단 하나의 방정식 - 미치오 카쿠(230813~230817)

*주의: 개인적인 정리 목적의 글. 임의로 재구성한 부분 있음

 

<책 정보>

단 하나의 방정식(2021)

-저자: 미치오 카쿠 지음 / 박병철 역

-출판사: 김영사

-분야: 과학

-오키나와 여행 중에 가볍게 읽으려고 들고 간 책. 여기서 가벼운 것은 내용이 아니라 무게를 말하는 것

-양자역학과 일반 상대성이론을 묶으려는 시도에서 등장한 끈이론이 탄생하기까지의 과정을 다루며 물리학의 역사를 총망라한 책. 작가 본인도 끈이론 연구의 최전선에서 활동했던 일본계 미국인 학자라 전문성은 보장된다. 이해하기 좋게 쓰여 있어서 이쪽 분야에 대해 아예 쌩판 모르던 사람만 아니라면 충분히 수월하고 흥미롭게 읽을 수 있을 것으로 보임. 저자 분께서 이런 종류의 대중서를 출판한 경험도 많으시다더라

-다만 중간에 힉스 보손 입자에 대한 설명은 누락된 느낌이 있음. 힉스 보손 입자가 신의 입자라고 불리고, 힉스 장이 우주의 성장과정에서 무슨 역할을 했는지 같은 것은 설명되어 있는데 그래서 힉스 보손 입자가 뭐고 그게 왜 신의 입자라 불리고 힉스 장이랑 무슨 관계인데? 라는 부분에 대한 설명이 없었음. 이에 대해서는 인터넷에서 직접 찾아봐야 할 듯. 책 자체는 추천

 

 

<내용>

0. 서론
-끈이론의 사장 이유: 수학적으로는 좋으나 실제 증거가 발견되지 않음

1. 오래된 꿈
-직접증거와 간접증거
-고대 그리스의 최소단위 사상: 데모크리토스의 원자와 피타고라스의 진동
-르네상스: 케플러 지동설, 지오다노 부르노, 갈릴레이 목성
-뉴턴의 운동법칙 "힘"과 미적분학: 최초의 통일이론
-대칭: 변수가 변해도 결괏값이 불변
-해왕성: 뉴턴의 방정식을 이용해 천왕성의 궤도 왜곡으로부터 추정, 발견
-패러데이의 "장": 전기장과 자기장
-맥스웰의 파동과 벡터미적분학: 헤르츠의 라디오, 에디슨의 직류, 테슬라의 교류

2. 통일을 향한 아인슈타인의 여정

-뉴턴의 운동방정식과 맥스웰 방정식의 충돌

-빛을 따라잡을 수 있을까? 운동방정식(yes; 관측자 기준 빛이 정지), 맥스웰 방정식(no; 빛의 속도 일정)
-> 시공간, 질량(e = mc^2)의 변화
-  x^2+y^2+z^2-t^2=불변량 증명
-특수 상대성이론: 시간, 공간, 질량, 에너지, 등속운동, 빛, 4차원
-일반 상대성이론: 특수 +중력 +가속운동, 시공간의 곡률
->수성의 궤도오차(행성 벌컨 가설의 부정), 빛의 굴절을 통해 증명. Gps에 활용

c.f) 아인슈타인의 상대성이론이 아니라 광전효과 논문으로 노벨상 수상
-이후 자신의 중력방정식을 장 이론과 통일하려 시도. 그러나 그 전에 사망. 핵력이 발견되지 않은 상황이었기 때문이기도. -양자역학을 인정하지 않았지만 자신의 광전효과 논문으로부터 빛의 양자성, 양자역학이 탄생. 양자역학에서 핵력이 발견

3. 양자이론의 도약
-멘델레예프의 주기율표로 마침내 발견된 물질의 규칙성
-퀴리부부의 라듐과 방사선, 러더퍼드의 비어있는 원자
-막스 플랑크: 왜 물질이 달궈지면 빛을 발하는가? 온도가 올라가면 원자가 진동(뉴턴) +진동하는 하전입자는 전자기파를 방출(맥스웰) +에너지는 연속적이지 않고 불연속적인 양자덩어리로 구성(플랑크)
-플랑크 상수: 양자의 크기. 작을수록 뉴턴(입자), 클수록 맥스웰(파동)
-> 모든 것이 입자이면서 파동일 가능성 제기 및 입증됨(전자 포함)

-슈레딩거의 방정식: 입자/파동의 거동을 서술. 원자 궤도에 정수비례하는 전자만이 원자 주위에서 궤도를 유지함 증명. but 비대칭적, 상대론적 효과 미고려, 아인슈타인 방정식과 맥스웰 방정식과 연결되지 않고 복잡
-디랙의 방정식: 4차원 대칭적 파동방정식. 슈뢰딩거의 보완.전류가 흐르지 않는데 자성을 띄는 물질을 설명하며 스핀의 개념을 창조. 반물질을 예측하는 계기가 되었으며 과학자들에게 미학적 요소에 불과했던 대칭성을 필수적 요소로 간주하게 한 계기

-그렇다면 전자는 무엇의 파동인가? -> 전자라는 입자의 위치에 대한 확률이다! -> 기존 물리학자들의 세계예측가능성에 대한 믿음의 붕괴 -> 아인슈타인과 슈뢰딩거의 저항
-6차 솔베이 회의: 아인슈타인 vs 보어 -> 보어의 승리. but 양자역학의 기초에 균열 내기 성공(슈뢰딩거의 고양이)
-슈뢰딩거 고양이의 해석: 보어의 코펜하겐 해석(확률)과 다중세계 가설. But 결론이 나지 않음
But 모든 실험 결과가 양자역학이 옳음을 보여줌. 이에 대해서는 아인슈타인도 나중에 인정함
-오귀스트 콩트의 태양의 성분 분석 불가능성 주장과 프라운호퍼의 분광기 스펙트럼 간접 증명. 헬륨.
-추가적인 탐구. 수소의 핵융합-> 헬륨 형성-> e=mc^2을 통한 여분 질량의 방출 = 태양에너지
-그렇다면 핵에너지를 이용하면 태양 에너지와 같은 폭발을 일으킬 수 있지 않을까? 레오 실라르드와 나치의 우라늄 연쇄반응 연구 vs 미국의 맨해튼 프로젝트. 재정 부족 및 연구소 폭격으로 나치의 연구진척이 늦었음
->양자이론의 중요성에 대한 사람들의 깨달음

4. 거의 모든 것의 이론
-통일장 이론에 대한 도전: 아인슈타인의 당시 존재한 모든 이론 검토, 슈뢰딩거의 도전, 파울리와 보어의 충돌
-Qed: 맥스웰 방정식에 디랙 방정식을 결합하여 상대성 이론을 만족하는 빛과 전자의 방정식을 구성. 그러나 그 과정에서 무한대의 값이 나옴을 오펜하이머가 발견. 그것을 파인먼, 슈윙거, 신이치로가 무한대에서 무한대를 제거하는 방식의 재규격화 이론으로 해결. 결과는 정확했으나 수학적으로 아름답지 않고 지저분함
-세번째 과학혁명: 첨단 기술혁명. 트랜지스터, 레이저
-양자역학과 dna: 생물학에서 생명력의 개념을 퇴출시키고자 했던 슈뢰딩거. 그 영향을 받은 왓슨과 크릭의 dna 이중나선 발견 using crystallography.

-강력: 양성자와 중성자를 붙들어놓는 힘. 핵력의 하나. 원자핵 내부를 연구해야하기에 입자 충돌로만 연구 가능. 너무 많은 입자의 발견, "내가 그 많은 입자 이름을 다 외울 정도로 암기력이 좋았다면 진작에 식물학자가 되었을 것." 겔만의 쿼크 방정식 이론의 등장으로 단순화 성공
-약력: 강력의 100만분의 1.방사성붕괴와 관련. 중성자 붕괴(베타붕괴) 전후의 질량 유지를 위해 파울리는 뉴트리노라는 유령입자의 개념을 도입. 이후 뉴트리노와 전자의 대칭 발견으로 맥스웰 방정식과 결합한 약전자기이론이 탄생. 와인버그, 글래쇼, 살람. 빛과 약력의 결합
-글루온: 양-밀스 장 이론. 맥스웰 방정식의 일반화 + 쿼크 대칭. 무한대가 출력되는 한계. 네덜란드 대학원생 토프트가 해결하여 양자색역학 qcd로 발전(쿼크의 세 가지 상태를 색깔로 비유)

-표준모형 제작시도: 모든 내용 묶기. 모든 힘이 초힘으로 통일되고 대칭으로 유지되었던 빅뱅시기, 미지의 원인으로 인해 그 대칭성이 동요된 가짜진공상태, 힉스장을 따라 대칭이 붕괴되기 시작한 대칭붕괴상태, 힉스장의 대칭이 무너지면서 입자들이 질량을 획득하게 된 지금의 진짜진공상태
-문제: 1. 중력이 포함되지 않음(일반상대성이론). 2. 정확성은 높지만 여러 이론을 억지로 묶어놓음. 3. 출처를 설명할 수 없는 인위적 변수들 존재. 4. 세대에 따라 쿼크와 전자, 뉴트리노가 달라져 쿼크만 36종이 탄생함
-이후의 행보: 스위스 LHC 입자충돌기를 통한 힉스보손입자의 증명, 일반상대성이론과 표준모형의 결합 노력과 실패, 양자중력이론의 중간단계로서 양자우주이론으로의 우회(블랙홀, 웜홀, 암흑물질, 시간여행, 우주창조가설), 입자를 너머 우주 현상을 설명해야 하는 과제 발생

 

c.f) 힉스 보손 입자?(추가 조사 내용)

-다른 기본 입자들(쿼크, 전자, 페르미온)에 질량을 부여하는 입자. 스핀이 0인 스칼라보손(보손=스핀이 정수인 입자)으로 힉스장 속에서의 상호작용으로 질량을 만들어냄

-신의 입자라는 별명은 Goddamn Particle에서 God Particle로 출판사에 의해 수정된, 중성미자 연구자이자 노벨물라학상 수상자인 리언 레더먼의 저서에서 유래

 

5.캄캄한 우주
-Eht 망원경과 블랙홀 사진, 복잡함으로 외면받았던 상대성이론의 재부상
-호킹: 양자역학과 중력의 결합 시도. 사건의 지평선, 블랙홀 증발과 호킹복사
-슈바르츠 실트의 회전하는 블랙홀과 그 확장: 자매우주, 웜홀, 화이트홀, 빅뱅의 화이트홀 설
-시간여행의 가능성: 웰스의 소설, 아인슈타인의 거부와 일반 상대성이론의 거듭된 시간여행 가능성 입증(회전하는 우주), 호킹의 타임패러독스

-성직자 밴틀리의 비평과 뉴턴의 우주론: 신의 조정에 의한 중력의 평형
-올베르스의 역설: 왜 우주는 캄캄한가? 소설가 애드가 앨런 포의 정확한 답변, "우주의 나이가 유한하고 아직 그 모든 빛이 지구에 도달하지 못했기 때문"
-일반 상대성 이론의 우주확장 예측: 아인슈타인이 우주상수를 통해 정적인 우주로 보완. 허블의 도플러효과 분석으로 우주 대부분이 적색편이를 보임을 발견. 아인슈타인의 우주상수 철회. 추후 다른 용도로 우주상수 부활
-빅뱅의 잔광: 우주배경복사
-인플레이션 우주론: 표준이론과 우주론의 연결. 어째서 우주의 곡률은 일반상대성이론의 예측보다 편평한가? 그리고 어째서 균일한가?에 대한 대답. 인플라톤(인플레이션의 원인이 되는 힉스보손)과 우주욕조
-빅 립: 빅 프리즈와 빅 크런치 가설을 폐기시킨 도망가는 우주 종말론. 우주상수의 부활과 암흑물질 개념의 등장
-양자중력이론과 그 후: 아인슈타인의 중력장 내부에 양자역학을 적용한 결과. 만약 중력장 자체에 양자역학을 적용한다면? 그 시도에대한 결과가 중력자와 끈이론의 개념

6. 끈이론의 약진
-끈이론? 오일러가 끈의 움직임을 분석한 방정식이 입자의 산란 공식과 일치함에서 등장. 양자장이론이 중력을 다룰 수 없지만 끈이론은 아무 가정 없이 양자역학과 중력이론을 모두 포함함.
-10차원: 유일한 한계이자 비판의 대상이나 그 외에는 결함이 전혀 없었기에 점차 각광 받음. 초기우주는 10차원이었으나 6개 차원이 작은 공간 속으로 말려들어가 지금의 4차원이 되었다 주장
-대칭성: 페르미온(반정수 스핀. 물질매개)과 보손(정수 스핀. 힘 매개)의 대칭으로 기존 표준이론이 만들어내던 무한대의 값을 제거함

-M이론: 기존 11차원이던 끈이론의 10차원으로의 변경. 다섯 개였던 끈이론 기반 양자중력이론을 통합. 코끼리와 장님의 비유
-말다세나에 의한 10차원 끈이론과 4차원 양-밀스이론의 이중적 관계성 발견과 홀로그램 원리의 등장: 지금 세계는 상위차원의 투영에 불과한가?
-한계: 수학적 아름다움만 있을 뿐 증명이 불가능. 

 

-암흑물질이 해답이 될 수 있을까?(암흑물질은 은하를 붙들고 암흑 에너지는 우주팽창을 주도)

-암흑물질: 질량은 있지만 전하가 없는 물질. 광자의 대칭짝인 포티노가 후보로 거론 중
-암흑물질을 증명하기 위한 시도들: Lhc 이후의 입자충돌기(일본의 ilc, 중국의 cepc, cern의 fcc), 우주배경복사와 Lisa 우주 중력파감지기
-역제곱법칙을 통한 간접증명 시도: 뉴턴의 역제곱법칙은 n차원 공간의 중력은 거리의 n-1제곱에 반비례함을 피력. 특정 위치에 추가된 차원이 있다면 이 법칙이 깨질 것
-풍경문제: 끈이론으로 현재의 우주를 설명할 수 있으나 현재의 우주만을 예측할 수는 없음. 다중우주의 문제
-끈이론은 아직도 수많은 새로운 공식들을 추출 중. 이것을 짧은 길이의 장이론 방정식 하나로 요약하는 것이 중요과제. 설명력만 있다면 여러 입자충돌기를 통한 증명이 필요 없을 수도. 쿼크이론도 증명 없이 컴퓨터의 결괏값만으로 인정받음

7. 우주의 의미를 찾아서
-스피노자의 신을 믿은 아인슈타인, 철저한 무신론자였던 호킹
-아퀴나스의 신 존재 증명: 1. 우주론적 증명(운동에 대한 최초의 원인제공자, 유효), 2. 목적론적 증명(정교한 디자인은 디자이너가 필요하다, 진화론에 의해 반박됨), 3. 존재론적 증명(완벽한 것은 존재해야 한다. 칸트에 의해 완벽과 존재는 필연적 관계가 아니라는 주장으로 반박됨)
-물리학 이론은 시간이 흐를수록 몇 개의 방정식으로 축소되고 있다