국내 연구진, 우주생성 비밀 '끈 이론'으로 규명

국내 연구진이 세계 최초로 '끈(string) 이론'을 적용, 우주 생성의 비밀을 규명해 주목 받고 있다. 이화여대 조용승(수학과·사진) 교수와 홍순태(과학교육과) 교수팀은 끈 이론과 모스(Morse) 이론에 아인슈타인의 장방정식을 적용해 우주 생성의 비밀을 규명하는 새로운 이론을 제시했다고 1일 밝혔다. 지금까지 우주 생성을 설명하는 주류 이론은 '빅뱅(big bang) 이론'이었다. 매우 높은 에너지를 가진 작은 공간(특이점)이 거대한 폭발을 통해 우주로 형성됐다고 보는 이론이다. 영국의 이론물리학자인 스티븐 호킹과 로저 펜로즈가 지난 1970년에 밝혀냈다. 조 교수와 홍 교수는 입자 이론에 기반한 호킹ㆍ펜로즈의 이론과 달리 끈 이론을 적용했다. 끈 이론은 우주를 이루는 기본 단위를 점으로 표현되는 '입자'라고 가정하는 기존 표준 모형의 한계를 극복하기 위해 등장한 이론으로 물질의 기본단위를 0차원의 점이 아닌 1차원의 끈으로 보는 물리학 이론이다. 호킹ㆍ펜로즈의 이론은 우주 생성 과정에서 물질의 회전을 0으로 가정했기 때문에 천체와 입자를 비롯한 우주에 존재하는 물질의 회전을 설명할 수 없다는 한계가 있다. 또 호킹ㆍ펜로즈 이론에서는 대폭발 이후에 빛과 같이 질량이 없는 입자들이 먼저 출현하고 뒤이어 질량이 있는 입자들이 출현하는 상태가 나타나는데 각각을 설명하기 위해서는 서로 다른 공식이 필요했다. 조 교수팀은 끈을 이용해 우주의 생성인 빅뱅이 일어나는 시기를 예측하고 이때 이용되는 끈 에너지 조건을 연구했다. 또 다양체의 구조를 밝히는 데 유용한 모스 이론과 물리량과 기하학의 곡률이 서로 연관된 비선형 미분방정식이 되는 아인슈타인의 장방정식(field equation)도 활용했다. 그 결과 끈 우주에서는 질량 입자와 무질량 입자를 기술하는 끈이 위상 전환(phase transition) 없이 동시에 나타난다는 것을 발견했다. 즉 호킹ㆍ펜로즈 이론이 위상 전환으로 무질량 입자와 질량 입자가 순차적으로 일어나지만 조 교수와 홍 교수의 빅뱅이론은 이러한 위상 전환 없이 질량ㆍ무질량 입자가 동시에 생성된다는 것이 다른 점이다. 이는 대폭발 이후 질량이 없는 입자와 질량이 있는 입자가 함께 존재하는 상태를 서로 다른 공식이나 순차적인 상태 전환을 도입하지 않고도 설명할 수 있다는 점에서 기존 호킹ㆍ펜로즈의 결과까지 포괄하는 이론이라고 연구팀은 설명했다. 이번 연구 결과는 미국 물리학회에서 발행하는 '피지컬 리뷰(Physical Review)'지에 최근 게재됐다.