5. 물리학과 기술==퍼음

5. 물리학과 기술

과학 세상/노벨상과 20세기물리 2009.01.24 18:33

지금까지 언급한 많은 발견과 이론들은 완전히 새로운 물리학 분야를 열어 놓음으로써 또는 새로운 장치가 만들어질 수 있다는 생각을 제공함으로써 기술 장치의 발전에 강한 영향을 주어 왔다. 가장 뚜렷한 예로 쇼클리와 바딘, 브래틴의 업적을 들 수 있다. 그들의 업적은 트랜지스터를 만들었고 전자공학의 혁명이 시작되었다. 그리고 타운스, 바소프 그리고 프로크호로프의 기초연구가 메이저와 레이저의 개발을 이끌었다. 입자 가속기 또한 재료과학과 의학의 여러 분야에서 중요한 도구로 쓰이고 있다는 것을 말할 수 있다. 노벨상의 영예를 안은 또 다른 일은 보다 직접적인 기술 혁신을 가져왔고 정보통신 기술 개발을 위한 측정 장비를 만드는 데 특별한 중요성을 가진다는 것이 밝혀졌다.

초기의 물리학상(1912년) 하나가 닐 구스타프 달렌(Nils Gustaf Dalén)에게 주어졌는데 그의 업적은 자동 ‘태양-밸브’를 발명한 것이다. 태양-밸브는 봉화에 불을 붙이거나 부표를 띄우는 데 널리 쓰였다. 그것은 반사하는 물질과 흑체에서 나오는 열 복사의 차이에 기초를 두고 있다. 그가 만든 장치에 있는 세 개의 평행한 막대기 중 하나는 검게 만들어 태양이 비치는 동안 막대기의 열 흡수와 길이 팽창을 다르게 하였다. 이 효과로 낮 시간 동안에는 기체 공급선을 자동으로 막아 바다에서 드는 많은 비용을 해소할 수 있었다.

광학 장비나 기술은 몇 번씩이나 노벨상의 주제가 되어 왔다. 새로운 세기로 바뀔 무렵 가브리엘 리프만(Gabriel Lippmann)은 빛의 간섭성을 이용하여 칼라 사진 기술을 개발했다. 조명을 비추면 거울에 반사되어 감광액에 정상파를 일으키도록 거울 하나를 사진판의 감광액에 붙여 설치하였다. 현상과정에서 은가루 층이 만들어지고 사진판을 거울에서 보면 사진이 자연색으로 다시 만들어지게 된다. 리프만에게 1908년 노벨상이 주어졌다. 불행하게도 리프만의 방법은 노출시간이 아주 길어야 한다. 사진 기술은 나중에 다른 기술로 대체되었지만 고품질 홀로그램에 새롭게 응용되었다.

광학 현미경에서 지극히 약하게 흡수하는, 즉 실질적으로 투명한 물체조차도 서로 다른 굴절률을 가진 영역으로 구성되어 있으면 눈에 보이게 할 수 있다는 것이 프리츠 제르니케에 의해 증명되었다. 제르니케의 ‘위상차 현미경’에서는 불균일한 굴절률에 의해 다른 위상 변화를 겪은 빛의 파편들을 구분하는 것이 가능하다는 것이다. 이 현미경은 생물학적 시료들을 자세하게 관찰할 때 특히 중요하게 사용되어 왔다. 제르니케는 1953년 물리학상을 받았다. 1940년대에 데니스 가보(Dennis Gabor)는 홀로그래피의 원리를 만들었다. 그는 만약 입사하는 빛이 공간의 2차원 배열에서 반사된 빛과 간섭하게 하면 물체의 3차원 사진을 재생할 수 있다는 것을 예측했다. 그러나, 이러한 생각을 실현하기 위해서는 레이저가 발명되기까지 기다려야만 했다. 레이저는 간섭 현상을 관찰하는데 필요한 응집된 빛을 제공하기 때문이다. 가보는 1971년에 노벨상을 받았다.

전자현미경은 자연과학의 수많은 분야에서 엄청나게 강한 영향을 주어 왔다. 씨. 제이. 데이비슨(C.J. Davisson)과 쥐. 피. 탐슨(G.P. Thomson)이 전자의 파동성을 밝혀낸 지 얼마 지나지 않아 높은 에너지를 가지는 전자의 파장이 짧아 광학현미경보다 배율을 높이고 해상도를 좋게 하는 것이 가능하다는 것을 깨달았다. 에른스트 루스카(Ernst Ruska)는 전자 광학의 기초연구를 했고 1930년대에 이미 작동하는 전자 현미경을 처음으로 설계했다. 그러나 노벨상으로 공로를 인정받는데는 50년 이상을 기다려야 했다.

루스카가 1986년에 노벨상을 받을 때 게르드 비닝(Gerd Binning)과 하인리히 로흐러(Heinrich Rohrer)가 공동으로 그 해 노벨물리학상을 수상했다. 비닝과 로흐러는 극히 높은 해상도를 가지는 사진을 얻기 위해 완전히 다른 방법을 사용했다. 그들의 방법은 고체의 표면에서 아주 가까운 거리(약 1 nm)에서 움직이는 바늘끝이 움직이면 아주 얇은 금속 바늘끝에서 표면의 원자로 전자가 터널링한다는 것에 기초를 두고 있고 고체의 표면을 보는데 적용할 수 있다. 터널링 전류를 일정하게 유지함으로써 움직이는 바늘끝을 표면의 형세를 따라가게 만들어 관심있는 영역을 훑어 사진으로 얻을 수 있다. 이 기술을 사용하면 표면에 있는 단 하나의 원자도 볼 수 있게 된다.

전파통신은 20세기에 이룬 가장 위대한 기술적 성취의 하나이다. 구글리엘모 마르코니(Guglielmo Marconi)는 1890년대에 새롭게 발명된 헤르쯔 파를 가지고 실험을 했다. 그는 진도기의 한 끝을 땅에 연결하고 다른 끝을 높은 수직 전선, 즉 수신소에 배열된 것과 비슷한 안테나에 연결한 첫 번째 사람이었다. 헤르쯔의 원래 실험은 실험실 안에서만 이루어진 반면 마르코니는 수 킬로미터의 거리에서 신호를 전달하는 데까지 실험을 확장했다. 카를 페르디난드 브라운(Carl Ferdinand Braun)에 의해 한층 더 개선되었는데, 그는 헤르쯔 진동기에 공명회로를 도입했다. 외부로 나가는 진동을 상대적으로 덜 감쇠하게 만들고 파장을 동조시키는 것은 통신 범위를 한층 증가하게 했다. 1901년에 마르코니가 대서양을 가로질러 전파를 연결하는 것에 성공했다. 마르코니와 브라운은 1909년 물리학상을 받았다.

이 단계에서는 전파가 자유 공간을 직진하는 빛과 같은 성질을 가진다는 것은 기억하면서도 어떻게 전파가 먼 곳까지 닿게 할 수 있는지를 이해한 것은 아니었다. 에드워드 뷔. 애플래톤 경(Sir Edward V. Appleton)이 헤뷔사이드(Heaviside)와 케넬리(Kennelly)가 일찍이 제안했던 대로 전파가 대기의 여러 전도 층에서 반사된다는 것이 옳은 설명이라는 것을 실험적으로 증명했다. 애플래톤은 원 전파와 반사 전파가 다양한 파장에서 간섭한다는 것을 측정하여 헤뷔사이드 층의 높이를 결정할 수 있었다. 그는 더 높은 곳에서 그의 이름을 딴 새로운 전도층을 발견했다. 애플래톤은 1947년에 노벨상을 받았다.

핵물리학과 입자물리학에서의 발전은 첨단기술에 강하게 의존해왔다. 그리고 때로는 첨단기술을 발전시키는 원동력이 이들 학문에 의해 만들어지기도 했다. 이러한 것은 선형 정전기 가속기를 만든 코크로프트와 월튼이나 싸이클로트론을 개발했던 로뤤스의 업적에서 잘 알 수 있다. 높은 에너지의 입자를 감지하는 것도 기술적 도전이었고 그 성공에 몇 개의 노벨상이 주어졌다.

1958년의 노벨물리학상은 파벨 에이. 체렌코프와 일자 엠. 프랭크, 이고르 와이. 탐에게 공동으로 수여됐는데, 그들의 업적은 체렌코프 효과를 발견하고 해석한 것이었다. 전하를 가지는 입자의 경로 둘레에서 특정한 각도를 가지는 원뿔 영역 안에서는 입자의 속도가 움직이는 매질의 빛 속도를 넘어서면 빛이 방출된다는 것이다. 이 원뿔각이 입자의 속도를 결정하는 데 사용된다. 이 세 명의 물리학자들의 업적은 곧 유용한 감지기 발전의 기초가 되었다.

핵반응에 참가하는 입자들의 경로를 눈으로 보는 것은 높은 에너지에서 일어나는 일들을 올바르게 해석하는데 필요한 것이었다. 상대적으로 낮은 에너지에서 했던 초기의 실험에서는 사진 감광액에 남은 흔적을 사용했다. 찰스 티.알. 윌슨(Charles T.R. Wilson)은 입자가 움직여 가고 난 뒤에 이온화 된 기체의 흔적을 남김으로써 입자를 볼 수 있게 하는 상자를 개발했다. 윌슨 상자에서는 기체가 갑자기 팽창하도록 만들어졌다. 기체의 팽창으로 온도가 낮아지고 이온화 된 지점 주위의 증기가 응축되도록 한다. 응축된 방울들이 강한 빛에서 사진으로 찍힌다. 윌슨은 1927년에 콤프톤과 함께 노벨상을 받았다.

한참 뒤에 도널드 에이. 글레이저(Donald A. Glaser)가 ‘거품상자‘를 만들었을 때 같은 방향으로 한 걸음 더 나아갈 수 있게 되었다. 1950년대에 가속기는 20에서 30 GeV (10억 전자볼트)의 에너지를 만들어 내게 되었고 이전의 방법은 더 이상 적당하지 않게 되었다. 기체에서의 경로 길이가 윌슨 상자보다 지나쳤다. 액체수소를 담은 거품상자 안의 원자핵들은 표적으로 사용되고 있고 만들어진 입자의 궤적이 따라 나올 수 있다. 작동 온도에서 액체는 비등점 이상으로 과열되고 이온화 영역 같은 어떤 불연속도 곧장 작은 거품을 만들어 내게 된다. 근본적인 개선이 루이스 더블유. 알봐뤠쯔(Luis W. Alvarez)에 의해 이루어졌는데 특히 기록 기술과 자료 분석에 관련되어 있다. 이 업적은 알려진 기초입자의 수가 급격히 팽창하는 것, 특히 ’공명‘이라 불리는 상태가 알려지는데 기여했다. 나중에 그것이 쿼크와 글루온으로 구성된 시스템의 들뜬 상태라고 이해되었다. 글레이저는 1960년에 노벨상을 받았고 알봐뤠쯔는 1968년에 상을 받았다.

나중에 전자감지 시스템에 자리를 내주긴 했지만, 80년대 말경까지 거품상자는 모든 높은 에너지 물리학 실험실의 쓸모 있는 일꾼이었다. 감지기 개발에 있어서의 가장 최근 단계가 1992년 노벨상을 받은 조지 차팩(Georges Charpak)의 연구였다. 그는 기체 내에서의 이온화 과정을 자세하게 연구하여 ‘전선 상자’를 고안해냈다. 전선 상자는 이온화 지점 근처의 전기 신호를 잡아내는 전선을 조밀하게 채워 입자의 경로를 따라가도록 만든 기체를 채운 감지기이다. 전선 상자와 그 아류들, 시간-투영 상자, 또는 전선 상자/방사선발광물질(신틸레이터)/체렌코프 감지기의 거대한 배열 등을 묶어 복잡한 시스템을 만들어 무거운 쿼크 생산같은 극히 드물게 일어나는 사건들을 선택적으로 찾는 것이 가능해졌다. 보통 그러한 사건은 주변의 다른 배경 신호들에 감추어져 있다.

21세기 마지막 노벨상은 잭 에스. 킬비에게 돌아갔는데, 현재 정보기술의 기초를 다진 공로가 인정되었다. 1958년에 킬비는 한 개의 반도체 물질 구역에 모든 전자 요소를 만드는 집적 회로, 즉 나중에 ‘칩’이라 불리는 것을 처음으로 만들었다. 이것이 전자회로를 소형화하고 대량생산으로 나가게 하는 길을 열었다. 복합구조에 기초한 요소를 개발하는 것과 조합하여 현재 우리사회를 재조정하는 이른바 ‘아이티(IT)-혁명’으로 이끌었다.