우선 양자역학, 초끈이론은 현대 물리학의 최전선이라고 볼 수 있을 만큼, 정량적인 계산과 유도는 매우매우 어렵습니다. 하지만 이러한 분야에서는 신기한 결과들을 많이 유도해 낼 수 있었고, 평행우주와 같은 교양서적은 이러한 정성적인 면만을 다루고, 이러한 생각이 나오게 된 배경 등을 설명해 주는 책입니다.
양자역학은 막스 플랑크에서부터 시작했습니다. 고등학교 물리 책을 봐도 찾을 수 있을텐데요, 흑체 복사 스펙트럼 그래프는 기존 물리학으로는 설명이 불가능했습니다. 레일리와 진스가 기존 물리학으로 식을 유도한 결과, 자외선 부분에서는 실험값과 매우 차이가 나는 이른바 "자외선 파탄"이 일어나게 됩니다. 하지만 플랑크는 다르게 생각했습니다. 플랑크는 각각의 원자가 가지는 에너지가 불연속적이다! 를 생각하게 되고, 이를 통해 공식을 유도해보니 실제 실험결과와 일치했습니다. 당시에 "에너지가 불연속적이다!"라는 개념은 매우 획기적이었습니다. 지금이야 기본 상식으로 받아들여지고 있지만, 당시에는 매우 놀라운 발견이었습니다. 그리고 이때부터 과학계에는 놀라운 발견들이 나오게 됩니다.
아인슈타인은 빛이 양자, 즉 입자로 이루어져 있다는 "광양자 이론"을 만들고 노벨상을 수상합니다. 아인슈타인 이전에는 "빛은 파동이다"라고 받아들여 지고 있었습니다. 하지만 아인슈타인은 "빛은 파동이며 입자이다."라는 광양자 이론을 만들었습니다. 또한 드 브로이는 아주 작은 입자인 전자도 파동성을 띤다는 가설인 "물질파 이론"을 발표하고, 노벨상을 거머쥐게 되었습니다. 이쯤에서 정리해 보면, 양자는 파동성과 입자성을 동시에 띠고, 또한 에너지가 계단처럼 불연속적입니다.
그리고 이를 슈뢰딩거가 발전시킵니다. 슈뢰딩거는 모든 물질을 파동으로 생각하고, 물질의 운동을 파동으로 설명하는 "슈뢰딩거 방정식"을 만듭니다. 이 식은 어디서 유도된 식이 아닌 새로운 식으로, 기존의 물리학으로는 설명이 불가능함을 뜻하기도 합니다.
여튼 슈뢰딩거 방정식을 과학자들은 여러 조건에서 풀었습니다. 수소 원자의 전자가 어떻게 생겼는지 알아보기도 하고, 질문자가 말씀드린 상황처럼 입자가 벽을 뚫고 지나갈 수 있다는 것도 알아냅니다.
여기서 또 핵심이 되는 내용으로는, 슈뢰딩거 방정식을 풀면 어떠한 파동 하나가 나옵니다. 이 파동이 뜻하는 것은 그 입자를 관측했을 때 입자가 발견될 위치의 확률을 뜻합니다. 따라서 슈뢰딩거 방정식을 풀면 "벽을 무수히 많이 들이받으면, 통과할 수도 있다"는 확률도 구할 수 있습니다.
양자역학은 이쯤에서 정리하겠습니다. 하이젠베르크, 보어 등 여러 양자역학 거물들의 이야기가 남아 있지만, 여기서 소개하지는 못했고요, 추가로 "엘러건트 유니버스","퀀텀 스토리" 등의 책들을 추천합니다.
평행우주 이론은 말 그대로, 우주가 이 세상에 우리 우주 하나가 아니라는 이론입니다. 우리 우주 말고 다른 우주가 무수히 많을 것이다. 라는 것이 이 이론의 핵심입니다. 평행우주 이론은 하나만 있는 것이 아닙니다. 거품 평행우주 이론, 풍경 평행우주 이론, 브레인 막 이론 등 여러 이론들이 존재합니다.
평행우주의 가장 재미있는 성질은 모든 가능성이 무한함을 시사하는 점이기도 합니다. 가끔 세계 뉴스를 보면 재미있는 기사가 나오기도 하죠? 예를 들면 친구의 부모와 결혼한 사람의 이야기라던가요. 이렇게 신기한 사건이 발생하는 이유도 큰 수의 법칙으로 설명 가능 합니다. 큰 수의 법칙이란, 많은 시행을 하면 사건의 결과가 확률과 근접하게 나타난 다는 것입니다. 쉽게 설명하면, 로또의 확률이 매우 낮지만, 많은 사람들이 시행, 즉 로또를 사게 되면, 당첨되는 사람의 수가 확률과 근접하게 나타나게 됩니다. 따라서 이런 신기한 사건은 70억 인구라는 많은 시행을 하면, 하나쯤은 매우 작은 확률을 통과하고 신기한 사건을 일으키는 것입니다.
이러한 큰 수의 법칙으로 생각해보자면, 재미있는 상상을 할 수 있습니다. 지구에서 내가 이러한 삶을 살아갈 확률이 매우 낮겠지만, 무수히 많은 우주의 무수히 많은 별을 생각해보면 어디 하나쯤에서는 나랑 똑같은 사람이 살고 있을 수도 있고, 어디에서는 내가 카사노바처럼 여자/남자친구를 사귈수도 있고, 어디에서는 올림픽 금메달리스트가 되어있을 수 도 있습니다.
평행우주의 자세한 이론들을 알아보고 싶으시다면 브라이언 그린의 "멀티 유니버스" 책을 추천드립니다.
초끈 이론은 소립자를 점이 아닌 선으로 생각하는 이론입니다. 우선 우주에는 4가지 힘만 존재합니다. 이는 중력/약력/강력/전자기력인데, 이 4가지 힘으로 우리 주위의 모든 힘을 설명할 수 있습니다. 과학자들은 이 4가지 힘을 하나의 공식으로 엮어서 설명하고 싶어했습니다. 아인슈타인도 죽는 그날까지 통일장 이론, 즉 4가지 힘을 모두 엮는 이론을 연구했지만 지금까지도 밝혀지지 않았습니다. 지금은 스티븐 와인버그와 압두스 살람이 약력과 전자기력을 합치는데 성공해서 힘을 3개로 줄여놓은 상태이지만, 아직 강력과 중력은 합치지 못하고 있습니다.
여기서 초끈이론이 등장합니다. 초끈이론으로는 이 4가지 힘을 모두 합치는 것이 가능합니다. 처음에 1960년대에 끈으로 생각하는 것이 등장하지만 그때는 반짝 연구하다 그치는 정도에 불과했습니다. 하지만 1980년대 들어서 에드워드 위튼이 재정리를 해서 초끈이론은 다시 유명해지게 됩니다. 초끈이론은 재미있는 생각들을 기반으로 합니다. 초끈 이론에 따르면 숨겨진 차원이 우리 우주에 존재하고, 이것은 우리 우주를 12차원으로 이루어져 있다고 설명합니다. 이렇게 보면 초끈이로는 앞날이 유망한 이론같고, 모든 것을 설명할 수 있을 것 같지만, 아직까지는 실험으로 확인되지 못햇습니다. 그냥 수학적인 유도 결과일 뿐이죠.
초끈이론 반대론자들은 이 점을 매우 싫어합니다. 많은 과학자들이 노력했지만, 아직까지 어떻게 실험을 해야 검증할 수 있을지도 밝혀내지 못했기 때문입니다. 그냥 수학적 결과물인 뿐인겁니다. 또한 초끈이론의 대항마가 되는 양자 중력 이론 등의 등장으로 초끈이론이 확실한 정답임을 보증하지 못하는 상황입니다. 초끈이론에 대한 자세한 설명은 "엘러건트 유니버스" 책을 읽어보세요.
끝으로 제가 꼭 하고 싶은 말은 물리학은 이것이 전부가 아니라는 것입니다. 서점에 가봐도 "현대물리학"을 다루는 교양서적을 보면, 유행처럼 초끈이론 등을 설명하고 있는데, 고체 물리학등 여러 분야의 물리학이 존재하고, 이 분야에 종사하는 물리학자가 훨씬 더 많은 만큼 이것을 참고해 주셧으면 합니다.
