수상 업적

The Nobel Prize in Physics 1960 was awarded to Donald A. Glaser “for the invention of the bubble chamber”. 1960년 노벨 물리학상은 “거품상자의 발명”으로 도널드 글레이저에게 수여되었습니다

수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분. 우리 모두는 높은 하늘을 나는 제트기가 푸른 하늘을 배경으로 남겨 놓은 하얀 선을 감탄스러운 눈길로 바라본 적이 있습니다. 그 하얀 선은 비행기 뒤에 응결한 아주 작은 물방울들로 이루어진 구름의 흔적입니다. 우리는 비행기가 멀리 사라진 뒤에도 이 구름의 흔적으로 비행기의 경로를 정확하게 추적할 수 있습니다. 이런 비슷한 방법이 핵물리에서도 사용되고 있는데 어떤 기체를 통과하는 개개의 원자입자들을 이런 식으로 관찰하는 것입니다. 그것이 바로 핵물리에서 아주 중요한 역할을 해 온 유명한 구름상자입니다. 이 구름상자를 발명한 영국의 윌슨은 지금으로부터 33년 전인 1927년에 노벨상을 수상했습니다. 오늘 시상할 노벨상과 윌슨의 발명은 서로 밀접한 관련이 있기 때문에 구름상자의 기능을 먼저 살펴보는 것이 좋겠습니다. 방사능 물질로부터 방출되는 입자 등 원자입자들은 이온이라고 부르는 하전된 조각들을 남기며 이동합니다. 그 입자가 과포화상태의 물분자가 들어 있는 가스상자를 통과하면 이온들이 물방울의 응결을 도와서 비행기 위의 구름 흔적처럼 입자가 이동한 경로를 따라 작은 물방울이 생깁니다. 적당한 순간에 상자 밑의 피스톤을 움직여서 상자 안의 가스를 급격히 팽창시킴으로써 과포화된 상태의 수증기를 만들 수 있는데, 이때 상자 안의 가스에 플래시를 터뜨려 사진을 찍으면 입자가 통과하면서 형성된 구름의 흔적을 기록할 수 있습니다. 이를 통해 우리는 원자붕괴, 핵융합, 우주선의 경로 등을 추적할 수 있었습니다. 1,000억분의 1밀리미터 정도의 입자를 이렇게 정교하게 가시화할 수 있다니 참으로 놀라운 발명이 아닐 수 없습니다. 핵물리학의 황금시대로 불리는 1930년대에 윌슨상자는 대단히 중요한 역할을 했습니다. 당시 핵물리학의 가장 위대한 발견들이 윌슨상자를 통해 가능했다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 윌슨상자는 그 시대에 가장 이상적인 실험 기구이기도 했습니다. 왜냐하면 20~30년 전에 인공적으로 만들 수 있었고, 당시의 주된 관심사였던 핵입자들은 보통 압력의 가스 내에서 수십 센티미터의 흔적을 남기기 때문입니다. 즉 입자들이 수백만 볼트의 에너지를 가지고 있어서 윌슨상자를 사용하는데 전혀 어려움이 없었습니다. 모든 입자들의 전 경로를 추적할 수 있었고, 모든 가능한 핵반응을 윌슨상자 안에서 관찰할 수 있었습니다. 그러나 오늘날의 핵물리학에서는 상황이 완전히 바뀌었습니다. 예를 들어 최근 완성된 제네바의 유럽 핵물리연구센터의 가속기에서 방출되는 입자의 에너지는 250억 볼트에 달합니다. 다시 말해서 옛날에 비해 에너지가 수천 배나 증가한 것입니다. 이런 입자가 날아가는 전 궤적을 추적하기 위해서는 길이가 100미터 이상이나 되는 엄청난 크기의 윌슨상자를 사용해야만 합니다. 당연히 고속의 입자를 정지시킬 수 있도록 기체가 아닌 새로운 매질이 필요해졌습니다. 도널드 글레이저 교수는 이른바 거품상자bubble chamber를 발명하여 이 문제를 해결했습니다. 그의 거품상자는 저에너지 핵물리학에서 윌슨상자가 한 역할을 고에너지 핵물리학에서 수행하는 것입니다. 기억하시다시피 작년에 반입자의 발견에 노벨상이 주어졌습니다. 반입자는 입자의 반대 즉 그 거울상입니다만, 글레이저 교수의 거품상자 역시 반半윌슨상자라고 할 수 있습니다. 글레이저 교수의 거품상자에서는 입자의 궤적이 액체 속에서 발생한 작은 기체 방울들로 남기 때문입니다. 이제 거품상자나 제트기 문제로부터 일상으로 돌아와 소다수 병 뚜껑을 땄을 때 일어나는 현상들을 살펴봅시다. 이를 통해 도널드 글레이저 교수가 최초의 착상으로부터 거품상자의 발명을 이루게 된 전 과정을 그대로 따라가 보겠습니다. 우리가 병 뚜껑을 열어서 병의 압력을 낮추면 소다수에서 거품이 올라오는데, 이때 거품은 그 생성을 도와주는 특정 위치에서 우선적으로 발생합니다. 글레이저 교수의 생각은 소다수 병이 아니라 끓는점 근처까지 가열된 액체가 채워진 상자를 사용하는 것이었습니다. 이 액체에 가해지는 외부 압력을 피스톤을 이용해서 낮추어 주면 액체는 비등하려고 합니다. 그러나 조심스럽게 압력을 낮추면 이 액체를 끓지 않는 불안정한 상태, 즉 과열상태로 유지할 수 있습니다. 이 액체에 아주 작은 교란이라도 생기면 마치 소다수 병의 마개를 딴 것처럼 액체가 끓게 됩니다. 글레이저 교수는 입자들이 액체를 통과하면 그 궤적을 따라 발생하는 이온이 거품 생성의 단서를 제공해서 거품의 생성을 유발할 것이라고 생각했습니다. 따라서 어떤 입자가 통과한 직후 과열된 액체의 순간 사진을 찍으면 생성된 거품의 흔적을 통해 입자의 궤적을 추적할 수 있게 됩니다. 물론 거품 궤적은 곧 격렬하게 끓어오르기 때문에 입자가 통과한 직후에 사진을 찍어야 합니다. 이것이 글레이저 교수의 핵심 아이디어였습니다. 그는 목표에 대해 체계적으로 접근하여 1952년 최초의 거품상자를 구현하는 데 성공했습니다. 글레이저 교수의 거품상자 원리는 대단히 간단하지만 그것을 구현해 내는 것은 수 년의 연구가 필요할 만큼 대단히 어려운 일이었습니다. 글레이저 교수가 그의 아이디어와 첫 번째 실험 결과를 발표하자마자 많은 사람들이 여기서 무언가 중요한 것이 나올 것임을 직감할 수 있었습니다. 많은 과학자들이 여러 형태의 거품상자를 구현하기 위해 뛰어들었습니다만 실제 거품상자에 결정적인 기여를 한 사람은 글레이저 교수자신이었습니다. 장치를 구동하기 위해서 글레이저 교수는 거품 형성에 관한 이론적·실험적 연구를 해야만 했습니다. 언제나 그런 것처럼 문제에 대한 체계적인 접근만이 해답을 이끌어 냅니다. 최근 몇 년간의 놀라운 변화는 거품상자의 크기가 대단히 커졌다는 것입니다. 최초의 거품상자는 에테르가 채워진 몇 센티미터 정도의 단순한 유리상자였습니다. 그러나 현재는 가장 정교한 기술이 집적된 대단히 커다란 장치로 발전했습니다. 현재 가장 큰 거품상자는 길이가 2미터, 넓이와 깊이가 0.5미터이며 절대온도 0도 근처에서 액화된 액체수소를 채운 것입니다. 주위에는 강력한 전자석을 설치하여 입자의 궤적을 휘게 함으로써 희미한 거품의 궤적도 약간 휘게 만듭니다. 이 방법으로 빛의 속도에 가깝게 거품상자 안을 통과하는 미지의 입자를 찾아낼 수 있습니다. 이 대형 거품상자는 대단히 복잡한 자동기록 장치와 거품상자의 궤적 정보를 대형 컴퓨터로 보내는 장치를 가지고 있습니다. 컴퓨터의 계산을 거치면 핵물리학자들이 갈망하는 뉴스가 원자의 세계로부터 전해지는 것입니다. 이 부분은 ‘프랑켄슈타인’이라는 재미있는 이름을 가지고 있습니다. 글레이저 교수의 거품상자를 사용함으로써 현대의 핵물리학자들은 미국, 서유럽 그리고 러시아의 핵물리연구센터에 구축된 고에너지 원자가속기를 이용한 연구에 꼭 필요한 장치를 갖추게 되었습니다. 수많은 연구팀에서 거품상자 속의 입자궤적으로 이상하고 새로운 입자가 생성되고 전이되며 사라지는 과정을 연구하고 있습니다. 즉 원자핵이 어떻게 분열하고, 어떻게 분리된 핵으로부터 새로운 입자가 생성되며, 어떠한 전이 과정을 거쳐 결국 소멸되는지를 연구하고 있습니다. 글레이저 박사님, 박사님의 거품상자 발명은 핵물리 분야에 새로운 세계를 열어 놓았습니다. 수십억 볼트 급의 가속기에서 나온 고에너지 빔을 거품상자에 통과시킴으로써, 우리는 고에너지 빔에서 일어나는 모든 특이한 현상들을 눈으로 직접 관찰하게 되었습니다. 이 방법으로 이미 많은 정보가 축적되었으며 조만간 더욱 많은 중요한 발견들이 이루어질 것입니다. 현대 핵물리학의 발전이 이렇게 한 사람에게 크게 의존하는 경우는 매우 드뭅니다. 왕립과학원을 대표해서 진심으로 축하를 드립니다. 이제 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.