[박종진의 과학 이야기] 모든 것의 이론

박종진

우주에는 4가지의 힘이 작용한다. 중력, 전자기력, 강력, 그리고 약력이다. 일상에서 우리가 느끼는 힘은 중력과 전자기력이고, 강력과 약력은 원자의 세계에서 작용하는 힘이다. 힘의 크기로 늘어놓으면 강력이 가장 세고 전자기력, 약력, 중력의 순이 된다.
 
중력은 태양 주위를 지구가 공전하는 것처럼 모든 천체가 서로 붙잡혀서 운행되고, 심지어는 우리도 지구 표면에 붙어살고 있는 힘이다.  
 
쉽게 말해서 사과가 땅으로 떨어지는 현상이 바로 중력이며, 만유인력이 바로 중력이다. 큰 우주를 관장하는 힘이 중력이지만 원자의 세계에서는 전혀 맥을 못 춘다.  
 
전자기력은 자석이 쇠붙이를 끌어당기는 힘이다. 중력 때문에 못은 허공에 떠 있지 못하고 땅에 떨어진다. 그런데 땅바닥에 있는 못에 자석을 대면 바로 튀어 오르며 붙는다. 전자기력이 중력보다 세다는 것은 이렇게 간단히 알 수 있다.
 

강력과 약력은 아원자 세계에 작용하는 힘이다. 강력은 원자핵 속의 양성자끼리, 아니면 양성자 속에 있는 쿼크끼리 묶는 힘이다. 수소 원자는 양성자가 하나지만, 헬륨은 양성자가 둘이고, 산소는 여덟 개, 철은 스물여섯 개의 양성자를 원자핵 속에 가지고 있다. 단지 양성자의 개수에 따라서 원소의 성질이 달라진다.  
 
우주에는 총 92개의 기본 원소가 있는데, 양성자가 1개인 수소에서 시작하여 우라늄은 92개의 양성자를 갖는다. 그런데 양성자는 양의 전하를 갖기 때문에 두 개 이상의 양성자끼리는 서로 밀치게 되므로 그런 양성자들을 꽉 묶어 둘 힘이 필요한데, 그 힘을 강한 핵력, 줄여서 강력이라고 한다. 약력은 방사성 붕괴 때 발생하는 힘인데 이상 4가지 힘 중에서 상대적으로 가장 중요하지 않다.
 
과학자들은 원래 힘은 하나였는데 빅뱅 때 4가지로 분리되었을 것으로 추측했다. 그래서 아인슈타인이 그 4가지 힘 중 중력과 전자기력을 합쳐보려고 시도했지만 실패했다. 그 후 과학자들은 실험실에서 약력과 전자기력을 합치는 데 성공했다. 여기에 강력까지 합치는 것을 '대통일 이론'이라고 하고, 중력까지 합쳐서 모든 힘의 통일을 이룰 경우가 '모든 것의 이론'이다.  
 
전자기력과 강력과 약력 등 세 힘을 합치는 대통일 이론을 달성하기 위해서는 엄청난 에너지가 필요하다. 스위스와 프랑스 국경에 세계에서 가장 큰 입자가속기가 있는데 지금 그 기계가 낼 수 있는 최대 에너지의 천억 배가 필요하다. 그렇다면 4가지 힘을 몽땅 합치는 모든 것의 이론에 필요한 에너지는 얼마나 될까? 현재 그 입자가속기의 길이가 27km인데, 이것을 빛이 1,000년 동안 움직일 길이로 늘려야 한다는 계산이다. 이쯤 되면 고에너지를 이용해서 문제를 해결하려는 시도는 애당초 틀렸으니 다른 방법을 찾아야 할 것 같다.
 
모든 것의 이론은 물리학의 끝이다. 작지만 그래도 질량을 가진 전자의 움직임이 뉴턴의 운동 법칙을 따르지 않았을 때, 순진한 과학자들은 고전물리학과 양자역학 모두 아우를 수 있는 하나의 멋진 이론을 찾기 시작했다. 그것에 모든 것의 이론이라는 좀 낭만적인 이름까지 만들어 붙였다. 그러나 현재 우리의 과학 기술 수준으로는 어림없는 상상이다. (작가)
 

박종진