우주에는 네 가지 근본적인 힘이 있습니다. 중력 전자기력 강력 약력입니다. 이 네 가지 힘은 모두 우리에게 매우 중요합니다. 현대 물리학은 일반 상대성 이론과 양자역학으로 이 네 가지 힘을 체계적으로 설명할 수 있습니다. 구체적으로 일반 상대성 이론은 중력을, 양자역학은 나머지 전자기력 강력 약력을 훌륭하게 설명하죠. 하지만 이 두 이론은 서로 통합되지 않고 있습니다. 이를 통합하는 이론 이른바 최종 이론은 물리학자들의 오랜 꿈입니다. 최종 이론은 ‘모든 것의 이론(theory of everything)’ 이라고도 불립니다. 과연 그것은 가능할까요? 중력은 모든 물체가 서로를 끌어당기는 힘입니다. 만약 중력이 없었다면 우리 삶의 터전인 은하계 태양계 그리고 지구는 존재할 수 없었을 것입니다. 전자기력은 전기력과 자기력을 아우르는 힘입니다. 전기력은 같은 전하를 지닌 물체끼리 밀어내고 반대 전하를 지닌 물체끼리 끌어당기는 힘입니다. 모든 물질을 구성하는 원자는 양전하를 띠는 원자핵과 음전하를 띠는 전자가 서로 끌어당겨 형성됩니다. 만약 전기력이 없었다면 원자와 분자가 형성되지 않으므로 우주에는 어떠한 물질도 존재할 수 없었을 것입니다. 자기력은 전류가 흐르는 도선이나 자석 주위에서 발생합니다. 예를 들어 지구의 핵에는 철과 같은 금속이 녹아 흐르면서 전류가 만들어지는데 이것을 통해 우리가 잘 알고 있는 지구 자기장이 발생합니다. 자기장은 자기력의 영향을 받는 공간을 뜻합니다. 그런데 전하를 지닌 물질은 자기력의 영향을 받으면 회전합니다. 지구 자기장은 태양과 우주로부터 날아오는 강력한 에너지의 입자를 회전시켜 지구 표면으로 내려오지 못 하도록 막는 역할을 합니다. 만약 자기력이 없었다면 지구에 살고 있는 모든 생명체는 태양 자외선과 우주 방사선에 의해 파괴되었을 것입니다. 원자핵은 일반적으로 여러 개의 양성자와 중성자들이 결합해 만들어집니다. 같은 전하를 지닌 양성자들은 서로 밀어냅니다. 따라서 이를 하나로 묶기 위해 전자기력을 능가하는 강력한 힘이 필요하죠. 그 힘이 바로 강력입니다. 만약 강력이 없었다면 우주에는 단 하나의 양성자를 가진 원소 즉 수소 원자만 존재했을 것입니다. 우리와 같은 복잡한 생명체는 존재할 수 없었겠죠. 양성자와 중성자는 하나의 입자가 아닌 쿼크라는 기본 입자들로 구성된 복합체입니다. 약력은 쿼크 사이의 상호작용을 통해 양성자와 중성자를 서로 변환시킬 수 있습니다. 양성자와 중성자를 서로 변환시킬 수 있다는 것은 한 원자를 다른 원자로 바꿀 수 있다는 뜻입니다. 다시 말해 약력은 원자의 방사성 붕괴를 야기하는 힘입니다. 만약 약력이 없었다면 태양은 방사성 붕괴에 의한 핵융합을 일으킬 수 없었을 것입니다. 그 결과 태양 빛의 에너지를 기반으로 생존하는 지구 상의 생명체도 존재할 수 없었을 것입니다. 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 시공간의 휘어짐입니다. 이 휘어짐은 마치 호수 위 물결처럼 출렁이며 퍼져 나갈 수 있는데 이를 중력파라 합니다. 2017년 노벨 물리학상은 중력파 관측에 큰 공헌을 한 세 명의 물리학자에게 수여됐습니다. 바로 라이너 바이스(Rainer Weiss 1932~ ), 배리 배리시(Barry Barish 1936~ ), 킵 손(Kip Thorne 1940~ )입니다. 이들은 라이고(LIGO)라는 관측 장치로 중력파를 성공적으로 관측했습니다. 라이고는 양성자 크기의 1만 분의 1에 불과한 공간의 출렁거림까지 측정하는 매우 정교한 장치입니다. 이 장치의 핵심은 중심의 빔 분할기와 이를 기준삼아 서로 수직으로 배치된 두 개의 무겁고 큰 거울입니다. 이 거울들 사이에서 반사되는 두 레이저 빔의 간섭 현상을 관찰해 시공간의 변화를 측정합니다. 그러나 최종 이론을 만들기 위해서는 중력파를 ‘중력파 알갱이’, 즉 중력자(graviton)로 분해해 개별적으로 측정할 수 있어야 합니다. 이는 마치 전자기파인 빛을 ‘빛 알갱이’, 즉 광자(photon)로 분해하는 것과 비슷합니다. 광자의 발견이 양자역학의 발전으로 이어졌듯이 중력자의 발견도 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하는 새로운 이론으로 이어질 수 있습니다. 불행히도 중력자 하나로 발생하는 시공간의 휘어짐은 매우 작아 측정이 거의 불가능합니다. 예를 들어 중력자 하나는 플랑크 길이(Planck length) 정도로 공간을 출렁거리게 할 수 있습니다. 플랑크 길이는 대략 양성자 크기의 10$^20$(1해) 분의 1 입니다. 라이고의 놀라운 정밀도에도 불구하고 현재의 기술로는 이 수준까지 측정 정밀도를 향상시키기 어렵습니다. 그런데 기술적 문제를 넘어 더 심각한 근본적 문제가 있습니다. 2012년 저명한 물리학자 프리먼 다이슨(Freeman Dyson 1923~2020)은 앙리 푸앵카레 상을 수상했습니다. 그는 수상 강연에서 라이고 같은 실험 장치로 중력자를 측정하는 것은 원리적으로 불가능하다 주장했습니다. 중력자를 측정하려면 두 물체 사이의 거리를 플랑크 길이 수준으로 정확히 측정해야 합니다. 하지만 양자역학의 불확정성 원리에 따르면 이는 불가능합니다. 이런 정밀한 측정은 두 물체 사이의 거리가 그들의 슈바르츠실트 반지름(Schwarzschild radius)보다 가까워야 가능합니다. 슈바르츠실트 반지름은 어떤 물체를 그보다 작은 반지름의 구형 공간으로 압축하면 그 물체가 블랙홀로 붕괴하게 되는 길이입니다. 즉 중력자를 측정할 수 있는 장치는 스스로가 블랙홀로 붕괴하는 것이죠. 이는 마치 우리가 최종 이론의 꿈을 이룰 수 없도록 우주가 방해하는 것처럼 보입니다. 그럼 우리는 어떻게 해야 할까요? 명확한 답은 없습니다. 다만 많은 물리학자들은 여전히 꿈을 잃지 않고 노력하고 있습니다. 그래서 였을까요? 정확히 이 꿈을 위해 영화 하나가 만들어졌습니다. 중력파의 발견으로 노벨 물리학상을 받은 킵 손이 자문한 영화 ‘인터스텔라’에서는 그러한 꿈을 반영하는 장면이 나옵니다. 블랙홀 속에서 얻은 데이터로 최종 이론이 완성되는 장면입니다. 어쩌면 우주는 우리가 최종 이론에 도달하기 위해 블랙홀 속을 탐험하는 것을 바라고 있는지도 모릅니다.