제10권: 물리학의 최전선 — 아직 풀리지 않은 질문들

Chapter 1: 물리학의 미해결 문제

1. 양자중력 — 물리학의 성배

1-1. 일반상대론과 양자역학은 왜 양립하지 못하는가

물리학의 가장 위대한 두 이론, 그리고 가장 당혹스러운 문제

여기까지 함께 여행해 온 독자에게 먼저 축하를 전하고 싶다. 우리는 뉴턴의 운동 법칙에서 시작하여, 맥스웰이 빛의 정체를 밝혀내는 순간을 목격했고, 아인슈타인이 시공간을 뒤흔드는 혁명을 겪었으며, 양자역학이 미시세계의 놀라운 규칙을 드러내는 과정을 함께했다. 표준모형으로 자연의 기본 구성요소를 파악했고, 별이 태어나고 죽는 드라마까지 따라왔다.

이제 물리학의 최전선에 서 있다. 그리고 여기서 우리는 놀라운 사실 하나를 마주한다.

20세기 물리학이 낳은 가장 위대한 두 이론 — 일반상대론과 양자역학 — 은 서로 모순된다.

이것은 단순히 "아직 합치지 못했다"는 수준의 이야기가 아니다. 두 이론을 동시에 적용하려고 하면, 수학이 무한대를 내뱉으며 폭발해 버린다. 마치 두 개의 완벽한 퍼즐 조각이 도저히 맞물리지 않는 것처럼, 물리학의 두 기둥이 서로를 거부하고 있는 것이다.

이것이 왜 문제인가? 우주에는 두 이론이 동시에 필요한 상황이 분명히 존재하기 때문이다. 블랙홀의 중심, 빅뱅의 첫 순간 — 이런 극한적 상황에서는 중력이 엄청나게 강하면서(일반상대론의 영역) 동시에 공간이 원자보다 작다(양자역학의 영역). 이때 우리의 물리학은 아무 말도 하지 못한다.

이 절에서는 왜 이런 일이 벌어지는지, 그 근본적인 이유를 살펴본다.