[인상깊은 문구]교양인을 위한 노벨상 강의

<<교양인을 위한 노벨상 강의>>

야자와 사이언스 연구소

강신규 옮김

발행처: 김영사

1판 1쇄 인쇄 2011.11.16

1판 1쇄 발행 2011.11.23

CH1 우주 탄생의 비밀에 다가간 ‘자발적 대칭성 파괴’

난부 요이치로: “1960년대 초 소립자 물리학에서 ‘대칭성 깨짐’이 자발적으로 일어날 수 있음을 수학적으로 설명하는 이론을 처음으로 제시하였다. ‘대칭성 깨짐’은 오늘날 우주와 인간이 존재할 수 있는 근거이다. 빅뱅 직후 모든 것은 대칭을 이루어 물질과 반물질, 입자와 반입자가 똑같이 존재하면서 서로 충돌하여 소멸하였는데, 어느 순간 이러한 대칭성이 꺠지면서 반물질과 반입자가 사라진 결과 물질과 입자로 이루어진 우주가 존재할 수 있게 된 것이다. 그의 연구를 발판으로 과학자들이 모든 입자의 질량을 결정하며 대칭성을 깨뜨리는 원인으로 지목되는 힉스(Higgs)입자를 파악할 수 있었다. 2008년 현대 입자물리학의 중심 개념인 ‘대칭성 깨짐’을 수학적으로 정리한 공로를 인정받아 고바야시 마코토, 마스카와 도시히데와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상하였다.” (출처: 네이버 두산 백과)

CH2 우주에 물질은 왜 존재하는가? CP 대칭성 파괴에 대한 해답

“C는 charge conjugation(하전공액변환)의 약자로, 간단히 말하면 입자(정입자)를 반입자로 반전하는 것이다. 여기서 플러스와 마이너스 전하를 지니는 입자쌍, 예를 들면 양성자와 전자가 있다고 하자. 양성자와 전자는 전자기력에 의해 서로 당기고, 전자는 양성자 주위를 회전한다. 여기서 만약 양성자와 전자의 전하를 바꿔넣어도 전하의 크기가 변하지 않는 한 그 관계는 달라지지 않는다. 이와 같이 전하를 교환해 입자를 반입자로 바꾸는 조작(하전공액변환, C변환)을 해도 변하지 않는 성질을 ‘C 대칭성’이라고 부른다.

  반면 P는 ‘패리티변환(우기변환)’에 의한 대칭성, 즉 ‘P대칭성’을 의미한다. 이는 앞에서 예로 들었던 물리현상을 거울에 비춰 뒤집어보아도 그 성질이 변하지 않는 대칭성, 즉 공간반전의 대칭성이다. 이와 관련해 패리티Parity라는 말은 다양한 분야에서 이용되는데, 모두 동등.등가.균일 등의 의미를 포함하고 있다.” (P40)

중력과 전자기력에 대해서는 (거시적 영역에서는) CP 대칭성이 예외가 없는 공리로 인식되었으나, 약력과 핵력의 존재를 알고부터 (미시적인 원자와 소립자 영역) 의문이 제기 되었다.

고바야지 & 마스카와가 1972년에 제출

-       <<CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction>>

-       우주의 물질을 구성하는 기본적인 구성요소는 여섯 종류의 쿼크와 경입자라는 사실, 새로운 쿼크가 지닌 양자수에 의해 우주의 대칭성에 본진적으로 파괴가 일어난다는 사실이 밝혀졌다. (P52)

CH3 거대 자기저항 발견이 초래한 기술 혁신

요약: 페르와 그륀베르크는 (2007년 노벨상수상자) 개별적인 방법으로 거대자기저항(GMR, Giant Magneto Resistance)를 개발하게 되었다. 그들의 기술은 데이터 저장과 관련이 있는데 HDD의 AMR 판독헤드를 GMR 판독헤드로 바꾸면서 용량의 크기를 대폭 늘릴 수 있게 되었다.

CH4 초저온과 초유동의 양자역학적 세계

요약: 물이든 금속이든, 모든 물질에는 점성(흐름에 저항하는 성질, 점착력)이 존재한다. 점성이 전혀 없는(제로인) 상태를 ‘초유동superfluidity’이라고 하는데, 이런 특별한 성질은 그때까지 헬륨 4에만 존재하는 것으로 알려져 있었다.

초유동 헬륨4는 아무리 작은 틈이라도 빠져나갈 수 있다. 약한 불로 구운 컵에는 육안으로는 보이지 않는 미소한 구멍이 무수히 나 있는데, 물이나 맥주 같은 액체를 넣어도 새지 않는 것은 이들 액체에도 점성이 있기 때문이다. 그러나 초유동 헬륨4를 컵에 넣으면 마치 소쿠리에 물을 담은 것처럼 무수한 구멍을 지나 바깥으로 흘러나온다. 또한 비커에 초유동 헬륨4를 넣으면 얇은 막이 되어 비커의 안쪽 면을 따라 올라가 바깥쪽으로 넘친다.

헬륨4가 초유동 성질을 나타내는 것은 그 원자가 보스입자이기 때문이다. 보스입자는 여러 개가 하나의 양자상태(quantum)를 공유할 수 있다. 그리고 극저온이 되면 모든 입자가 최저에너지 상태로 변한다. 이때 헬륨4는 수많은 입자가 동일한 보조로 움직이면서 마치 하나의 입자처럼 행동한다.(초유동은 보스-아인슈타인 응축의 한 형태다.)

반면 헬륨3은 페르미입자이며, 하나의 양자상태로 변하는 입자는 언제나 한 개다. 때문에 당초 헬륨 3에는 초유동 성질이 존재하지 않는다고 여겨졌다.

그런데 1957년 BCS이론(초전도 구조에 관한 이론)이 등장하자 그런 인식이 바뀌었다. BCS이론은 페르미입자인 전자가 두 개로 쌍(쿠퍼쌍)을 만들고, 그것이 보스입자로 움직임으로써 전류가 금속 내부를 전혀 저항을 받지 않고 흐르는 초전도상태가 발생한다고 주장했다. 말하자면, 전자의 초유동성이었다.” (P92)

“헬륨3 쌍은 전자의 쿠퍼쌍과는 다르며, 관찰하는 방향에 따라 성질이 다른데, 그런 현상은 원자의 궤도와 스핀의 대칭성 파괴에 의해 발생한다는 것이었다.” (P93)

CH5 중성미자천문학 탄생을 향한 거대한 전진

요약: “SN1987A는 단지 초신성이 인간에 의해 오랜만에 관측되었다는 데에만 의미가 있지 않았다. 그 후 천문학자들은 중성미자천문학이라는 전혀 새로운 과학영역에 발을 내디디게 되었다. 즉, 1987년 2월 23일 오전 7시 35분 광학망원경에 의해 그 초신성이 관측되기 세 시간 전에 초신성이 폭발하면서 방출된 중성미자 소나기가 지구를 관통해 미국과 소련 등에서 중성미자 몇 개가 관측된 것이다.

중성미자는 전하를 지니지 않고 질량도 제로라고 추측할 만큼 작으며, 그래서 다른 물질과 거의 상호작용을 일으키지 않는다. 하지만 양성자 및 중성자에 10^-15센티미터 이하 되는 거리까지 접근했을 때에는 양성자와 중성미자 사이에 ‘약한 상호작용’이 이루어진다. 약한 힘만 작용하는 중성미자는 우주공간에서 별 및 혹성 등의 거대한 물질과 충돌해도 전혀 저항을 받지 않고 유령처럼 빠져나간다.” (P103~P104)

태양에서 핵융합반응으로 꾸준히 중성미자를 방출한다. 1초마다 1제곱센티미터당 660억개의 밀도로 방출한다. 고시바 마사토시는 미국의 데이비스 2세, 지아코니와 함께 우주에서 날아온 중성미자와 X선을 처음으로 관측한 공로로 2002년 노벨 물리학상을 받았다. 그는 중성미자 천문학을 창시한 일본의 천체물리학자이다.

“중성미자는 질량이 제로가 아니며, 매우 작지만 질량을 지니고 있다는 것, 그리고 중성미자의 기본단위가 복합입자임이 밝혀졌다. 이런 연구 성과는 모두 고시바가 주도하는 연구팀이 가미오칸데와 슈퍼가미오칸데를 이용해 성취한 것이었다.” (P118)

CH6 차갑게 더욱 차갑게, 한없이 차갑게 극저온 연구의 전망

요약: 2001년 두 명의 미국 물리학자 에릭 코넬(Eric Cornell)과 칼 위먼(Carl Wieman) 그리고 독일인 물리학자 볼프강 케테를레(Wolfgang Ketterle)가 ‘알카리원소 희석 기체에서 보스-아인슈타인 응축(BEC, Bose-Einstein Condensation) 실현 및 응집체 성질에 대한 기초연구’로 노벨상을 수상하였다. (P121)

CH7 집적회로 발명이 이끈 21세기의 기술

요약: “노벨 위원회는 2000년도 노벨 물리학상 수상자로 ‘기초과학과 응용 기술의 관련성’이라는 관점에서 기술개발에 가장 공헌한 연구자 세 사람을 선정했다. 미국인 물리학자 잭 킬리(Jack St. Clair Kilby), 러시아인 물리학자 조레스 알페로프(Zhores Alferov), 독일계 미국인 물리학자 허버트 크뢰머(Herbert Kroemer). 킬비는 집적회로 발명을 인정받아 상금의 절반을 받았고, 나머지 두 사람은 반도체 헤테로구조 개발을 인정받아 각각 4분의 1을 받았다.” (P168)

“양자물리학이 대두한 1920년대는 ‘이론물리학의황금시대’였으며, 1950 ~ 1960년대는 고체물리학의 성과를 통해 반도체 시대를 열게 되는 ‘응용물리학과 응용공학의 전성기’였다. (P168~P169)

CH8 고온초전도의 미래에 대한 약속

요약: “저온물리학은 순식간에 물리학 연구에서 중요성을 띠게 되었다. 물질의 성질은 우리가 알고 있는 상온 및 고온에서와는 달리 매우 낮은 온도에서 전혀 이질적으로 변화한다는 사실이 규명되었기 때문이다.” (P194) ‘세라믹 초전도체 발견을 이끈 중요한 약진’(P210)

저온물리학 발전사

1.     시작: “카메를링 오너스는 수은의 순도가 매우 높은 전선을 이용해 점차 온도를 낮추면서 수은의 저항 변화를 측정했다. 절대온도 4.2K에서 갑자기 전기저항이 사라졌다.” (P195~196)

2.     독일의 물리학자 발터 마이스너(Walter Meissner)와 로베르트 옥센펠트(Robert Ochsenfeld)가 초전도체에서 전자유도가 발견하지 않는다는 것을 발견했다. 이를 마이스너 효과라고 한다.

3.     이후 몇 십년 동안 초전도성 금속과 합금, 그리고 화합물을 발견.

1)     1941 16K(영하 257℃) – 질화나이오븀(NbNi)

2)     1953 17.5K – 바나듐실리콘(Vanadium-Silicon alloy)

3)     “1962년이 되자 미국 웨스팅하우스의 물리학자와 기술자가 실용성이 있는 최초의 초전도전선으로 나이오븀과 티타늄 합금(니오브-티타늄합금)을 개발했다.

4.     “1986년 초 두 사람은 마침내 혁신적인 물질을 발견했다. 그들은 화학적으로 안정된 세라믹스를 만들기 위해 란탄-구리 산화물에 바륨을 첨가했다. 이 바륨-란탄-구리 산화물은 당시 초 전도현상을 일으킬 수 있는 임계온도로 알려져 있던 온도보다 12K나 웃도는 35K(영하 238℃)에서 초전도상태를 실현했다. 역사상 최초로 ‘고온’ 초전도체를 발견한 것이다.”(P208)

5.     “폴 추가 경이적인 93K(영하 180℃)에서 초전도상태를 실현”(P209)

고온초전도에 대한 이론이 존재하지 않는다. 뮐러와 베드노르츠가 발견한 세라믹이 나타내는 고온초전도현상에 관한 메커니즘도 아직 이해되지 않고 있다. (P211)

CH9 워크보손을 발견한 ‘거대과학’ 연구자

카를로 루비아(Carlo Rubbia) – ‘약한 상호작용을 매개하는 W입자와 Z입자를 발견한 실험프로젝트에서의 결정적인 공헌’

SPS(Super Proton Synchrotron 슈퍼 양성자싱크로트론) 양성자 가속기를 양성자-반양성자 충돌 가속기로 바꾸는 것을 이끌어 워크보손을 찾았다.

CH10 스타더스트, 무거운 원소는 어떻게 생성되는가?

1983 윌리엄 파울러(Willia Alfred Fowler) –‘우주에서의 화학원소 생성과 핵반응의 중요성에 관한 이론적 및 실험적 연구’

B²FH: Margaret Burbide, Geoffrey Burbide, Willia Fowler, Fred Hoyle

“빅뱅 초기 생성된 원소 대부분은 우주 가시물질이 99퍼센트 이상을 점하는 수소와 헬륨이었으며, 소량의 리튬 동위체였다.” (P249) 호일은 주기율표의 철까지는 별 내부에서 생성된다는 것을 발표했다. “베테, 호일, 가모프 등의 과학자들은 원소가 어떻게 생성되는지에 대한 의문에 이론적으로 대처했지만, 켈로그연구소의 연구원들은 실험을 통해 그 의문을 규명하는데 기여했다.”(P251)

CH11 백색왜성과 블랙홀을 둘러싼 인도인 물리학자의 투쟁

“찬드라는 백색왜성에 ‘임계질량,’ 즉 백색왜성이 스스로의 중력을 견디지 못하게 되는 질량의 한계가 있음을 발견했다. 별이 임계상태에 이르면 축퇴압 때문에 스스로 중력을 지탱하지 못하게 되어 ‘중력붕괴’를 일으킨다. 임계질량은 태양의 질량보다 약 1.4배 큰 것으로 계산되었는데, 이는 나중에 ‘찬드라세카르 한계’라고 명명되었다.” (P257/279)