이런 우주론의 궁금증을 풀기 위해 천체 물리학자들은 모든 원리를 단일한 법칙으로 설명할 수 있는 ‘통일이론’을 찾는데 열중하고 있다.

함혜리기자.

*천체물리학 대가 스티븐 호킹박사는 누구.

‘휠체어를 탄 과학자’ 스티븐 호킹 박사는 42년 옥스퍼드에서 출생,옥스퍼드 대학을 졸업한 뒤 케임브리지대학 대학원에서 물리학을전공한 세계적인 천체물리학자다.63년 박사학위를 준비하던 중 운동신경이 차례로 파괴,전신이 뒤틀리고 마비되는 루게릭병(근위축성 측삭경화증)에 걸려 시한부 인생을 선고 받았다.

그러나 우주물리학에 대한 호킹 박사의 탐구는 그때부터 시작,우주론의 기본문제들과 씨름하며 66년 ‘팽창하는 우주의 성질’이란 논문으로 박사학위를 받았다.그는 우주 탄생의 신비를 밝힌 빅뱅이론·블랙홀의 증발·양자 중력론 등 종전의 학설을 뒤집는 이론을 내놓으면서 우주의 기원과 본질에 대해 최근에 이루어진 많은 중요한 논의들을 이끌어 왔다.휠체어에 부착된 컴퓨터와 고성능 음성합성기를 통해 활발한 저술·강연활동을 펼치고 있다.

지난 74년 최연소 영국 왕립학회의 회원이 됐으며,80년부터 케임브리지대학 석좌교수를 맡고 있다.

현재 95년 재혼한 간호사 일레인 메이슨과 함께 살고 있으며,슬하에2남1녀와 1명의 손자를 두고 있다.

김미경기자.