노벨상을 말하다

2001 수상자 정보

2001 수상 업적

The Nobel Prize in Physics 2001 was awarded jointly to Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle and Carl E. Wieman “for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates”.
2001년 노벨 물리학상은 “희석된 알칼리 원자 기체의 보스―아인슈타인 응축의 업적, 그리고 응축 속성에 대한 기초적 연구”로 에릭 코넬, 볼프강 케테를, 칼 위먼에게 공동 수여되었습니다.

2001 수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

약 70여 년전 보스와 아인슈타인은 올해의 노벨 물리학상을 가능케 한 물질의 새로운 상태에 대한 이론적인 예측을 했습니다. 올해의 수상자들이 만들어 낸 물질의 새로운 상태는 이른바 보스―아인슈타인 응축상태입니다. 보통의 물질과 보스―아인슈타인 응축물의 관계는 전구에서 나오는 빛과 레이저 빛 사이의 관계와 유사합니다.

세계는 상호작용하는 입자와 파동으로 구성되어 있습니다. 물리적 실재에 대해 보통 우리는 파동과 입자를 쉽게 구분할 수 있다고 확신합니다. 그러나 실제로는 파동과 입자가 자신의 정체성을 바꾸기도 합니다. 빛의 파동은 광양자라는 질량이 없는 입자의 흐름으로 간주될 수 있고 물질 입자들은 때로는 파동과 같은 성질을 가집니다. 일반적으로 원자에 해당하는 파장은 극히 짧아 파동성을 관찰할 수 없습니다. 그렇지만 원자들이 매우 천천히 움직인다면 우리는 원자의 파동성도 관찰할 수 있습니다. 아인슈타인은 만약 기체가 매우 낮은 온도로 냉각된다면 모든 원자들이 가장 낮은 에너지 상태로 모일 수 있을 것이라고 예측했습니다. 매우 낮은 온도에서 개별 원자의 파동, 즉 물질파는 이제 하나의 파동으로 합쳐집니다. 이렇게 되면 원자들은 말 그대로 같은 음으로 노래를 부른다고 할 수 있습니다. 수천 개의 원자들은 하나의 큰 초원자처럼 행동합니다. 이것이 바로 보스―아인슈타인 응축입니다. 그러나 이 현상은 보손이라 불리는 특별한 유형의 입자에서만 일어날 수 있습니다. 전자는 다른 유형의 대표적인 입자입니다. 전자들은 전혀 사교적이지 않아 절대로 동일한 상태에 놓여 있지 않고 동일한 방식으로 행동하려고 하지 않습니다. 대신 전자들은 원자의 복잡한 전자껍질을 만들어 원소의 주기적인 시스템을 구성합니다.

보스―아인슈타인 응축을 만들기 위해서는 원자기체의 속도가 절대온도 0도보다 수백만 분의 1도 이상 높지 않아야 합니다. 1997년 노벨상 수상자들은 레이저를 사용해 원자기체를 냉각하고 포획할 수 있는 효과적인 방법을 개발했습니다. 그러나 보스―아인슈타인응축을 만들기는 여전히 매우 어려워 많은 연구자들은 실패에 실패를 거듭했지만 칼 위먼 교수는 성공적인 방법을 개발했습니다. 그는 이른바 자기광학 원자포획법으로 알칼리 금속을 레이저로 냉각시켰습니다. 그리고 증발냉각을 통해 원자의 속도를 계속 줄여 나갔습니다. 증발냉각법은 가장 빠른 속도를 가진 원자를 체계적으로 제거하는 방법입니다. 콜로라도 대학교 연구팀의 다방면에 걸친 노력 끝에 에릭 코넬 교수가 응축을 방해하는 마지막 남은 문제를 해결함으로써 루비듐원자를 사용한 성공적인 실험이 1995년에 보고되었습니다.

볼프강 케테를레 교수는 코넬 교수, 위먼 교수와 독립적으로 연구를 진행하여 이들보다 넉 달 늦게 레이저로 냉각된 나트륨 원자의 커다란 보스―아인슈타인 응축물을 보고했습니다. 케테를레 교수는 나트륨원자의 응축물이 보스―아인슈타인 이론에서 예측하는 단일한 결맞은 파로써 거동한다는 것을 입증하였습니다. 그의 실험은 두 개의 돌멩이를 잔잔한 물의 표면에 던졌을 때, 돌멩이가 만든 서로의 파동이 상호작용해 체계적인 방식으로 강화되고 약화되는 현상과 비슷합니다. 즉 물의 파동에서 보이는 간섭무늬와 비슷합니다. 이러한 결맞은 파동의 간섭무늬는 결맞지 않은 파동, 예를 들면 모래 두 움큼을 물에 던졌을 때 일어나는 현상과는 대조적입니다. 케테를레 교수는 응축물로부터 결맞은 물질의 빔을 추출할 수 있었으며 그 결과 최초의 원자레이저를 만들 수 있었습니다. 보통의 레이저가 결맞은 빛의 흐름을 만들어 낸다면 원자 레이저는 결맞은 물질의 흐름을 만들어 내는 것입니다.

결맞지 않은 원자들로 구성된 기체가 보스―아인슈타인 응축물이 되는 것은 마치 다른 음조와 다른 목재로 만들어진 오케스트라의 여러 악기가 개별적으로 워밍업을 한 후 모두 같은 음조로 만나는 것에 비견될 수 있습니다.올해 수상자들의 선구적인 실험 후, 오늘날 20곳이 넘는 연구팀에서 보스―아인슈타인 응축물을 만들었습니다. 우리는 보스―아인슈타인 응축물을 사용한 많은 환상적인 응용들을 생각해 볼 수 있습니다. 느린 원자를 사용한 측정은 대단히 놀라운 수준의 정확도를 가질 것입니다. 아마도 우리가 오늘날 자연상수라고 생각하는 값이 정말 상수라는 것을 보일 수도 있습니다. 물질을 새로운 상태로 제어하는 보스―아인슈타인 응축물은 지금은 예상하기 힘든 분야에서 실질적인 응용이 이루어질 것입니다. 예를 들면 식각과 나노기술과 같은 분야에 말입니다.

코넬 교수님, 케테를레 교수님, 그리고 위먼 교수님. 여러분들의 보스―아인슈타인응축에 대한 선구적인 업적은 매우 결실이 풍부하고 잠재적으로 응용 가능성이 높은 연구 분야를 새로 열었습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대신하여 여러분 위대한 성취를 축하드립니다. 이제 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 순 스반메리