2015년은 대한민국이 광복 70주년이 되는 해다. 물리학계에서도 2015년은 여러 가지로 의미가 있는 해다. 먼저 아인슈타인이 일반상대론을 발표한지 일백년이 되는 년도로 한국물리학회에서는 물리학과 첨단기술 3월호를 “일반상대성이론의 일백년과 그 미래”로 특집호로 꾸몄다. 또 1965년 일본의 도모나가와 미국의 슈윙거, 파인만이 전하를 가진 물질이 만들어내는 모든 자연현상을 설명하는 QED로 노벨 물리학상을 수상하였다. 올해로써 딱 50년 전의 일이다.
그 이후 50년 간 물리학자들은 자연계에 존재하는 4개의 기본 힘의 작동원리를 밝혔고 중력을 제외한 나머지 세 힘을 설명하는 표준모형(표준입자물리학모형)을 1970년대 초반 완성하였다. 표준모형으로 설명할 수 있는 힘은 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력 이 세 가지로 QED, QCD가 여기에 포함된다. 또한 물질의 근본이 되는 12가지 입자와 이 입자들에 질량을 부여하는 힉스입자를 찾아냈다. CERN(유럽입자물리연구소)의 LHC(거대강입자충돌기)는 2010년부터 진행된 힉스 입자 검출 실험을 진행하였고 2013년 3월 CERN은 힉스입자의 발견을 공식적으로 공표하였다(여러 연구자 중에서 ‘힉스’라는 이름을 사용한 것은 이휘소 박사가 생전에 ‘힉스입자’라는 이름을 사용한 뒤부터다). 이로써 표준모형을 이루는 모든 입자들이 발견되었고 여러 개의 결합상수와 물리량들이 모두 측정되었다. 힉스 입자의 발견은 표준모형의 완성을 의미한다. 그 결과 우리는 우주를 구성하는 에너지의 5%에 대한 지식을 갖게 되었다. 나머지 95%에 해당하는 암흑에너지와 암흑물질에 대해서는 여전히 제대로 알지 못한다.
인간이 가장 잘 느낄 수 있는 힘은 중력이다. 우리가 높은 곳에서 뛰면 아래로 떨어질 거라는 것은 누구나 잘 알고 있다. 아인슈타인은 이 중력에 대한 일반상대론을 1915년에 발표하였고 여러 가지 실험으로 이 이론은 증명이 되었다. 그러나 원자이하의 작은 크기를 가지는 미시의 세계에서는 일반상대론이 잘 맞지 않고 미시세계의 언어인 양자역학이 필요하게 된다. 그럼 매우 작은 크기의 질량이 매우 큰 경우는 언제일까? 물체의 속력이 빛의 속도에 근접할 경우 질량과 에너지가 아주 커지게 되는 그러한 상황은 우주 초기 우주가 급팽창하는 시기에 해당할 것이다. 따라서 빅뱅을 통한 우주의 기원을 알려면 양자 중력에 대한 이해가 필요하다. 또 다른 경우는 블랙홀이다. 블랙홀은 빛마저도 빠져나올 수 없으며 특이점이라는 영역이 만들어지는데 이는 양자중력을 통해 이해될 수 있다.
양자 중력이론으로 현재 가장 많은 학자들이 연구하고 있는 분야가 바로 끈이론이다. 이 이론은 기존에 존재하는 여러 어려움이 없어지고 중력을 포함한 모든 힘의 상관관계를 양자역학적으로 설명할 수가 있다. 즉 끈이론은 모든 힘을 설명하는 통일장 이론이다. 물질들은 점입자로 구성된 것이 아니라 선과 같은 끈으로 이루어져 있고 여러 입자들은 끈의 진동에 의해 다르게 나타난다고 보는 것이다. 끈이론이 수학적으로 잘 기술되려면 10차원의 시공간이 필요하며 이로 인해 나타날 수 있는 여러 새로운 물리현상을 이론적으로 규명하게 된다. 물리학자들은 고차원에서 중력과 양자론을 결합하려는 시도로 끈이론을 ‘만물의 이론’이라고 부른다. 끈이론을 실험적으로 검증하기는 매우 어려우나 블랙홀에 대한 설명과 호킹복사 그리고 우주의 근원에 대해 설명할 수 있다. 최근에는 끈이론의 방법론을 응집한다. 이를 통해 물질계같은 전혀 다른 영역에서의 물리문제를 푸는 도구로 쓰고 있다.