Can the String Theory be the Theory of Everything in the Universe

끈이론은 우주의 만물이론이 될 수 있는가?

by. prof. 이수종 

대개 사람들은 욕심이 끝이 없어서 한 가지를 채우고 나면 또 그보다 더 많이 무엇인가 채우고자 달려들게 마련이다. 한편으론 이런 욕심이 긍정적인 동기를 유발해 창조적 활동의 원동력이 되기도 하지만, 너무 지나치거나 삐딱한 마음을 가질 때 독선적이며 편파적인 관념에 빠지는 독소로 작용하는 경우가 허다하다.

이런 예는 과학계에서 가장 쉽게 찾아볼 수 있다. 눈에 띄지 않아 기대하지도 않았던 한 무명학자 – 예를 들자면 이름 없는 국가의 이름 없는 대학을 졸업하고, 이름 없는 대학에서 학위를 받고 이후 이름 없는 대학에서 연구하는 학자 – 가 갑자기 놀랄 만한 연구결과로 전 세계 학계에 두각을 나타내기 시작하였을 때를 생각해보자. 기존 학계의 한 부류는 그 학자의 학맥, 인맥 혹은 현재 소속기관 등에는 관심두지 않고 다만 새로운 연구결과에 자극받아 후속연구에 박차를 가하는 반면, 또 다른 부류는 그 학자가 그동안 학계에서 눈에 띄지 않았던 무명이었던 점에 집착하여 의심스런 눈초리로 빈정거리거나 심지어 시기와 반목을 보이며 연구결과의 깊은 이해나 정당한 평가에 인색하게 행동하곤 한다. 그러나 이러한 편견과 오만의 거친 바다를 뚫고 항해를 거듭한 무명학자가 마침내 세계적인 연구자로 자리매김 되는 것은 과학계의 흥미로운 일면이다.

앞의 예에서 알 수 있듯 창조적이며 과학적인 활동을 방해하는 요소들이 무엇인지는 명백하다. 편견, 독선, 오만, 시기, 반목, 학맥, 인맥을 포함해 기존의 질서, 강요된 상식, 부정적 사고 등이 바로 그것이다. 토인비(A. Toynbee)에 따르자면 인류의 발전이란 부조리와 모순(contradiction)이 야기한 도전에 대한 인류의 지혜가 끊임없이 응전한 결과이다. 당연히 과학을 비롯해 과학적 방법의 태동과 발전은 이 범주의 가장 대표적인 예이다. 이런 맥락에서 지난 30년간 끊임없이 추구되어온 끈이론(string theory)은 여러 가지 흥미로운 시사점들을 던져주고 있다.

“끈이론은 무엇을 말하려 하는가?” – 이 질문은 역사를 통하여 다른 인류의 사상과 이론에서도 항상 제기되었던 질문들이다. 그러나 이와 더불어 또 다른 질문이 (특히 물리학계 및 물리학자들 사이에서) 제기되어왔는데 “끈이론은 만물의 기본 이론(Theory of Everything)이 될 수 있는가?”라는 질문이다. 물리학이란 세상의 이치를 밝혀내려는 인간의 가장 적극적인 지적 활동(intellectual pursuit)이다. 세상을 구성하는 기본단위(fundamental constituents)가 무엇이며, 이 기본단위들 사이에 작용하는 기본힘(fundamental forces)들은 무엇인지, 그리고 이런 기본 단위들이 아보가드로수(Avogadro's number)만큼이나 많이 모여서 나타내는 발현현상(emergent phenomena)과 집합현상(collective phenomena)의 원리들을 밝히는 작업이다. 이들 중 기본단위와 기본힘을 밝혀내려는 노력은 당연히 보다 작은 크기, 보다 작은 거리의 현상들에 초점을 맞추는 환원주의(reductionism) 관점에서 시작된다.

끈이론이 등장하게 된 것은 우연도 아니고 시대를 앞선 것도 아니다. 이는 물리학의 법칙들과 보편상수들의 긴밀한 관계를 되새겨보면 쉽게 알 수 있다. 중력상수, 빛속도, 플랑크상수 이 세 가지는 환원주의(reductionism) 입장에서 가장 중요한 기본상수이다. 그 이유는 이들을 조합함으로써 질량, 시간, 거리의 단위를 구성할 수 있기 때문이다. 물리학의 역사를 되짚어보면, 혁신적인 이론과 사상이 대두된 계기는 모두 새로운 보편상수가 도입된 것과 항상 연관지어 있다. 뉴턴(I. Newton)이 중력현상을 설명하는 만유인력법칙을 완성하면서 중력상수가 도입되었고, 맥스웰(J. Maxwell)이 전기와 자기현상을 통합하는 전자기이론을 완성하면서 빛속도라는 보편상수가 도입되었으며, 플랑크(M. Planck)가 열에너지의 방출현상을 완벽하게 설명하면서 양자개념과 함께 플랑크상수라는 보편상수가 도입되었다.

혁신적인 이론과 사상의 등장은 기존의 보편상수들을 조합하여야만 가능한 경우가 있다. 아인슈타인(A. Einstein)은 맥스웰 전자기이론과 뉴턴 역학운동이론 사이의 모순을 해결하기 위하여 ‘특수상대론’을 제창하였으며, 이후 뉴턴의 만유인력법칙이 특수상대론과 부합하도록 ‘일반상대론’을 완성하였다. 슈뢰딩거(E. Schrödinger)와 하이젠베르크(W. Heisenberg)는 뉴턴 운동역학이론과 플랑크 양자원리 사이의 괴리를 메우면서 ‘양자역학’이론을 완성하였다. 더 나아가 특수상대론과 양자법칙에 부합하는 미시세계의 전자기이론인 ‘양자전자기역학이론’(The Theory of Quantum Electrodynamics) 이론이 파인만(R. Feynman), 도모나가(S. Tomonaga), 슈빙거(J. Schwinger)에 의하여 정립되었다.

이와 같은 이론과 사상의 연쇄반응들에서 모순과 불일치를 드러낸 단계가 발견되었는데, 바로 일반상대론과 양자원리를 융합시켜 ‘양자중력이론’을 완성하려는 노력이었다. 유명한 E=mc² 등식과 양자원리를 조합하면 시공간의 모양이 미시세계에서는 무한히 찌그러져 의미가 없게 되는데, 이는 “필자의 몸무게가 양자중력 영향으로 얼마나 바뀌는지”를 체계적으로 계산할 방법이 없다는 말이다. 이러한 참담한 실패는 곧 아인슈타인의 일반상대론이 거시세계, 고전영역에서는 훌륭한 이론이지만 미시세계, 양자영역에서는 불완전할 뿐 아니라 수학적으로 모순을 드러내고 있음을 뜻한다. 이 문제점을 해결하기 위하여 혹자는 ‘양자중력현상’ 자체가 존재하지 않는다고 여길 수도 있다. 그러나 보어(N. Bohr)의 상보성원리 (correspondence principle) – 고전현상이란 플랑크상수가 무시될 수 있는 영역에서 관찰되는 양자현상일 뿐이라는 원리 – 에 의하면, 일반상대론은 ‘양자중력’의 고전현상일 뿐이다.

인간이 역사 이래 삼라만상의 자연법칙을 일관된 법칙으로 설명할 수 있는 ‘우주만물의 원리’(The Theory of Everything)를 구하고자 부단히 노력하였다. 21세기의 물리학 입장에서 ‘우주만물의 원리’란 무엇일까? 환원주의(reductionism)의 입장에서 보자면 우주를 지배하는 기본법칙은 강력, 약력, 전자기력 그리고 중력 4가지이다. 이들 기본법칙들은 각각 별개의 기본힘을 뜻하지만, 사실 모두 게이지이론(gauge theory)에 따라서 훌륭하게 설명할 수 있음이 20세기 후반에 명쾌하게 밝혀졌다. 그렇다면 ‘우주만물의 원리’는 이들 네 가지 기본힘을 간결한 개념으로 통합하는 사상, 이론체계이어야 한다. 끈이론이 ‘우주만물의 원리’가 될 수 있다는 근거는 여러 종류의 게이지원리들을 자연스럽게 하나로 묶는 유일한 – 적어도 지금까지 알려지기에는 – 이론이기 때문이다. 자연법칙들이 우주만물의 원리로 통합되어야 한다는 근거는 여러 정황에서 찾아볼 수 있다.

한 가지 예를 들자면 “왜 우주에는 물질이 반물질보다 많을까?”라는 미해결 문제이다. 현재 우주에는 전체 엔트로피의 십억 분의 일이라는 극히 작은 부분만이 물질로 채워져 있다. 이렇게 작은 양의 물질이 어떻게 우주 탄생 이후 생겨났는지 아직도 밝혀지지 않았다. 다만, 기본법칙들을 ‘양자중력’의 영역에서 통합함으로써만 가능하다는 것이 지금까지 연구하여 내린 결론이다. 그런데 기본법칙들을 내부 모순 없이 통합하는 – 특히 ‘양자중력’을 포함하는 – 완성된 이론체계가 바로 끈이론이다.

게이지원리는 현대물리학의 근간을 이루는 중요한 원리이다. 자연의 기본법칙에만 적용되는 것이 아니고, 기본단위가 무수히 모인 응집계(condensed matter)에서 집단현상이 발생할 때에도 적용되는 원리이다. 수학적인 입장에서만 살펴보자면 게이지원리는 무한히 다양한 방법으로 가능하다. 그럼에도 불구하고 끈이론이 흥미로운 점은 가능한 모든 게이지원리 중에서 정확히 네 가지 기본법칙을 통합하는 데 필요한 게이지원리만을 가지고 있다는 점이다.

“끈이론은 우주만물의 원리가 될 수 있을까? – 이 질문에 대한 대답이 시간에 따라 바뀔 것은 분명하다. 그러나 적어도 현재로서는 끈이론 이외에는 이런 원리를 제공할 또 다른 사상, 이론체계는 존재하지 않는다. 끈이론이 가장 매력적인 – 그래서 ‘우주만물의 원리’가 될 수 있다고 기대하는 – 이유는 ‘기존개념’과 ‘상식’에 의문을 제기하고 ‘대안개념’들을 구체적으로 제시하고 있다는 점이다. 중력은 중력상수가 워낙 작아서 – 중력이 미약한 힘이 되는 이유 – 천체, 은하, 우주팽창과 같은 거시세계(macro-universe)에서 중요해지는 기본힘이다. 양자법칙은 플랑크상수가 워낙 작아서 – 맨 눈으로 양자현상를 보지 못하는 이유 – 원자 혹은 그보다 더 작은 미시세계(micro-universe)에서 중요해지는 원리이다. 두 세계는 규모가 워낙 달라서 서로 긴밀한 관계가 있을 것이라고 상상하는 것은 ‘상식적으로’ 전혀 타당성이 없다고 믿어왔다.

이러한 ‘상식’을 20세기 후반에 체계적으로 정립한 패러다임이 바로 재규격군(renormalization group)과 연산자곱전개(operator product expansion) 접근방법이다. 그런데 이 패러다임은 세상을 구성하는 기본단위가 점 – 그야말로 크기가 전혀 없는 0차원의 수학적 구조 – 이라는 가설(supposition)을 바탕으로 깔고 있다. 만일 기본단위가 점이 아니고 1차원 끈이라면 어떨까? 첼로 줄을 연상하면 쉽게 알 수 있듯이, 진동하는 짧은 끈과 가만히 있는 기다란 끈은 같은 에너지를 가질 수 있다. 따라서 미시세계 정도의 짧은 끈과 거시세계 정도의 긴 끈은 서로 구별되지 않으므로 동등하다고 하겠다.

결국 끈이론에서는 미시세계와 거시세계가 서로 동떨어진 것이 아니고 서로 밀접하게 연결되어 있다는 놀라운 결론을 얻게 된다. 이는 분명 재규격군의 전통적인 패러다임과는 배치되는 특이성이다. 그러나 상식은 절대성을 가지지 않는다는 과학사의 교훈을 되새긴다면 ‘상식’에 의문을 제기하고 다른 ‘대안’을 제시한 끈이론은 분명 인간의 지적 호기심에 심오한 대답을 제공하고 있으며, 따라서 분명 깊이 연구되어야 할 21세기의 중요한 패러다임이자 이론이다.

필자는 종종 이러한 패러다임의 변화를 서양회화와 동양회화가 바다의 파도를 묘사하는 기법의 차이에 비교하곤 한다. 누가 언제 어떻게 시작하였는지 모르겠지만 서양회화에서는 아주 오랜 옛날부터 파도를 뾰족뾰족한 삼각형모양이 겹쳐지게 묘사하여 왔다. 그러나 동양회화를 자세히 들여다보면, 파도의 끝이 단계 단계 갈라져 프랙탈(fractal)을 이루도록 그리고 있다. 서양회화의 패러다임에서 보자면 동양회화의 파도는 분명 기존개념과 상식에서 벗어나는 ‘이상한’ 파도가 아닌가? 놀랍게도, 동양회화에서 프랙털로 묘사된 파도야말로 과학적으로 입증된 실제 파도의 모습이요, 사실주의적 회화기법에서 ‘상식’인 것이다.

적어도 필자가 내세우는 과학의 범위 내에서의 끈이론이 자연현상과 무관할 가능성은 전혀 없어 보인다. 하나의 정황은 인류가 자연의 법칙을 간파함에 있어서 제시하였던 패러다임들이 그다지 많지 않았다는 것이다. 실제로 과학자들의 창조적 작업이란 이런 몇 가지 되지 않는 패러다임들의 착안(idea)들을 올바른 현상에 적용되도록 짜 맞추는 퍼즐풀기 과정에 해당할 뿐이다.

또 다른 정황은 인류의 근대사에서 지난 30년간 무려 3세대에 걸쳐 전 세계에서 가장 우수한 물리학자들이 끈이론의 제안과 이론구조 그리고 전망에 매료되어 강렬한 호기심과 소름끼칠 만큼 집중된 탐구정신으로 무장한 채 연구에 매진한 경우가 적어도 필자가 아는 한 찾아볼 수 없다는 점이다. 나는 인류가 지극히 높은 지능과 판단능력 – 그것이 순수하거나 아니면 세속적이거나 – 을 가지고 있다고 굳게 믿는다. 자본주의의 단맛을 잘 아는 영악한 학생들에게 아무리 고단위 유인책을 제공한다 한들 의학이나 경영학 대신 철학을 택하지 않듯이, 물리학과 같은 순수과학의 참맛에 매료된 극히 탁월한 젊은이들이 무려 30년간 지속적으로 3세대에 걸쳐 우둔한 판단으로 끈이론의 연구에 빠져들었다고 보지 않는다.

더군다나 전 세계적으로 서구문화권 이외에도 회교권, 불교권을 포함한 광범위한 문화권들에서 말이다. 분명 지적 호기심(sparkling curiosity)이 넘치는 – 그리고 영악한 – 젊은이들이 판단하기에 끈이론이 추구하는 과학적 사상과 개념들이 인생을 투자할 만큼 극히 매력적인 지적 활동이기 때문이라고 본다. 필자의 연구실에는 하버드, 옥스퍼드대학에서와 마찬가지로 아직도 가장 우수한 물리학부 학생들이 끈이론을 연구하고자 문을 두드리고 있으며, 앞으로도 오랜 기간 동안 계속되리라 본다.

어떤 사람들은 끈이론을 실험으로 검증하는 것이 현재의 기술로는 전혀 불가능하므로 끈이론을 연구하는 것은 무의미하다고 폄하하기도 한다. 그렇다면 문제는 무한한 지적 호기심을 즐기려는 인간의 욕망이 아니고 답답할 만치 더디게 진행되는 기술문명의 진보가 아닐까? 나의 두뇌가 기술문명의 진보에 맞추어서 제한된 범위에서만 작동하라고 명령하는 것은 불가능할 뿐만 아니라, 그건 중세의 암흑시대로 되돌아가 인간의 지적활동을 억압하는 오만일 뿐이다. 분명 세상은 어느 누구도 상상하지 못할 속도로 빠르게 진화 – 어떤 사람들은 이를 발전이라고 부르기도 한다 – 한다. 과거 프린스턴 고등연구소의 지하실 200평을 꽉 채운, 공룡과도 같은 진공관 컴퓨터를 만들면서 50년 후 가히 비교할 수 없을 만큼이나 빠르며 초소형인 컴퓨터들이 서로 인터넷으로 연결되어 작업결과들을 서로 빛속도로 주고받을 것이라고 누가 생각이나 했겠는가? 그럼에도 불구하고 이런 과학적인 진화가 종종 생각했던 것만큼 빨리 진행되지 않는 것도 사실이다. 아폴로 11호가 달에 착륙한 어마어마한 사건을 깜빡거리는 눈으로 TV에서 똑똑히 목격한 우리 세대는 분명 아무리 늦어도 50년 후에는 소형 로켓트 가방을 메고서 하늘로 우주로 여행할 것이라고 확신에 가득 차 있었다. 21세기에 들어서조차 이러한 일이 일어날 가능성은 토카막(Tokamak)에서 핵융합발전이 일어나는 ‘기적’과 마찬가지로 적어도 내가 살아 있을 동안에는 극히 희박해 보인다.

이런 맥락에서 앞으로 끈이론의 장래가 어떤 방향으로 전개될지 미리 시간표를 예측해 보는 것은 별로 의미 없어 보인다. 그럼에도 불구하고, 용감하게 미래상을 그려본다면 끈이론은 앞으로 100년 후에도 환원주의연구와 ‘우주만물원리’의 새로운 패러다임으로 깊숙이 자리 잡고 있을 것이다. 과거 바우하우스(Bauhaus) 정신을 기치로 내건 소수의 선구자들이 혁신적인 예술과 건축을 통하여 강렬한 정신적 청량감을 주었다. 이제 끈이론은 ‘우주만물의 이론’의 가능성을 통하여 그 정신적 청량감을 제공하며 21세기 물리학의 떠오르는 패러다임이다.

By nature, human desire is boundless. Even after quenching a layer of desire, one kicks and struggles to fulfill another layer of bigger desire. Such tendency usually induces in one's creative activities healthy motivations and driving force but, quite often, that bends in crooked hearts to self-righteous and unfair deeds.

The science circle is not an exception. Say there is an invisible and nameless scholar from whom people did not expect even a tiny bit of accomplishment. Typically, the scholar may have graduated from a nameless college in a third world country, may conduct research at a nameless place, and publish research works in nameless journals. Say one day the scholar makes a totally unexpected, shocking breakthrough in scientific research and emerges prominently in the global academic circle. In such an event, it is interesting to observe how human nature of established academic circle reacts to the scholar's achievement. Some with open and fair mind care nothing to scholar's academic clique and ties or to scholar's social, political, racial and gendre backgrounds but – once proven correct – accept the new breakthrough with impartial appraisal. Others with a skeptical eye – just because the scholar was an outsider to the mainstream until then – stubbonly refuse to accept the breakthrough and display antagonism and jealousy. But, in the science circle, it is not uncommon – in fact, frequent and I do know quite a few examples around me – that such a nameless scholar continues to sail across a thorny trail full of bias and arrogance from the established circle and eventually stand up as a leading academic figure.

The anecdote makes it clear what undermines in scholarly activity creative and scientific minds most: self-righteousness, arrogance, green envy, antagonism, established structure through academic ties and social background, enforced common sense, and obsolete thinking just to name a few. But, according to the historian Toynbee, civilization in human history is the outcome of human wisdom’s incessant response to challenges caused by irrationalities and contradictions. Needless to say, the entire science, especially progress of scientific methods and advent of new thinking, are the most outstanding examples. In this regard, string theory, which has evolved enormously during the last thirty years, belongs to such an example, full of interesting suggestions.

“What is the string theory? What does it teach us?” These are sort of questions asked not only to string theory but throughout history also whenever a new philosophy, ideology or scientific theory was put forward. However, in addition to these two, another question posed to the string theory (by the science circle and among physicists in particular) is “Can the string theory be the Theory of Everything?” By everything, we mean literally everything around us and in the entire universe, so the call seems unreasonably and arrogantly high. But the question is actually with good and well founded reasons, so let me explain why. Physics is the pristine intellectual pursuit to understand working principles of the world around us. Physics thus dwells on two of the oldest questions in science: "What is the world made of?" "What holds it together?" Physics also dwells on explaining collective behavior when the fundamental constituents are put together to, say, a sugar-cube size – if you count them, it is typically around the Avogadros’ number – or larger and discovering emergent phenomena. For the first category, human's desire to uncover the fundamental constituents and the fundamental forces naturally begun with the reductionist viewpoint and focused on phenomena that take place at smaller and shorter distances – thus named micro-cosmos.

String theory is the cutting-edge science for the micro-cosmos. So much micro that even with the most advanced current technology we cannot see that directly. "If we cannot see it", you may contest, "then how does it come about and why don't we set it aside until we will be able to see it?" However, advent of string theory is not by accident nor is it ahead of its time. This would become evident if we ruminate it upon relation between the universal constants – a handful of numbers you encounter in physics books and working physicists toss up in their hands all the time – and the laws of physics. From the standpoint of reductionism, the gravity constant, the speed of light, and the quantum constant are the three most fundamental constants as they provide a ruler for measuring mass, spatial distance, and time lapse. If one looks back into the history of physics, the occasion for a revolutionizing theory or thought – in the sense of Toynbee's – to rise to the foreground has always been correlated with the introduction of a new universal constant. Newton was led to introduce the gravity constant – often called Newton's constant – when he found that the gravity is the outcome of universal attraction between massive bodies. Maxwell was led to introduce the speed of light when he put together electricity and magnetism into electromagnetic theory and showed that sunlight and radio waves your car stereo receives are one and the same sort. Upon discovering first-ever consistent account via so-called 'quantum hypothesis' for thermal energy radiation from red-colored hot tin can, Planck was led to introduce the quantum constant – often called Planck's constant.

There were also occasions when the arrival of a new revolutionary theory or thought was by synthesizing the known laws of physics and universal constants. Einstein put forward the 'special relativity' to reconcile Maxwell’s electromagnetic theory with Newton’s theory of mechanical motion. He also put forward the 'general relativity' by juxtaposing his special relativity and Newton’s gravity theory. Schrödinger and Heisenberg completed the theory of quantum mechanics reconciling Newton’s theory of mechanical motion with Planck's quantum hypothesis – enabling to identify waves and particles one and the same kind. Delving it further, Feynman, Tomonaga and Schwinger established a new theory that puts Maxwell's electromagnetic theory, Einstein's special relativity, and the theory of quantum mechanics altogether. Dubbed as quantum electro-dynamics, the theory was essential for understanding interaction of light with matter in the micro-cosmos.

At a certain stage of amalgamating existing laws of physics, inconsistencies and discordance may break out. That stage indeed happened to theoretical phyiscs in searching for the 'quantum theory of gravity' – completion of Newton's gravity with the special relativity and the quantum mechanics. Einstein's general relativity was a brilliant achievement for combining Newton's gravity with his special relativity in situations where both Newton's constant and the speed of light are relevant. So it seemed just as an easy step away for adding the quantum mechanics as in all previous successes. Well, as we all appreciate, life is not always blessed with lucks. Say you try to observe what happens inside a micro-cosmos of extremely tiny size. The smaller the size may be, the more energetic it becomes according to the quantum principle and the heavier it becomes according to the relativity principles. So, infinitely finely resolved micro-cosmos is infinitely heavy, exerting uncontrollably strong gravitational force, thus causing infinitely curved space and time – much like the shape of newspaper when you crumple it many times. The uncontrollable nature implies that there is no systematic way of calculating how heavy you would weigh on the Earth once quantum effects to the gravity is taken into account. This is a miserable failure. Though Einstein’s general relativity is a marvellous theory applicable to macro-cosmos where the laws of classical physics rules them all, it is not only unstable but also mathematically inconsistent when applied to very tiny, quantum-mechanical micro-cosmos. Is it possible that gravity is so special that the quantum principle is no longer applicable to the gravity at micro-cosmos? Not at all. According to Bohr’s correspondence principle – classical phenomena are particular cases of quantum phenomena in the limit where the Plank constant can be neglected -, Einstein's general relativity is simply the classical limit of underlying 'quantum gravity'.

There is one more to the story. Throughout history, human always dreamed of discovering 'the Theory of Everything' – the principle of all in the universe, unifying all known laws of physics. From the standpoint of 21st century physics, four fundamental laws are strong force, weak force, electromagnetic force, and gravity. Though these basic laws refer to different fundamental forces, they all rely on a universal concept called 'gauge principle'. This is the principle that governs interaction between elementary constituents. If that is so, 'the principle of all' ought to be systematized into a theory that integrates these four fundamental forces via one universal gauge principle. The gauge principle is at the root and trunk of modern physics, so it applies not only to the fundamental forces, but also to collective phenomena that arise when elementary constituents gather innumerably and form a condensed matter.

Search for 'the Theory of Everything' that unifies all known laws of physics, especially including the gravity, is not just for aesthetic beauty but is desperately needed. To appreciate this point, let us begin with the universe we belong to. It consists of two parts: the spacetime and the matter. We are part of the matter, so the pedestrian question "where are we from?" is paraphrasable to the scientific question "where did the matter originate from?" or "why does the matter in the universe consist only one billionth of the light?" This is a deep yet unsolved, outstanding question that 21st century physics must answer. Still, the very fact that the matter is incredibly small fraction of the universe compared to the radiation and remains stable way longer than the age of the universe imply that the matter was created instantly after the Big Bang. At that instance, the universe was incredibly tiny – the smallest of all possible micro-cosmos -, so the gravity needs to be considered along with the relativity and the quantum mechanics.

Remarkably, the string theory is the only one – at least up until now – that achieves the both tasks: to put together the gravity and the quantum mechanics in a consistent manner and to unify various gauge principles into one. In condensed matter systems exhibiting collective phenomana, the gauge principle can come about in infinitely many varieties. Nevertheless, the most interesting and significant point regarding the string theory is that, among all those possible gauge principles, it possesses those and only those necessary for unifying the four fundamental forces.

“Can the string theory be the principle of all things in the universe?” Certainly, the answer to this question will change over time. However, until today, no other compelling idea or proposal exist than the string theory.

The most intellectually stimulating side of the string theory is that it questioned thousand-year-long-held common sense, bring out problems of it and suggested the least radical – yet mathematically consistent – alternative concepts. So was it that the fundamental constituents were not point-like but string-shaped, but no other physical principles were modified.

Though conservative, shift of the viewpoint from particle to string led to astounding conclusion that micro-cosmos and macro-cosmos are simply equivalent and indistinguishable. Attributed to its feeble strength, gravity is the force that dominates in the macro-cosmos – this includes the celestial bodies, the galaxy and the entire universe. Likewise, attributed to smallness of the Planck constant, quantum phenomena becomes dominant at micro-cosmos – this includes atoms, electrons, nucleus, and all smaller. The scale of these two cosmos is so different, so it was not considered 'sensible' to imagine they could have an intimate relation. The paradigm, which systematized these 'common senses' during last four decades, is called the ‘renormalization group’ and the ‘operator product expansion’. It is designed to explore response of a cosmos in case it size is scaled bigger or smaller. This paradigm was crucially based on the supposition that the fundamental constituents of the cosmos were dots or points. If the fundamental constituents were not a point but a string having one-dimensional structure, is this paradigm still valid? Imagine you take a ball and try to add a large energy to it. There is only one way to do so: simply let it move as fast as it can. Imagine next you take a cello string and try to add a large energy to it. Now you can do so in two alternative ways: either let it move as a whole as fast as it can or let it stretched as long as possible. The fast moving string has a short wavelength in quantum world, so it fits into the micro-cosmos. The stretched string has a long diameter, so it fits into the macro-cosmos. In so far as the energy is concerned, the two ways are completely equivalent. We are then led to the profound conclusion that, as seen by strings, micro-cosmos and macro-cosmos becomes indistinguishable! In fact, it is fair to say they are one and the same entity. Yet, this conclusion is in direct conflict with the traditional paradigm of the renormalization group and the operator product expansion, which were all based on the tacit viewpoint that fundamental building blocks are point-like.

(C) Kyeok Shin

To me, it is highly unlikely that the string theory is totally irrelevant to the nature. One indication is that, in understanding physical laws around us, we human beings managed to come up with not so many but only a few ideas and paradigms to play with throughout the history. Indeed, what we consider creative achievements in science are largely a sort of solving jigsaw puzzles, taking away those limited ideas and paradigms from improper contexts and then placing them to proper ones. Another indication is that I hardly aware of a period in history during which world’s smartest and most intellectual minds were so entranced with proposition and prospect of a new paradigm for over 30 years, armed with intense curiosity and hair-raising spirit of exploration, yet failed glossly in the end. I firmly believe in human's superior instinct, intelligence and judgmental ability, whether pure or carnal. Shrewd students who tasted sweets of the capitalism, no matter how high lucrative inducements are offered, would not choose to major in philosophy over medicine or business management. I do not believe that smart students entranced with joy of pure science get attracted to string theory just by mere misjudgement or misguidance – not let alone for more than 30 years and over three generations. Moreover, they come from wide spread cultural spheres around the world – not just the Western spheres but also the Muslim and the Confucius ones. These smart minds with sparkling curiosity made the judgment that the string theory is intellectually worthy and challenging enough to devote their lifetime. As at Harvard or Oxford university, highly intelligent students keep knocking on my door to study string theory day by day; I expect this trend to continue long into the future.

Some criticize that experimental verification of the string theory is totally impossible with the present technology, and belittle the theory as irrelevant. If that is the case, the problem certainly lies in the frustratingly slow progress of the technological innovations, not in human desire to enjoy incessantly sparkling intellectual curiosity. It is impossible to command our brain to operate only within a limited scope in stride with the technological progress; commanding so is an arrogance that sets back all of us to the Middle Ages. The world evolves at a speed faster than anyone could imagine. An electron tube computer as big as a dinosaur filled inside the basement of Princeton’s Institute for Advanced Study wall to wall was made fifty years ago. Who would have ever imagined that incomparably fast, micro miniature computers could connect virtually everybody in the world through the internet fifty years later? On the other hand, this sort of progress often does not take place as fast as anticipated. We vividly recall watching breath-stopping moment on TV, witnessing the landmark landing of Apollo 11 on the moon – we were all sure that in no more than fifty years we would enjoy space travels while wearing portable rockets on our back. Yet, even as we enter the 21st century, the chance of traveling like so in my lifetime seems about as slim as the “miracle” of nuclear fusion taking place inside the tokamak.

It thus appears meaningless to forecast beforehand the timetable regarding future progress of the string theory. Nevertheless, I boldly project that, even a hundred years later, the string theory will be firmly operating as the newest paradigm and as “the principle of all things in the universe.” In the modern art, spirit of the Bauhaus school led by a small group of pioneers transcended brilliantly the boundary considered previously impenetrable and offered us spiritually immense fulfillment with creativity and innovations. I envision the string theory as 'the Bauhaus' of the 21st century science – we only need to wait for the moment it reveals us the ultimate beauty of the universe and become awed by its sheering beauty.