수상 업적

The Nobel Prize in Physics 1981 was divided, one half jointly to Nicolaas Bloembergen and Arthur Leonard Schawlow “for their contribution to the development of laser spectroscopy” and the other half to Kai M. Siegbahn “for his contribution to the development of high-resolution electron spectroscopy”. 1981년 노벨 물리학상은 “레이저 분광학의 개발에 대한 공헌”으로 니콜라스 블룸베르헨과 아서 숄로에게 공동 수여되었고, 또한 “고해상도 전자분광법의 개발에 대한 공헌”으로 카이 시그반에게 수여되었습니다.

수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분. 올해의 노벨 물리학상은 미국의 니콜라스 블룸베르헨 박사와 아서 숄로 박사, 그리고 스웨덴의 카이 시그반 박사 등 세 명의 과학자들이 레이저분광기와 전자분광기, 두 종류의 중요한 분광기법의 개발에 대한 공로로 공동으로 수상하게 되었습니다. 두 종류의 분광기는 알베르트 아인슈타인 초기의 발견인 광전효과에 기초해 개발되었습니다. 20세기 물리학자들에게 중요한 문제 중의 하나는 짧은 파장의 빛이 금속표면에 조사될 때 전자가 방출되는 현상인 이른바 광전효과는 고전적인 개념으로는 설명할 수 없다는 것이었습니다. 1905년 아인슈타인은 광전효과를 막스 플랑크의 양자가설을 사용해 단순하고 우아한 방식으로 설명할 수 있었습니다. 아인슈타인의 모델에 따르면 빛은 파동운동을 하지만 양자화되어 있습니다. 즉 입자처럼 행동하는 빛의 양자 또는 광양자라는 작은 조각으로 빛이 방출된다는 것입니다. 이 발견은 양자역학이라는 새로운 물리학 건설에 초석이 되었습니다. 그 후 양자역학은 20세기 초 수십 년 동안 매우 빠르게 발전하였습니다. 카이 시그반 교수는 웁살라 대학교에서 공동 연구자들과 함께 광전효과에 대한 아인슈타인의 이론을 바탕으로 분광기를 개발하였습니다. 엑스선 튜브에서 얻어지는 높은 에너지를 가진 광양자가 원자에 충돌하면 원자 속으로 깊이 침투하여 전자를 방출하게 할 수 있습니다. 이렇게 방출된 전자를 자세히 분석하면 원자의 내부구조에 대한 값진 정보를 얻을 수 있습니다. 초기 실험은 1910년대에 수행되었지만 1950년대까지는 검출기의 성능이 충분하지 않았습니다. 그 당시 카이 시그반 교수는 수 년 동안 특정한 방사성 원자핵의 붕괴, 이른바 베타붕괴에서 방출되는 전자를 분석할 수 있는 장비를 개발하고 있었습니다. 그와 동료들이 이 방법을 광전효과로 방출되는 전자를 분석하는 데 응용하면서 전자분광법의 새로운 시대가 도래했습니다. 이 분광법을 사용하면 이전에 가능했던 어떤 방법보다 정확하게 원자 안에 있는 전자의 결합에너지를 결정할 수 있었습니다. 이 방법은 같은 시기 급속하게 발전한 컴퓨터 기술의 도움으로 시작된 새로운 원자모델과 전산모사기법을 테스트하는 데 매우 중요한 역할을 했습니다. 또한 전자의 결합에너지는 원자의 화학적 환경에 따라 어느 정도 변화한다는 사실을 발견했고 그 결과 새로운 화학분석 기법을 이끌어 냈습니다. 이렇게 개발된 방법은 에스카라는 방법으로 불리며 ‘화학적 분석을 위한 전자분광법’을 의미합니다. 오늘날 이 기법은 전 세계의 수백 곳이 넘는 실험실에서 사용하고 있습니다. 특히 이 방법을 많이 응용되는 분야로는 부식과 촉매와 같은 표면반응에 대한 연구를 들 수 있습니다. 촉매반응이라는 것은 어떤 물질이 화학반응에는 참여하지 않으면서 반응을 시작하고 자극하는 물질인 촉매가 만들어 내는 화학반응입니다. 촉매반응은 공정산업에서 매우 중요하며 시그반 교수와 그의 동료들이 개발한 분광법은 촉매반응의 과정을 이해하는 데 큰 도움을 주고 있습니다. 올해 노벨상이 수여된 두 번째 형태의 분광법인 레이저분광법은 아인슈타인의 다른 초기 발견에 기초합니다. 오랫동안 원자와 분자는 빛을 흡수할 뿐만 아니라 자발적으로 특정한 파장의 빛을 방출할 수 있다고 알려져 왔습니다. 1917년에 아인슈타인은 빛이 원자 또는 분자를 자극하여 동일한 종류의 빛을 방출할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이것이 레이저의 핵심 과정입니다. 이러한 과정을 통해 방출된 광양자는 동일한 파장을 가질 뿐만 아니라 서로 동일한 위상을 가지며 진동합니다. 우리는 이런 종류의 빛을 결맞은 빛이라고 부릅니다. 결맞은 빛은 군인들의 행진에 비유할 수 있습니다. 여기에서 행진하는 군인들은 광양자에 해당됩니다. 반면 결맞지 않은 빛은 토요일 아침 혼잡한 쇼핑가에 있는 사람들에 비유할 수 있습니다. 군복무를 해 본 사람들은 행진하는 군인들이 보조를 맞추어야 한다는 것을 알고 있습니다. 그렇지만 군인들이 작은 다리를 건너야 하는 상황을 생각해 봅시다. 이 경우 군인들은 행진할 때 맞춰왔던 보조를 깨야 합니다. 그렇지 않으면 군인들의 행진에 따른 강력하고 결맞은 진동은 다리를 붕괴시킬 수도 있기 때문입니다. 광양자들이 위상을 맞추어 진동한다는 사실 때문에 결맞은 빛은 물질에 복사될 때 결맞지 않는 빛에 비해 더욱 강력한 효과를 줄 수 있고 이것은 레이저에서 나오는 빛이 매우 특별한 성질을 가진다는 것을 의미합니다. 결맞은 빛의 복사는 마이크로파 영역에서 우리가 메이저(유도복사에 의한 마이크로파의 증폭)라 부르는 장비를 통해 처음 만들어졌습니다. 메이저의 개념은 1950년대 중반 미국인 찰스 타운스와 소련의 바소프와 프로호로프가 제안하였고 그 공로로 그들은 1964년 노벨 물리학상을 공동으로 수상했습니다. 타운스와 아서 숄로 교수는 메이저의 개념을 가시광선의 영역으로 확장했고, 이것은 두 해 뒤 레이저의 제작으로 이어졌습니다. 레이저는 유도복사에 의한 빛의 증폭을 의미합니다. 스탠퍼드 대학교에서 숄로 교수는 자신의 연구진을 이끌고 많은 방법들을 개선했습니다. 레이저는 엄청난 정확도로 원자와 분자의 성질 연구에 사용되었습니다. 이 연구는 새로운 이론 모델을 개발하는 데 자극을 주었고 물질의 구성 성분을 더욱 자세히 알게 하였습니다. 니콜라스 블룸베르헨 교수는 다른 방식으로 레이저분광법의 개발에 공헌했습니다. 레이저의 빛은 때로 매우 강해서 물질에 조사하면 현존하는 이론으로 설명할 수 없는 반응을 보입니다. 블룸베르헨 교수와 동료들은 이 효과들을 설명하기 위한 더욱 일반적인 이론을 만들고 우리가 현재 비선형광학이라고 부르는 분야의 기초를 닦았습니다. 여러 레이저분광기법은 비선형광학 현상, 특히 두 개 이상의 레이저 빔이 혼합되어 만들어진 다른 파장을 가진 레이저에 기초를 두고 있습니다. 이 방법은 여러 분야에 응용되고 있습니다. 예를 들면 연소현상을 연구할 때에도 레이저를 사용합니다. 또한 이 방법을 사용하면 더 짧은 파장과 더 긴 파장을 가진 레이저 빛을 만들 수 있고 이것으로 레이저분광법의 응용 분야를 상당히 넓힐 수 있었습니다. 블룸베르헨 교수님, 숄로 교수님, 그리고 시그반 교수님. 여러분들은 모두 레이저분광법과 전자분광법이라는 두 가지 분광법의 발전에 지대한 공헌을 했습니다. 두 종류의 분광법은 원자, 분자, 그리고 고체의 내부구조를 이전에 가능했던 어떤 방법보다 훨씬 정확한 방법으로 탐구할 수 있게 해주었습니다. 그 결과 물질 구성에 대한 우리의 지식에 심대한 영향을 주었습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대신하여 저는 마음속 깊이 축하 드립니다. 이제 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.