우리는 과연 3차원 공간에 살고 있는 것인가? 그렇지 않을 수도 있다는 주장이 물리학계 일각에서 제기되고 있다. 즉 우리가 사는 세계 이외에도 다른 공간이 있을 수 있다는 것이다. 이 고차원의 공간은 ㎜정도까지도 클 수 있거나 무한히 뻗어 있을 수도 있다. 더욱이 놀라운 것은 이러한 가능성을 고에너지 입자 가속기에서 검증할 수 있다는 것이다.

입자 물리학의 표준모형에 따르면 물질은 기본입자들로 이뤄져 있다. 이들 사이에는 전자기력, 약력, 강력 세 종류의 힘이 작용한다. 이 모형은 수많은 실험을 통해 검증됐다. 하지만 이론적으로는 설명되지 않는 부분이 많다. 중력을 어떻게 기술할 것인지, 왜 입자들의 질량이 그토록 다른지, 기본적 힘의 종류가 왜 하필 4개인지 등이 그것이다.

궁극적인 이론을 추구해 오던 입자물리학자들의 노력은 현실적인 벽에 부딪혀 왔다. 일부 물리학자들은 초끈이론에서 그 대안을 찾으려 했다. 초끈이론의 핵심은 물질의 근원이 입자가 아니라 진동하는 아주 작은 끈이라는 것이다. 이를 잘 설명하기 위해서는 9차원의 공간이 필요하다.

3차원 공간만을 인지하는 우리의 경험을 설명하기 위해, 물리학자들은 나머지 6차원이 너무 작아서 측정될 수 없다고 가정했다. 그래서 이 초끈이론들은 실험적 검증 없이 수학적으로 전개될 수밖에 없었다. 더욱이 5개의 서로 다른 초끈이론이 존재하는 것도 궁극적인 이론을 추구하는 물리 학자들로서는 당혹스러운 일이었다.

또 다른 쪽에서는 표준모형을 보완하기 위해 `테크니칼라’니 `초대칭’이니 하는 개념들을 발전시켜 왔다. 하지만 현재 결론은 이들 이론이 틀리던가, 더 강력한 가속기가 필요하던 가이다. 그러다 90년대 중반 서로 다른 줄 알았던 5개의 초끈 이론 모두가 차원이 하나 더 높은 곡면이론에서 나온다는 사실이 밝혀졌다. 또 1997년에는 하버드대학의 후안 말다세나가 초끈이론과 표준모형 사이에 어떤 연관성이 있을 수 있음을 보여 주었다.

이러한 이론적 발전에도 불구하고 초미시로 수축된 고차원 세계를 측정하는 것은 여전히 불가능한 일이었다. 1998년 스탠포드대학의 알카니 하메드, 드발리와 디모폴러스는 적어도 한 개의 고차원은 ㎜정도까지도 클 수 있다는 놀랄만한 제안을 했다.

그 동안 고차원의 크기를 대략 10의 32승분의 1㎜정도로 생각한 것에 비하면 이 ㎜라는 스케일은 거대한 것이다. 이 새로운 차원이 발견되지 않은 이유는 이 세상을 구성하는 입자들이 3차원 공간에만 고정돼 있기 때문이다.

그러나 중력을 매개하는 중력자는 시공간의 역학적 변화 그 자체이므로 항상 고차원의 세계도 자유로이 갈 수 있다. 덕분에 우리가 사는 3차원 공간으로부터 이들 중력자의 탈출을 찾음으로써 고차원의 존재를 실험적으로 검증할 수 있는 길이 열린 것이다.

지난해에는 매사추세츠공대(MIT)의 리자 란달과 스탠포드대학의 라만 선드럼이 더 획기적인 이론을 고안해 냈다. 우리가 사는 세상이 무한히 큰 5 차원 안에 포함되어 있다는 것이다. 20세기 초 양자역학 혁명을 이끈 아이디어는 바로 에너지가 연속적이지 않고 띄엄띄엄 떨어져있다는 것을 기억한다면 이러한 시공간의 본질에 관한 연구의 결과에도 주목할 일이다.

<조지 존슨/정리=송정현 서울대 물리학과 박사후 연구원>