수상 업적

The Nobel Prize in Physics 1967 was awarded to Hans Bethe “for his contributions to the theory of nuclear reactions, especially his discoveries concerning the energy production in stars”. 1967년 노벨 물리학상은 “핵반응 이론에 대한 공로, 특히 항성의 에너지 생산이론”으로 한스 베테에게 수여되었습니다.

수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분. 올해의 노벨 물리학상 수상자는 한스 베테 교수입니다. 올해의 노벨상이 수여되는 연구는 오래된 수수께끼와 관련된 것입니다. 인류가 존재한 시간은 물론 태양을 이용해 영양분을 생산하던 생명체가 지구에서 발전하고 번성해 온 매우 오랜 시간 동안 태양이 어떻게 계속 빛과 열을 방출할 수 있었는가? 지구의 나이를 좀 더 정확하게 알게 되면서 이런 의문을 해소할 가망은 더욱 없어 보였습니다. 이제까지 알려진 어떠한 에너지의 원천으로도 그 오랜 시간의 에너지 방출을 설명할 수 없었습니다. 무언가 알려지지 않은 과정이 태양의 내부에서 작용하고 있음에 틀림없었습니다. 지금까지 알려진 어떠한 연료로도 설명할 수 없는 태양 에너지는 방사능이 발견되고 나서 그 수수께끼를 해결할 수 있는 것처럼 보였습니다. 이후 태양에는 방사능을 방출하는 방사성 물질의 양이 충분하지 않아 방사능이 태양 에너지의 근원이 아니라는 것이 밝혀졌지만, 방사능에 대한 자세한 연구를 통해 새로운 연구 분야를 만들어 내고 태양 에너지의 근원이 어디에 있는지 밝힐 수 있었습니다. 보통 물리학과 화학은 원자의 외곽을 구성하는 전자의 거동을 연구하는 반면 새로운 물리 연구는 원자의 내부구조를 연구합니다. 원자핵의 발견자인 러더퍼드는 이것을 일컬어 새로운 연금술이라고 말했습니다. 왜냐하면 화학반응과는 달리 핵반응은 화학원소가 다른 원소로 변환되기 때문입니다. 이것은 예전의 연금술사들이 그토록 만들고 싶었지만 그들의 도구로는 성공할 수 없었던 방법입니다. 왜냐하면 핵반응이 일어나기 위해서는 화학반응보다 수백만 배 더 큰 에너지가 필요하기 때문입니다. 수소원자의 핵인 양성자가 모든 원자핵의 공통적인 구성입자라는 것은 명백해졌습니다. 그리고 양성자는 전하를 가지고 있습니다. 또 다른 원자핵을 이루는 구성입자인 중성자는 이름처럼 전기적으로 중성이며 원자핵이 발견된 지 21년이 지난 1932년에 발견되었습니다. 중성자가 발견되기까지도 원자핵에 대해 상당 기간 연구가 진행되었지만 진정한 의미의 핵물리학은 중성자의 발견에서부터 시작되었다고 말할 수 있습니다. 그 당시 베테 교수는 빠르게 발전하는 실험 분야의 발견에 관련된 많은 물리적인 문제들을 능숙하게 해결할 수 있는, 능력있는 젊은 이론물리학자 가운데 한 명이었습니다. 당시 물리적인 문제의 핵심 중 하나는 원자핵 내에서 양성자와 중성자를 붙들어 매는 힘의 성질을 찾는 것이었습니다. 이것은 핵과 전자를 붙드는 힘인 전기적 힘의 원자핵 버전이라고 생각할 수 있습니다. 베테 교수는 이 문제들의 해법을 찾는 데 많은 기여를 했으며 그 기여는 지금도 진행중입니다. 베테 교수는 다른 연구 분야에서처럼 이 연구에서도 선도적인 위치에 있었습니다. 게다가 그가 1930년대 중반에 단독으로 혹은 다른 공동 연구자들과 함께 발표한 총설은 원자핵에 대해 알려진 모든 것, 즉 이론과 실험을 모두 포괄한 것으로서 그 당시 핵물리학자들에게는 ‘베테의 성경’으로 불렸습니다. 베테 교수는 원자핵에 대한 방대하고 심오한 지식과 함께 물리적인 문제의 핵심을 빠르게 파악하고 문제의 해결 방법을 찾는 흔치 않는 재능이 있었기 때문에 올해의 노벨상을 수상하게 된 연구를 매우 빨리 수행할 수 있었습니다. 그는 1938년 3월 워싱턴에서 개최된 학회가 끝난 후 자신의 연구를 시작했는데 같은 해 9월 초 완전한 설명을 포함하는 논문을 제출했습니다. 베테 교수는 학회 기간과 그 후 6개월 동안 설명에 필요한 천체물리학 지식을 습득했습니다. 필요한 천체물리학 지식의 주된 부분은 1926년에 에딩턴이 수행한 연구입니다. 에딩턴의 연구에 따르면 태양의 가장 안쪽 내부는 매우 뜨거운 가스로서 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있습니다. 섭씨 2천만 도라는 높은 온도로 인해 이 원자들은 밀도가 물보다 80배나 높음에도 불구하고 전자와 원자핵이 서로 분리된 채 섞여 있으며 실제 가스처럼 반응합니다. 이 상태를 유지하기 위해 필요한 에너지의 양은 지구에 도달하는 복사에너지를 측정하면 알 수 있습니다. 전체로 보면 그 에너지는 매우 크지만 엄청난 태양의 크기를 생각하면 핵반응의 속도는 매우 느립니다. 이것은 태양을 이루고 있는 물질이 평균 300톤당 60와트의 전력을 방출하는 것과 같습니다. 느린 연소와 높은 에너지가 적은 질량에서 방출되기 때문에 오랜 시간을 지구 생명체에 에너지를 전해 주었고, 그 결과 지구의 생명체는 존재할 수 있었습니다. 베테 교수가, 태양과 유사한 항성에서 에너지가 만들어지는 근원은 원자핵 반응이라고 확실히 증명하기 전, 연관 관계가 있는 연구 분야에서 자연스럽게 제기되는 두 가지 질문에 대해 잠깐 언급하고 넘어가고자 합니다. 원자폭탄은 말할 것도 없이 원자로에서도 그렇게 빠른 핵반응이 왜 태양에서는 그렇게 느린가? 그리고 왜 보통의 조건에서는 존재하지 않는가? 그 이유는 원자핵들이 모두 같은 전하를 가져 전기적 척력을 받고 있으며, 핵들을 한데 모을 수 있는 핵력의 작용범위가 매우 짧기 때문입니다. 핵력은 난쟁이가 태양만 하다고 할 때 난쟁이 정도의 거리에서만 작용합니다. 핵반응이 일어나기 위해서는 양성자가 다른 원자핵에 가깝게 접근할 수 있어야 하는데 이렇게 되기 위해서는 양성자의 속도가 엄청나게 커야 합니다. 가모프는 핵물리학을 천문학에 적용한 선구자로서 원자핵반응에 미치는 양자역학적 터널효과에 대해 연구했습니다. 양성자가 양자역학적으로 터널링을 하지 않는다면 태양의 중심과 같은 높은 온도도 핵반응을 일으키기에는 충분하지 않습니다. 터널링 효과로 비교적 낮은 온도에서 느린 핵반응이 가능합니다. 그러나 원자로에서의 반응은 다릅니다. 왜냐하면 핵반응은 중성자에 의해 일어나고 중성자는 전하가 없어 핵의 전하에 의한 전기적 척력이 없기 때문에 멈추지 않습니다. 그러나 중성자는 수명이 짧고 따라서 보통의 상황에서도 매우 드물게 관찰되며 심지어 태양에서도 드물게 존재합니다. 베테 교수가 항성에서의 에너지 발생에 대한 연구를 시작할 때에도 핵에 관한 지식에는 커다란 틈이 있어 이 문제를 해결하는 것이 매우 어려웠습니다. 그러나 자신의 이론과 천문학 결과를 계속 비교하면서 미성숙한 이론과 불완전한 실험 결과를 놀랍게 조합하여 태양과 비슷한 항성에서 일어나는 에너지 생성 메커니즘을 설명하는 데 성공했습니다. 베테 교수의 이론은 상당한 시간이 흐른 후 많은 양의 실험 결과가 축적되고 컴퓨터로 수치를 계산했음에도 단지 약간의 수정만이 이루어졌을 정도로 정확한 것이었습니다. 그의 중요한 업적은 태양의 중심에서 일어난다고 생각되는 많은 수의 핵반응 과정이 제거되었다는 점입니다. 베테 교수 이후에는 단 두 개의 가능한 과정만이 남았습니다. 두 과정 중 간단한 것은 두 개의 양성자가 충돌해 양성자와 중성자로 이루어진 중수소의 핵을 형성하는 것입니다. 이 과정에서 양전하는 양전자의 형태로 방출됩니다. 이후 몇 개의 양성자를 포획하는 과정을 거쳐 네 개의 양성자에서 헬륨의 핵을 형성합니다. 주어진 수소 질량에서 방출되는 에너지는 동일한 질량의 탄소를 연소시켜 이산화탄소를 만들 때 얻어지는 에너지 양의 2,000만 배에 달합니다. 두 번째 과정은 조금 더 복잡합니다. 두 번째 과정에서는 탄소가 필요한데 탄소는 촉매와 같이 실질적으로는 소모되지 않습니다. 그리고 그 결과는 이전의 과정과 동일합니다. 첫 번째 과정은 베테 교수보다 수년 전 애트킨슨이 제안하였으며 이후 폰 바이츠제커에 의해 논의되었다는 점을 말씀드립니다. 같은 시간에 폰 바이츠제커 역시 두 번째 과정을 베테 교수와 독립적으로 연구했습니다. 그러나 애트킨슨과 폰 바이츠제커는 이 두 과정과 다른 예상 가능한 과정을 모두 분석해 이들 두 과정만이 태양과 같은 항성에서 일어나는 에너지 발생기전을 설명할 것이라고는 생각하지 않았습니다. 베테 교수의 연구는 수년 동안 발전한 태양과 항성의 내부에서 일어나는 현상을 이해하는 데 가장 근간이 되었습니다. 최근 일군의 천체물리학자들이 수소를 모두 소진한 항성에서는 어떤 일이 일어날 것인지를 밝히려는 시도를 하고 있습니다. 이 연구를 통해 다른 오래된 질문, 즉 화학원소가 어떻게 만들어졌는지에 대한 새로운 지식을 얻을 수 있을 것입니다. 베테 교수님. 교수님은 많은 업적을 남기셨고 그중 몇몇은 노벨상 후보에 오르기도 했습니다. 그런데 많은 업적 중 상대적으로 덜 중요하게 생각되는 업적에 노벨상을 수여하는 것에 교수님은 놀라셨을지도 모릅니다. 그렇지만 별의 생성과 진화에 대한 교수님의 연구 또한 노벨상 수여 기준과 잘 일치합니다. 그러나 이것이 물리학의 커다란 발전에 기여한 교수님의 40년에 걸친 연구에 우리가 깊은 인상을 받지 않았음을 의미하는 것은 아니라는 사실을 말씀드리고 싶습니다. 오히려 그와는 반대로 항성 에너지의 근원에 대한 교수님의 해법은 우리 시대 기초물리학의 가장 중요한 응용 가운데 하나로써 우리를 둘러싼 우주에 대한 이해를 더욱 깊게 해주었습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대신하여 교수님께 따뜻한 축하의 말씀을 드립니다. 이제 전하로부터 노벨 물리학상을 받으시기 바랍니다.