[물리학] 2008년 – 아원자 물리학의 자발적 비대칭성의 기전 연구 | 비대칭성의 기원에 대한 발견(요이치로 난부, 마코토 고바야시, 도시히테 마스카와)

2008_Yoichiro_physics

  • 1921 ~
    요이치로 난부

    Yoichiro Nambu

    일본의 물리학자. 1952년에 도쿄 제국대학에서 박사학위를 취득하였으며, 미국 프린스턴 고등연구소와 시카고 대학교를 거쳐 1972년 페르미연구소 이론물리학 교수가 되었다. 1960년대 초 소립자 물리학에서 ‘대칭성 깨짐’이 자발적으로 일어날 수 있음을 수학적으로 설명하는 이론을 처음으로 제시하였다.

  • 2008_MakotoKobayashi_physics
    1944 ~
    마코토 고바야시

    Makoto Kobayashi

    일본의 물리학자. 1967년 나고야 대학교에서 박사학위를 취득하였으며, 교토 대학과 일본 고에너지물리학연구소를 거쳐, 2003년 소립자원자핵연구소 소장이 되었다. 1973년 도시히데와 함께 이른바 고바야시·마스카와 이론을 정립하였고, 마스카와가 소립자 쿼크가 6종이라는 가설을 세우자 이를 이론적으로 증명했다.

     

  • 2008_Toshihide_physics1940 ~
    도시히테 마스카와

    Toshihide Maskawa

    일본의 물리학자. 1962년 나고야 대학교에서 박사학위를 취득하였으며, 도쿄 대학을 거쳐 다시 나고야 대학의 교수이자 기초물리학연구소 소장을 지냈다. 고바야시와 학문적 동반자로서, 그가 독창적 아이디어를 제시하면 고바야시가 수학적으로 증명하여 이론을 정립하는 방식으로 소립자 연구의 길을 함께 걸어왔다.

수상 업적

The Nobel Prize in Physics 2008 was divided, one half awarded to Yoichiro Nambu “for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics”, the other half jointly to Makoto Kobayashi and Toshihide Maskawa“for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature”.

2008년 노벨 물리학상은 “아원자 물리학의 자발적 비대칭성의 기전 연구”로 요이치로 난부에게 수여되었고, 또한 “자연계에 추가의 쿼크 존재를 예측한 비대칭성의 기원에 대한 발견”으로 마코토 고바야시와 도시히테 마스카와에게 공동 수여되었습니다.

수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
“지구는 둥글다”라는 이 간단한 문장에는 많은 의미가 내포되어 있습니다. 이 문장은 우리 인간이 주위의 사물들을 얼마나 대칭적인 관점에서 보고 있는지를 보여 주고 있습니다. 우리는 우리가 기억할 수 있는 한 언제나 그래 왔습니다. 아주 옛날 고대 그리스 사람들이 기하학적 분류를 통해 우리가 현재도 사용하고 있는 개념들을 도입해 놓았습니다. 이 문장은 또한 물리 법칙에서 대칭성을 얼마나 중요하게 다루는지를 보여 주고 있습니다. 물리학 법칙에 의하면 지구는 납작하거나 네모날 수가 없습니다. 그 법칙들에 이미 대칭성이 내재되어 있는 것입니다. 그러나 지구가 정확히 둥글지는 않습니다. 적도에서의 지름이 양극에서의 지름보다 약간 큽니다. 산이 있고 계곡이 있습니다. 이런 것을 물리학자들은 약하게 깨진 대칭성이라고 부릅니다. 거울을 볼 때 우리는 거울의 상이 우리를 그대로 반영하고 있다고 생각합니다. 그러나 과연 그럴까요? 우리의 몸을 수직으로 이등분하여 왼쪽과 오른쪽으로 나누면 대칭일까요? 절대 그렇지 않습니다. 사실, 대칭성이 약간 어긋나는 것이 얼굴을 더 매력적으로 만듭니다. 파블로 피카소는 〈도라마르의 초상〉에서 그녀 얼굴의 반을 다른 형태로 표현하는 시도를 했습니다. 물론 실제 인간의 얼굴은 이 그림보다는 더 좌우대칭이긴 합니다만.
우리는 대칭성이 무너지고 마는 상황에 자주 마주치곤 합니다. 스위스의 마테호른 산처럼 완전히 대칭적인 산의 정상에 오른다면, 우리는 매우 불안정한 상태에 놓이게 됩니다. 어느 방향으로 떨어질지는 미리 알 수 없지만, 우리가 무언가를 잡지 않는다면 곧 산 아래로 떨어져 버리고 말 것입니다. 그러면 어느 쪽으로도 떨어질 확률이 같다고 하는 대칭성은 무너져 버리고 맙니다. 법칙 자체는 여전히 대칭성을 가지고 있지만 우리가 산 아래 어딘가(물리학자들은 이곳을 기저상태라고 부릅니다)로 떨어짐으로써 그 대칭성이 깨져 버린 것입니다. 대칭성은 그대로 있지만, 우리는 대칭성을 보지 못합니다.
이런 점이 가장 근접한 거리에서의 물리적 거동을 지배하는 자연법칙에는 어떤 의미를 가질까요? 1950년이 이후 소립자와 그들간의 힘에 대한 실험연구들을 통해 대칭성을 만족하는 모든 것들이 나타날 수 있음이 밝혀졌습니다. 따라서 대칭성은 물리법칙의 타당성을 뒷받침하는 강력한 조건입니다. 이 조건은 네 가지의 근본적인 힘과 다양한 소립자를 가지는 우주에 어떻게 반영되어 있을까요? 결정적인 아이디어는 1960년 요이치로 난부에 의해 제안되었습니다. 앞서 마테호른 정상에서 사람이 떨어지는 경우의 설명처럼 그는 자연법칙이 자발적 비대칭성을 가질 수 있음을 보였습니다. 적어도 오늘날 거대 입자가속기에서 만들어 내는 에너지 영역에서는 대칭성의 조건이 물리실험에서는 직접 관찰되지 않을 수 있습니다. 물리학의 근본 법칙에서의 대칭성은 여전히 존재하지만, 기저상태에 있는 계에서는 대칭성을 만족하지 못할 수 있다는 것입니다. 예를 들면, 이론적으로는 전자기력과 약력 사이의 관계가 존재하지만, 실험적으로는 그 관계를 관찰할 수 없었습니다. 이 경우는 모든 현대 물리학의 근간을 이루고 수많은 실험에 의해 검증된 난부의 아이디어의 한 예를 보여 주고 있습니다.
좌우대칭성은 물리학의 근본법칙에서 여전히 중요한 개념입니다. 1959년 리청다오와 양첸닝이 방사능 붕괴에서는 대칭성이 반드시 지켜지지는 않는다는 이론을 내놓고 곧바로 실험적인 확인이 이루어짐으로써 이 결과는 대단한 반향을 불러일으켰니다. 그럼에도 불구하고 좌우대칭성은 입자와 반입자간 전이와 관련된 모든 입자 반응에서는 여전히 적용되는 근본 원리로 생각되고 있었습니다. 그러나 1964년 크로닌과 핏치는 어떤 특정 조건에서는 이마저도 미약하게 깨진다는 놀라운 사실을 발견했습니다. 1960년대 후반과 1970년대에 걸쳐 현대 입자물리학의 표준 모델이 부분적으로는 난부의 아이디어에 기초하여 개발되었지만, 이러한 미약한 비대칭성을 설명할 수는 없었습니다. 따라서 어떻게 이 모델을 확장하여 실험 결과를 성공적으로 설명할 수 있을까 하는 문제가 부각되었습니다. 1972년 마코토 고바야시와 도시히데 마스카와는 좀더 근본적인 입자인 쿼크를 도입하여 그 가능성을 조사하였으며, 6개의 다른 쿼크가 있다면 이론은 실제로 비대칭성을 가질 수 있다는 것을 발견했습니다. 그것은 대담무쌍한 가설이었습니다. 당시 3개의 쿼크가 발견되었고 추가로 2개의 쿼크가 더 있을 것으로 생각되고 있었습니다. 그러나 고바야시와 마스카와는 3개가 더 있어야 한다고 주장한 것입니다. 1994년 마침내 마지막 1개가 발견되었습니다. 지난 10년간 소립자 물리학자들이 고바야시와 마스카와의 이론을 실험 결과와 비교한 결과 매우 정확하게 들어맞는다는 것을 발견했습니다. 최소한 지금까지 연구할 수 있는 에너지 영역에서는 자연이 6개의 쿼크로 이루어져 있습니다. 이것은 안드레이 사카로프가 일찍이 예지한 바와 같이 물질과 반물질간의 불균형을 만들며, 그래서 우리가 오늘 여기 존재하는 것입니다. 비평형성에 의해 물질의 세계가 있을 수 있는 것입니다.
고바야시 교수님, 마스카와 교수님,
두 분은 난부 교수님과 함께 현대 소립자 이론의 근간을 이루는 비대칭성에 대한 뛰어난 연구 업적으로 2008년 물리학상을 받으시겠습니다. 저로서는 스웨덴 왕립과학원의 축하 말씀을 전하게 되어 대단히 영광입니다. 이제 앞으로 나오셔서 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 라르스 블링크