M이론: 모든 것을 설명하는 이론? 끈이론의 문제점과 11차원 브레인 우주론, 엑피로틱 우주론까지 파헤쳐 보자

통합 이론인 M-이론은 5개의 서로 다른 끈 이론을 하나의 11차원 프레임워크로 통합하여 끈 이론의 불일치를 해결합니다.

### M이론: 초끈이론을 넘어선 우주 탄생의 비밀
* 💡 초끈이론의 여러 문제점들을 해결하기 위해 등장한 **M이론**에 대한 설명.
* 🔬 끈이론과 초끈이론의 차이점은 **초대칭 이론**의 적용 여부이며, 초대칭은 입자의 스핀을 제외한 다른 특성이 대칭되는 입자가 존재한다는 이론임.
* 🤔 초대칭 이론은 기존 표준모형의 문제점인 **힉스 입자의 질량 문제**와 **우주 상수 문제**를 개선하는 데 기여함.
* 🧮 **M이론은 11차원**으로, 하나의 차원을 말아서 5개의 끈 이론 중 하나인 타입 IIA 이론이 됨을 보여줌. 나머지 4개 끈 이론도 10차원 M이론으로 설명됨.
* 🌌 M이론은 **우주가 11차원 브레인으로 이루어졌다**고 보고, 여분 차원 중 일부는 큰 규모로 존재하며 우리 우주가 떠다니는 차원이라고 주장.
* 💥 **Ekpyrotic universe** 이론은 두 개의 3차원 브레인 세계가 충돌하며 우주가 탄생하고 순환한다는 설명. 이는 빅뱅 이론의 문제점들을 다른 방식으로 해결.
* ⚖️ Ekpyrotic universe 이론과 인플레이션 이론은 **중력파의 강도**에서 차이를 보이며, 중력파 검출을 통해 두 이론 중 어느 것이 맞는지 판단 가능.
* 🤔 M이론은 우주 탄생을 설명하는 강력한 후보이나, **10⁵⁰⁰개 이상의 가능성**을 제시하고 초대칭 입자가 아직 발견되지 않은 등의 문제점 존재.  "훌륭하지만 틀린 이론은 드물다"는 에드워드 위튼의 말처럼, 아직 대체할 만한 이론이 없다는 점이 강조됨.

큰 이론은 모든 것에 대한 이론의 강력한 후보 중 하나였습니다만, 이론의 개수가

5개나 되는 등 여러 문제가 있었던 것도 사실입니다.

그러나 이러한 문제를 해결하는 강력한 이론이 등장하는데요, 그것은

바로 M이론입니다. 이 이론은 어떻게 이

문제를 해결할까요? [음악] 안녕하십니까? 아재노드 오작가입니다.

안녕하세요. 오늘은 저번 시간 끈 이론에 이어서

M이론에 대해서 한번 얘기해 주신다고요?

예, 그 초끈이론의 가장 대장급 이론이라고 할

수 있죠. 그 전에 궁금한 게 있는데, 방금 그 초끈이론이라고 하셨는데,

끈 이론과 초끈이론은 같은 겁니까? 아니면 다른

겁니까? 어디서는 끈 이론이라고도 하고,

어디서는 초끈이론이라고도 하고 그렇잖아요. 이게 좀 엄밀히는 다릅니다.

끈 이론이 더 발전한 것을 초끈이론이라고 할 수 있거든요. 더

발전한 게 조건이라고요? 그럼 뭐가 어떻게 다른 겁니까?

초끈이라고 할 수 있습니다. 초대칭이요? 그건 또 뭡니까? 대칭이라고

하면은 그 우리 신발은 신발의 대표적인 예가 아닙니까? 안경, 안경도

그렇고 신발 같은 경우는 한 켤레는 두

짝으로도 있지만 그 왼쪽과 오른쪽이

그 대칭되는 노드가 있는 거 아닙니까? 그 데칼코마니, 뭐 이런 것도 대표적인

대칭 아닙니까? 저번 시간에 그 입자의 성질에는 그 스핀이라는 것이

있다고 말씀드렸는데, 이게 스핀이라는 게

뭐 이름처럼 입자가 실제 입자가 이게 빙빙 도는 건 아니고요. 그

입자가 그 내재하고 있는 그 회전 운동, 각운동량이라고 있습니다.

실제 입자가 도는 게 아니에요. 이건 아닙니다. 저희

옛날에 원자 모형 보면은 가운데 핵이

있고 막 전자가 빙글빙글 돌고 이런 그림을

많이 보셨죠? 많이 봤죠? 예, 그래서

예전에는 그 핵을 중심으로 해 가지고 전자가 빙빙

돈다고 생각을 했는데, 양자역학이 등장한 이후로는

핵 주위를 전자가 그냥 그 구름처럼 감싸고 있는 형태인 거예요.

그러니까 이 양자는 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없기 때문에

정확하게 이렇게 궤도를 도는 게 아니라

어디에 있을지 모르게 확률적으로 분포하는 상태가 되는 거죠. 그게

최근의 원자 모형이거든요. 그래서 이제

그 실제로 입자가 도는 건 아닌 걸로 밝혀졌지만

그래도 입자가 내재하고 있는 고유한 각운동량이 있다 보니까, 이것을

입자의 고유 특성이라고 해서 이걸 스핀이라고 하는데, 그 표준

모형에 나오는 근본 입자들은 크게 두 가지, 페르미온과 보손,

이것은 보존이라고도 합니다. 이것도

보손이라고 발음하는 데도 있고, 보존이라고 미국이나 영국에서는 발음하는 등

다른데, 저도 두 가지 발음 다 들어본 것 같아요.

값을 가지는 것으로 구분합니다. 초대칭은 스핀이 1/2인 것만 빼고는

다른 특성, 뭐 전하, 질량 등 스핀을 뺀 나머지 입자의 특성이

그 똑같은 서로 대칭되는 입자가 이제 존재할

것이라고 이제 추정하는 이론이에요. 앞서 그 신발의 짝이 뭐 다 똑같이

생겼지만 거울에 비친 듯이 그 모양이

대칭적인 것. 이것을 위해서 그 입자가 그 스핀이라는 고유 성질만 다른

똑같은 입자가 있고, 그 스핀값에 따라

그 페르미온인지 보손인지 구분되니까,

페르미온은 똑같은 특성을 보손 입자와

가지고 있고, 보손 입자도 마찬가지라는 거죠.

즉, 실제 입자가 생긴 게 대칭된다는

얘기는 아니에요. 그 입자를 뭐 전입자로 간주하면

점으로 된 게 거울에 비친다고 모양이

대칭이 되는 건 아니잖아요. 그렇죠? 예.

그러면은 그 이러한 대칭되는 입자가 있을 것이라는 주장은 왜 하는지가

문제인데, 그게 표준 모형은 20세기 초반부터

연구되어 왔는데, 이게 시간이 가면 갈수록 자꾸 더 새로운 입자들이

발견되고 그 힉스 입자 같은, 그 당시에는 아직 발견되지 않은

입자도 이런 식으로 제시되고 그랬어요. 그래서 초대칭 이론을 도입하기 전에는

그 힉스 입자의 질량을 계산하면 이게 엄청나게 큰 값이 나오는 문제가

발생합니다. 하지만 초대칭 이론을 도입하면

앞서 말씀드린 대로 쌍으로 대칭되는

또 다른 입자가 있다고 했잖아요. 이걸로 인해서 값이 서로 상쇄되면서 이

문제가 해결됩니다. 그런 원리이고요. 그리고 또한 그 우주 상수 있지

않습니까? 그 우주가 축소하는 것을 막는다는 그 가상의 힘, 지금 암흑

에너지라고 불리는 이것을 기존의

표준 모형의 공식대로 계산을 하면

계산하는 건데, 이걸 해보면 실제 우리가 관측되는 암흑

에너지보다 10의 120승 배 큰 값이 나오게

됩니다. 그렇게 큰 차이가 나나요? 예, 그래서 이거를

물리학 역사상 최악의 예측이라고 해요.

이론상의 계산과 실제 관측의 차이가 너무 커서 이걸

그 최악의, 역사상 최악의 예측이라고 하는데, 하지만 여기 초대칭

이론을 도입하면 이 차이가 10의 30승 정도로 줄어듭니다. 10의

30승, 이것도 엄청난 차이인데요. 그건

그렇죠. 이렇게 기존 표준 모형의

문제를 개선하기 위해 표준 모형에 도입된 이론이다 보니까, 그

끈 이론에도 이러한 초대칭 이론을

적용을 했는데, 그래서 이걸 초끈 이론이라고 합니다. 그래서

초끈 이론이고요. 그러니까 저번 시간에도

말씀드렸듯이, 끈 이론은 표준 모형에 나오는 여러

입자들을 1차원 끈으로 설명하는 이론인데, 이

표준 모형에 초대칭 이론이 도입되다

보니 끈 이론도 끈의 진동 패턴에 따라 초대칭의 예상되는 대칭 입자들을 설명하는 거지요. 그 저번 시간에

초창기 이론이었던… 초창기 이론을

있다가 그 저번에 얘기했던 그 끈이

시작과 따로 있는 게 아니라 이렇게 붙어 있는 고리 형태로 된

끈이 있다고 했잖아요. 그래서 이 다친 끝만으로도 이게 완성이

된다는 것이 등장을 했는데, 이것도 또 A, B 두

가지로 나뉩니다. 그러다 보니 타입 1, 그다음 타입 2에 두 개,

페트로트에서 총 다섯 개. 근데 그것을 통합한 것이 M

이론이라고 하셨잖아요. 90년대 중반에 그 에드워드

위튼이라는, 그 프린스턴 고등연구원 물리학자가

그 11차원의 그 M이론을 제시하는데요. 그 이론에서 그 우리가

저번 시간에 그 차원을 그 말아서 그 소형화한다고 말씀드렸잖아요.

빨대로 설명하셨죠? 그것처럼 여기서

초끈 이론과 11차원 우주 탄생의 충격적인 비밀 - M이론

아재너드

M이론의 등장과 초끈이론과의 관계

M이론이 문제 해결에 대한 강력한 후보로 등장

끈이론과 초끈이론의 차이점 설명 (초대칭 이론의 적용)

초끈이론이 끈 이론에 초대칭 이론을 적용한 것임을 설명

다섯 개의 끈 이론을 통합한 이론으로서의 M이론 소개

에드워드 위튼과 11차원 M이론 제시

11차원 M이론에서 하나의 차원을 말아서 5개의 끈 이론 중 하나인 타입 IIA 이론이 됨을 설명

M이론의 'M'에 대한 다양한 해석 제시 (멤브레인, 미스테리, 매직, 마스터, 마더 등)

M이론에서 막(멤브레인)을 기본 개념으로 사용하며, 다차원 막(브레인)의 개념 설명

M이론을 이용한 우주 탄생 설명: Ekpyrotic Universe

M이론이 우주 탄생 설명에 사용되는 이유

Ekpyrotic Universe 이론 소개: 두 개의 3차원 브레인 세계의 충돌과 팽창

브레인 세계의 충돌 과정과 우주 팽창, 물질 생성 과정 설명

Ekpyrotic Universe 이론이 빅뱅 이론의 문제점 해결 방식

M이론과 인플레이션 이론의 차이점: 중력파의 강도 비교

M이론의 다중 우주 가능성과 그로 인한 문제점 제기

초대칭 이론의 입자 미발견으로 인한 이론의 위기

M이론의 인기 하락에도 불구하고 대체 이론 부재

M이론에 대한 수학적 접근 방식에 대한 비판

미래 예측 불가능성과 새로운 이론 등장 가능성 언급