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[2005 노벨 물리학상 소개, 미국 하버드대학의 Roy J. Glauber(1925-)는 광학응집(결집, 결맞음)의 양자이론을 세운 공로로(for his contribution to the quantum theory of optical coherence) 총 상금의 1/2을 수상하게 되었으며, 미국 콜로라도 대학 및 JILA과 NIST 연구원인 John L. Hall(1934-)과 독일 막스 플랑크 연구소(Max-Planck-Institut) 의 Theodor W. Hansch(1941-)는 광학주파수콤기술(광학 주파수를 빗으로 빗듯이 통제조절하는 기술)을 포함한 레이저베이스 정밀 분광학(기)을 개발한 공로로(for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique) 나머지 반의 상금을 1/4씩 수상하게 됨, 수상 내용을 한 마디로 요약한다면 이번 3분의 공로는 그간의 맥스웰과 아인슈타인의 양자역학(Quantum Mechanics)을 양자광학(Quantum Optics)으로 발전, 쉽게 말하면 맥스웰과 아인슈타인의 공로는 태양의 일반 빛(Light)이나 금속에서 나오는(예, 백열등) 빛(Light)을 대상으로 연구한 반면 이들은 이들 빛을 마음대로 조절할 수 있는 양자광학, 즉, 통제조절이 불가능한 일반 빛과는 달리 통제조절이 가능한 레이저 빛에 대한 이론 및 실용성(예, 레이저 광학기기, 원자시계, GPS 정밀 측정 및 통신 기술 등등)을 연구하여 수상(25/Oct/2005)]

2005년 10월 4일 스웨덴의 노벨상위원회가 발표한 올해의 노벨 물리학상(Nobel Prize in Physics)의 수상 내용을 한 마디로 요약한다면 이번 3분의 공로는 그간의 맥스웰과 아인슈타인의 양자역학(Quantum Mechanics)을 양자광학(Quantum Optics)으로 발전 시켰다는 것이다. 쉽게 말하면 맥스웰과 아인슈타인의 공로는 태양의 일반 빛(Light)이나 금속에서 나오는(예, 백열등) 빛(Light)을 대상으로 연구한 반면 이들은 이들 빛을 마음대로 조절할 수 있는 양자광학, 즉, 통제조절이 불가능한 일반 빛과는 달리 통제조절이 가능한 레이저 빛에 대한 이론 및 실용성(예, 레이저 광학기기, 원자시계, GPS 정밀 측정 및 통신기술 등등)을 연구했다는 내용이다.

미국 하버드대학의 Roy J. Glauber(1925-)는 광학응집(결집, 결맞음)의 양자이론을 세운 공로로(for his contribution to the quantum theory of optical coherence) 총 상금의 1/2을 수상하게 되었으며, 미국 콜로라도 대학 및 JILA과 NIST 연구원인 John L. Hall(1934-)과 독일 막스 플랑크 연구소(Max-Planck-Institut) 의 Theodor W. Hansch(1941-)는 광학주파수콤기술(광학 주파수를 빗으로 빗듯이 통제조절하는 기술)을 포함한 레이저베이스 정밀 분광학(기)을 개발한 공로로(for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique) 나머지 반의 상금을 1/4씩 수상하게 된 것이다. 

[그림 : 2005 노벨물리학상 수상 3인의 사진. 사진 : 노벨상위원회]
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[목차]

1. 맥스웰방정식(Maxwell's equations) - 빛은 바로 전자기력의 전자기파
2. 양자역학(Quantum mechanics), 빛은 입자이면서 파동
3. 양자집단행동의 규칙 - 보손(Bosons)들의 양자 동조(Quantum Sync) 상태
4. 보스-아인슈타인 응축(The Bose-Einstein Condensate, BEC)
5. 레이저(Laser)란? 1964년 레이저의 전신인 메이저발견, 1981년 레이저 분광학 기술 - 노벨물리학상 수상
6. 레이저의 원리? 원자로부터 빛의 방출을 유도
7. 레이저의 원리? 빛의 증폭
8. 2005 노벨물리학상 수상 내역
8-1. 맥스웰과 아인슈타인의 이론이 기초
8-2. 백열등 빛과 레이저 빛의 차이점 규명
8-3. 양자동조된 빛 연구로 노벨상 받은 과학자들
8-4. 레이저와 양자광학의 응용
8-5. 원자 시계와 GPS 기술
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1. 맥스웰방정식(Maxwell's equations) - 빛은 바로 전자기력의 전자기파

영국의 맥스웰(James Clerm Maxwell, 1831.6.13~1879.11.5)은 1850년 대부터 빛을 연구하여 1873년 맥스웰방정식(전자기방정식)을 도출하여 전자기파의 전파속도가 광속도와 같고, 전자기파가 횡파라는 사실도 밝힘으로써 빛의 전자기파설의 기초를 세웠다. 전기현상과 자기현상이 독립된 현상이 아니라 하나의 전자기 현상임을 밝힌 것이다. 즉, 그는 전기와 자기 현상에 관한 법칙들을 종합하여 맥스웰 방정식으로 표현함으로써 이 두 현상이 서로 독립된 현상이 아니라 전자기 현상이라는 한가지 현상의 두 측면임을 알게되었다. 그래서 전기력과 자기력도 서로 다른 독립된 두가지 종류의 상호작용이 아니라 전자기력이라는 한가지 상호작용의 두가지 측면임을 알게 되었다. 그리고 전자기 현상의 이 두가지 측면이 바로 전기장과 자기장이 공간에서 전달되어 나가는 전자기파의 생성 원리가 되는 것이다. 빛은 바로 전자기파이었던 것이다.

2. 양자역학(Quantum mechanics), 빛은 입자이면서 파동

양자역학이란 물질과 에너지가 불연속적이라는 분야를 다룬다. 독일 베를린 대학의 막스 플랑크(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947)는 에너지가 작은 덩어리(energy quanta)라 하여 붉게 달아오른 물체가 빛을 특정한 패턴으로 방사하는 현상을 설명했다(1918년 노벨 물리학상 수상). 독일 및 스위스의 아인슈타인(Albert Einstein, 1879-1955)은 광전 현상을 설명하기 위해 오늘날 광자라 불리는 광양자를 가정하여 어떤 금속에 빛을 쪼이면 전자가 방출되는 현상인 광전효과(the law of photoelectric effect)를 설명했다(광전효과로 1921년 노벨 물리학상 수상). 덴마크 코펜하겐 대학의 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885-1962)는 전자가 불연속적인 회전 궤도에 묶여 있다(원자의 모형)고 했다. 이로부터 닐스 보어는 들뜬 수소 원자가 방출하는(radiation emanating) 유색 광선의 스펙트럼 분포를 계산해냈다(1922년 노벨 물리학상 수상).

[참고] 지난 70년간 물리학자들은 양자역학의 기초를 일반 대중에게 설명하기 위해 노력해왔다. 하지만 다음의 책보다 이를 더 잘 설명한 것은 없다. Brian Greene, The Elegant Universe, Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Universe Theory, (New York, W.W. Norton and Company, 1999). 그리고 한국의 일반인들에게 쉽게 설명한 책은 고려대 물리학과 교수인 양형진 교수가 쓴, 양형진의 과학으로 세상 보기(굿모닝 미디어, 2004)를 한번 읽어 보라.

이로부터 양자이론의 후기 개념은 빛은 어떤 때는 입자로, 어떤 때는 파동으로 행동한다. 전자나 원자를 포함해 모든 양자들은 마찬가지로 행동한다. 심지어 텅빈 공간(진공)도 정말 비어 있는 것이 아니라 입자와 반입자들이 갑자기 출현했다 사라지는 격량의 공간이다. 양자 이론의 기이함을 한마디로 요약한다면 1927년 독일의 베르너 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901-1976)의 불확정성 원리(Uncertainty principle)로 표현할 수 있다(1932년 노벨 물리학상 수상). 전자의 위치와 속도를 동시에 측정할 수 없다는 것이다. 전자의 위치를 더 정확히 측정하면 할수록 측정하는 순간의 운동량(전자의 질량과 속도를 곱한 양)은 더 덜 정확히 알게 되며, 전자의 운동량을 더 정확히 측정하면 할 수록 그 순간의 전자의 위치는 더 덜 정확히 알게 된다(The more precisely the position is determined, the less precisely the momentum is known in this instant, and vice versa. --Heisenberg, uncertainty paper, 1927)고 했다. 즉 두 가지를 모두 가질 수 없다는 것이다.

3. 양자집단행동의 규칙 - 보손(Bosons)들의 양자 동조(Quantum Sync) 상태

모든 양자 입자는 페르미온(fermions)와 보손(bosons)으로 구분된다. 페르미온은 물질을 이루는 기본 입자이고 보손은 매개 입자(carrier particles) 또는 전령 입자(힘 입자)라 한다. 그러므로 페르미온은 파울리(Wolfgang Pauli, 1900.4.25~1958.12.15, 배타원리로 1945년 노벨 물리학상 수상)의 배타 원리(Exclusion Principle, Pauli Principle)라 불리는 규칙인 다수의 전자(電子)를 포함하는 계(系)에서 2개 이상의 전자가 같은 양자상태(量子狀態)를 취하지 않는다는 법칙을 따라 서로를 기피한다. 둘이 동시에 같은 양자 상태에 있을 수 없다. 이 배타원리에 따라 주기율표의 구조에서 원자 간 화학 결합의 규칙이나 자석의 행동에 관한 규칙이 탄생했다. 보손은 페르미온과 반대되는 특징인 모이기를 좋아한다. 동시에 같은 양자상태에 얼마든지 많은 보손이 있을 수 있다. 많이 모여 있으면 있을수록 다른 보손을 끌어 당기는 힘이 더 강하다. 즉 보손은 타고난 결합성과 친화성을 갖고 있다. 쉽게 말하면 보손은 함께 노래 부르기를 좋아한다.

[참고] 보손들의 양자 동조 상태에 대해서는, 소입자들(elementary particles)의 물리학 이론인 양자 전기역학(quantum electrodynamics)을 연구한 공로로 1965년 노벨 물리학상을 수상한 Richard P. Feynman(1918-1988)과 그의 동료들이 지은 책인, Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, and Matthew Sands, The Feynman Lectures on Physics, Volume III : Quantum Mechanics(Reading, Massachusetts : Addison-Wesley, 1965) 의 제 4장을 보면 페르미온, 보손, 파울리의 배타 원리, 보손은 왜 집단을 이루기를 좋아하는가? 보스 통계학(Bose Statistics)에서 플랑크 흑체 복사 이론 유도하기 등이 설명되어 있다.

양자들간의 이 같은 합창을 처음으로 인식한 사람은 아인슈타인이다. 1924년에 아인슈타인은 이름없는 인도의 물리학자 사티엔드라 나드 보스(Satyendra Nath Bose, 1894-1974)에게서 편지를 한 통 받았는데, 서로 구별되지 않는 양자 입자가 취할 수 있는 다양한 에너지 수준을 모두 열거하는 과정에서 보스는 새로운 계산 규칙을 가정했던 것이다. 보스는 말하기를 대상을 구별할 수 없다면 계산 방법을 달리해야 한다는 것이었다. 사실 보스는 자신이 새로운 접근 방법을 택했다는 사실을 전혀 의식하지 못했었다고 몇 년 후에 고백했다. 아인슈타인은 보스의 방법을 집단 행동으로 확장해서 적용했다. 보스가 순수한 광자로 이루어진 복사에만 관심을 집중했던 데 비해 아인슈타인은 그의 이론을 원자를 위시한 질량을 가진 모든 입자에까지 확장 적용했다. 즉, 이 같은 보손들은 충분히 냉각하면 일종의 양자 동조(Quantum Sync) 상태를 보이게 되는 것이다. 모두가 하나처럼 행동하게 된다. 입자들이 독자성을 모두 잃어버리고 서로 구별이 불가능한 무언가로 합쳐 진다는 것이다. 그 결과로 나오는 것은 고체도 아니고 액체도 아닌 그 무엇이 된다는 말이다. 한마디로 말해 충분히 낮은 온도에서는 엄청나게 많은 수의 보손들이 한 덩어리로 융합될 수 있다는 것이다.

4. 보스-아인슈타인 응축(The Bose-Einstein Condensate, BEC)

온도가 내려가면 보손이 서로 뒤섞이기 시작한다. 이런 현상이 일어나자 아인슈타인은 말하기를 대부분의 보손들이 동일한 양자 상태인 가장 에너지가 낮은 상태로 자발적으로 붕괴한다고 했다. 그러나 아인슈타인조차도 이 같은 예측을 가지고 무엇을 해야 할지 몰랐다. 1924년 겨울 아인슈타인은 오스트리아 빈 출신의 네덜란드 이론물리학자인 친구 파울 에렌페스트(Paul Ehrenfest, 1880~1933)에게 보내는 편지에 "이론은 아름답다. 하지만 거기에 진실도 좀 들어 있는 것일까?" 라고 썼다.

1924년 아인슈타인이 수학적 개념을 정립한지 71년이 지난 후인 1995년 콜로라도 주 볼더시의 콜로라도 대학 실험실에서 아인슈타인의 상상이 실제로 탄생했다. 자기장과 기화 냉각, 그리고 레이저를 사용해서 에릭 코넬(Eric A. Cornell, 1961-)과 칼 위먼(Carl E. Wieman, 1951-)이 금속 원소의 하나인 루비듐(Rubidium, Rb) 2000개의 원자의 희박한 가스를 절대 온도 0도에 1억분의 2도 이내로 접근 시켰다(20 nK(nanokelvin), i.e. 0.00000002 degrees above absolute zero). 전문적인 저온물리학자들도 놀라서 숨을 들으킬 만큼 낮은 온도를 실현하는데 성공한 것이다. 이 실험이 이룬 기술적 업적은 이 같은 극저온(Ultracold)에 도달한 것에 그치지 않는다. 어떤 물질이 새롭고 이상한 상태에 도달하기 전에 약화하거나 결정화하지 않도록 하는 것도 엄청난 일이다. 이 조건 때문에 가스의 농도는 극도로 희박해야 했다. 가스의 원자들이 상호 작용을 거의 할 수 없도록 하기 위해서이다. 이 같은 극단적인 조건 아래서 수천 개의 원자들이 단 하나처럼 통일해서 행동하는 것이었다. 2001년에 에릭 코넬과 칼 위먼, 그리고 미국 MIT 공대의 Wolfgang Ketterle(1957-)은 보스-아인슈타인 응축을 실제 보여준 공로로(for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates) 노벨 물리학상을 수상했다. 스웨덴의 노벨상 위원회는 보도자료에서 이들은 원자들을 '통일해서 노래 부르게(sing in unison) 만드는데 성공했다'는 표현을 썼다.

이와 같은 보스-아인슈타인 응축을 따르는 입자들은 동일한 하나의 에너지 상태를 차지할 수 있는 특성을 가지기 때문에, 레이저광의 응집된 흐름과 초유체(超流體) 상태, 초고체 상태, 헬륨의 마찰 없는 유동(流動), 초전류(Supercurrent), 초전도(Superconductivity) 등의 현상이 일어난다. 모든 파동들이 완전히 일치하는 것이다. 파동의 골과 마루가 일치하는 이 같은 현상을 물리학자들은 위상 일치(Superposition) 또는 양자 동조(Quantum Sync)라고 부른다.

5. 레이저(Laser)란? 1964년 레이저의 전신인 메이저발견, 1981년 레이저 분광학 기술 - 노벨물리학상 수상

동조를 이용한 과학기술이 바로 레이저이다. 오늘날 일상생활에 활용되는 레이저 각막 수술이나 CD 플레이어나 슈퍼 마켓의 바코드 판독기(Reader) 모두 레이저 기술을 활용하는 것이다. 가지런하면서도 밀집된 빛이 바늘처럼 가늘게 쏘아지는 레이저는 수조 개의 원자들이 동조 상태에서 발산하는 빛의 파장(wave)이다. 원자 자체는 보통 전구에 있는 것과 다르지 않다. 비결은 원자들이 협동하는 방식에 있다.

레이저는 색과 위상이 다른 빛들의 불협화음과는 다르다. 동일한 악보에 맞춰 부르는 합창처럼 색도 위상도 똑 같다. 레이저는 밀도를 엄청나게 높일 수 있고 아주 좁은 다발 속으로 이동시키고, 아주 좁은 장소에 집중시킬 수 있다. 이와 대조적으로 보통의 빛은 밀도를 높이려면 거의 불가능할 정도로 많은 에너지가 필요하다. 확산되어서 급속히 약해져버리는 탓에 초점을 맞추기가 어렵기 때문이다.

레이저는 이처럼 장점이 많기 때문에 통제하고 조작하기가 쉽다. 예컨데 외과용 레이저를 쓰면 어떤 수술용 메스 끝보다 작은 점에 에너지를 집중시킬 수 있다. 따라서 다른 방법으로 접근이 불가능한 병든 조직을 처리할 수 있다. 게다가 레이저 수술을 하면 출혈이 거의 없다. 절개와 동시에 그 부위를 지져버리기 때문이다.

레이저가 발견된 것은 훨씬 전이지만 어떤 쓸모가 있는지는 오랫동안 알지 못했었다. 이를 두고 어떤 사람은 '문제를 찾고 있는 해답'이라고 표현하기도 했다. 레이저는 기초분야의 연구, 동조된 빛에 대한 순수한 지적 호기심의 결과로 태어난 자식이기 때문이다. 레이저는 미국 하버드대의 Nicolaas Bloembergen(1920-)와 스탠포드대학 및 Bell-Labs의 아서 숄로(Arthur Leonard Schawlow, 1921-1999)가 레이저 분광학을 발전시키는 공로(for their contribution to the development of laser spectroscopy)로 1981년 노벨 물리학상을 수상했다.

하지만 이보다 앞서 미국 MIT 공대의 찰스 타운스(Charles Hard Townes, 1915-)는 빛의 유도방출이라는 아인슈타인의 생각을 실제에 적용하는 방법을 생각해냈다. 그 결과 1954년 메이저(maser)라는 장치를 발명했다. 이게 레이저의 전신이다. 빛 대신에 초단파를 이용했으며 타운스는 어떤 일이 일어났는가에 대한 자신의 입장을 다음의 책에 써 넣았다. How the Laser Happened : Adventures of a Scientist(Oxford, England : Oxford Univ Press, 1999). 하지만 이들은 실제로 작동하는 최초의 레이저 장치를 만들지는 못했다. 최초의 제작자는 1960년 Hughes Research Labs 의 Theodore Maiman이다. 여하튼 찰스 타운스와 구 소련의 Nicolay Gennadiyevich Basov(1922-2001) 및 Aleksandr Mikhailovich Prokhorov(1916-2002)는 1964년 메이저-레이저 원칙에 따른 오실레이터(진동자) 및 증폭기의 구축을 유도하는 양자전자학분야의 기초 연구 공로로(for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle) 노벨 물리학상을 수상했다.

6. 레이저의 원리? 원자로부터 빛의 방출을 유도

토스트 기계를 켜면 전선이 붉게 달아오른다. 전류가 흐르면서 전선을 데우기 때문이다. 전선에 있는 원자는 열 때문에 에너지 수준이 높아진다. 뜨거워진 원자는 아주 짧은 시간이 지난 후에 가장 낮은 에너지 수준, 즉 바닥 상태로 떨어진다. 이때 원자는 광자(빛의 입자)를 방출함으로써 남는 에너지를 소모한다. 이 과정은 자발적인 방출이다. 뜨거운 전선이 붉은 것은 흥분한 원자가 자발적으로 붉은 광자를 많이 방출하기 때문이다.

하지만 레이저는 자발적 방출이 아니라 유도방출이다. 광자는 들떠 있는 원자에 부딪힐 때마다 두 배로 늘어나 빛의 양을 증폭시킨다. 레이저라는 뜻인 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation은 방출이 자발적인 것이 아니라 유도되었다는 뜻으로 원자에 광자가 부딪혀 새로운 광자를 내뱉게 했다는 뜻으로 유도 방출에 의한 빛의 증폭이라는 뜻이다. 여기서 가장 중요한 점은 새로 방출된 광자가 원래 부딛친 광자와 완전히 똑 같다는 사실이다. 광자들을 입자로 보지 않고 빛의 파장으로 본다면 완전히 동조된 파장이다. 두 광자는 골과 마루가 완전히 정렬되어 있어 색이나 방향, 위상이 동일하다.

아인슈타인은 1917년에 논리적으로 유도 방출이 있어야만 한다는 점을 발견했다. 그러나 누군가가 유도 방출을 이용해 레이저를 만드는 방법을 생각해내는 데는 그로부터 43년이 더 걸린 1960년에 가능했다. 원자들을 동시에 들뜨게 하는 방법은 가열하거나, 세게 부딪치거나 전하를 원자 사이로 흘려보내야 한다. 이와 같이 에너지를 투입하면 수많은 원자가 들뜬 상태가 된다.

7. 레이저의 원리? 빛의 증폭

레이저를 만들기 위해 두 번째로 필요한 조치는 빛을 증폭하는 것이다. 그래야 동일한 방향으로 움직이는 다발을 만들 수 있다. 그래서 원자들을 공진 터널에 넣어야 한다. 가늘고 긴 유리관을 적당한 원자나 분자로 이루어진 기체 혹은 루비 막대기로 채운다. 그리고 관의 양 끝에 거울을 설치한다. 전기 스위치를 넣으면 자발적인 방출이 연쇄반응을 일으킨다. 방출된 광자들은 유도방출을 일으켜서 광자를 하나씩 복제한다. 광자 쌍 중 많은 수는 유리관의 벽에 부딪혀 흡수되고 살아 남은 광자들은 양쪽 거울 사이에 반사되며 왕복하고 계속 증폭된다. 그 결과 광선은 증폭되어서 완전히 동조된 빛의 다발이 생긴다. 두 개의 거울 중 하나는 반사율이 100%보다 미세하게 작은 것으로 설치했기 때문에 빛들이 밖으로 나오게 된다. 밀도가 높으며 동조되어 있는 이 밖으로 나오는 다발의 빛을 레이저라고 하다.

이와 같은 레이저, 즉, 막대한 숫자의 광자를 동일한 양자 상태로 유도해서 거대한 단일광의 파동처럼 행동하게 만드는 것이 가능한 이유는 바로 보스-아인슈타인 응축에 따르는 서로 구별할 수 없는 입자이기 때문이다. 이 때 광자는 레이저를 만들기 위한 공간 속에서 무작위의 방향으로 날아간다. 거울 사이를 왕복하는 광자들은 서로 상대방을 강화시키면서 다른 광자들을 자신들과 같은 양자 상태가 되도록 이끌어들인다. 보손들은 원래 상호 친화력이 있기 때문에 이쪽 거울에서 저쪽 거울을 향해 반사될 때마다 광자들은 다음 광자들을 자신들의 파동 속으로 끌어들인다. 이 같은 연쇄반응이 바로 유도방출이다.

8. 2005 노벨물리학상 수상 내역

인간이 지구에 등장해 가장 처음으로 본 것은 빛(Light)이다. 또 인간이 태어나 가장 먼저 접하게 되는 것도 빛(Light)이다. 그래서 빛의 광학 현상(optical phenomena)에 매료돼(fascinated) 빛의 본질(the nature of light)을 밝히려는 인간의 노력은 줄곧 이어져왔다. 올해 노벨물리학상은 이 같은 노력의 산물인 위치추적시스템(GPS)과 미래기술로 불리는 레이저(Laser) 등 첨단 광학기기의 토대를 마련한 양자광학(Quantum Optics) 분야 과학자 세명에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원(노벨상위원회)는 2005년 10월 4일 레이저(Laser)에서 나오는 빛의 입자(광자)가 태양이나 백열등의 빛과 달리 동일한 주파수와 방향으로 움직임을 반복 한다(이를 양자 동조, Quantum Sync 라 한다)는 것을 밝힌 글라우버(Roy J. Glauber)와 이를 토대로 미세구조를 밝힐 수 있는 레이저 정밀 분광학(Laser-based precision spectroscopy)을 개발한 홀(John L. Hall) 및 헨슈(Theodor W. Hansch)를 올해 노벨물리학상 수상자로 공동 선정했다고 발표 했다. 레이저 베이스 정밀 분광학은 극도로 미세하고 정밀하게 원자나 분자들로부터 나오는 빛의 색깔까지 측정 결정할 수 있다.

8-1. 맥스웰과 아인슈타인의 이론이 기초

라디오 파(radio waves)처럼 빛도 전자기파(electromagnetic radiation)로 구성되어 있다. 맥스웰은 1850년 대에 전자기방정식(맥스웰방정식)을 통해 빛은 전자기파라는 것을 설명함으로써 그의 이론은 오늘날 송신기(transmitters)와 수신기(receivers) 베이스의 통신 기술(communication technology)에 활용되고 있다. 예를 들면 모바일 폰, 텔레비전, 라디오가 그것들이다. 수신자(a receiver)나 감지자(a detector)가 빛(전자기파)을 받으면 빛 에너지(radiation energy)는 흡수되고(absorb) 그 대신 신호를 방출(forward the signal)한다. 이 때 에너지들은 양자(quanta)라 불리는 다발 속에서 발생하는데, 이는 이미 아인슈타인의 광전효과에서 밝혔듯이 양자가 흡수되면 반드시 광전자(photoelectron)를 방출하게 된다. 이 프로세스는 빛의 입자인 광자(photons)들이 통신기기에 흡수될 때 등록되는 비간접적인 광전자들이다. 

[그림 : 고전물리학에서는 점자빔(레이저 빔)을 이중 슬릿에 통과 시켰을 때 빛은 입자이므로 스크린에는 두 개의 밝은 선이 나타나야 하지만, 양자 물리학에서는 a) 처럼 전자기파가 관찰되고 b) 처럼 입자들의 흐름으로 간섭 무늬(Interference pattern)가 나타난다. 따라서 빛은 바로 파동이며 입자들의 흐름인 것이다. 자료 : The Nobel Prize in Physics 2005 - Supplementary Information, 노벨상 위원회(2005)]

따라서 빛은 두 가지의 성질을 갖고 있는데 동시에 파장(waves)이며 입자들의 흐름(a stream of particles)이다. 글라우버(Roy J. Glauber)는 양자광학(Quantum Optics)이론을 세웠는데, 기존의 양자 이론(quantum theory)을 광학분야로 확대적용한 것이다. 그는 그의 이론에서 백열 등과 같은 뜨거운 빛과 레이저와의 기존적인 차이점을 설명해낸 것이다.

8-2. 백열등 빛과 레이저 빛의 차이점 규명

글라우버(Roy J. Glauber)는 백열등과 같이 열에 의한 광원에서 나오는 빛(hot sources of light such as light bulbs)과 레이저의 빛이 근본적으로 다르다는 것을 설명해냈다. 전구나 태양과 같이 가열된 물체에서 나오는 빛이 보통 사람들의 자유로운 걸음이라면 레이저는 마치 일사불란하게 행진하는 군인 행렬과 같다고 말한다. 즉, 양자동조를 밝혀낸 것이다. 즉 제멋대로 자유운동을 하는 일반 전구의 빛 입자와 달리 레이저의 입자는 모두  동일한 주기와 방향으로 운동한다는 근본적인 차이를 밝혀낸 것이다.

[그림 : 양자광학응집이론(Optical coherence). a) 는 응집(결맺음) 레이저 빔이고 b)는 그 반대의 레이저 빔이다. 응집된 a)의 경우 그림에서 보듯이 위상(phase), 파장(wavelength) 및 방향(direction)이 같다. 이는 바로 양자 동조된 레이저 빔이기 때문이다. 자료 : The Nobel Prize in Physics 2005 - Supplementary Information, 노벨상 위원회(2005)]

'양자광학적 결맞음 이론(Theory of Optical Coherence)'으로 불리는 글라우버 교수의 이론 덕택에 미래첨단 기술인 레이저의 특성을 수학적으로 설명할 수 있게 돼 빛을 일정 부분 통제조절할 수 있게 됐다. 글라우버의 이 같은 발견은 맥스웰과 아인슈타인에서 시작된 빛에 대한 역사적인 발견을 이어간다는 평가를 받고 있다.

홀(John L. Hall) 및 헨슈(Theodor W. Hansch)는 글라우버의 이론을 토대로 빛의 주파수를 정확하게 구분해 내는 정밀 분광 기술을 개발했다. 이들의 분광기술 덕택에 소수점 아래 15승 자리 수준까지(an accuracy of fifteen digits) 정확하게 빛의 주파수를 측정하는 것이 가능해졌다. 홀과 헨슈는 레이저를 이용해 빛의 색깔 차이를 정확하게 구별하게 함으로써 GPS(위치추적시스템)뿐 아니라 레이저를 이용한 다양한 정확한 원자시계 등의 연구가 가능하도록 기반을 마련했다. 이들이 개발한 레이저 기술은 바로 모든 빛의 색깔들을 정밀하게 읽고 측정할 수 있는 빗(comb)으로 주파수를 빗듯이 측정하는 Frequency Comb Technique이다. 위치 식별을 위해 위성은 우주에서 촬영한 사진을 보내는데 위치를 정확하게 식별하기 위해서는 위성이 보내온 정보의 미세한 색상(Colour) 차이를 정확하게 구별해야 하기 때문이다. 더욱 빠르고 정확한 통신을 위해서 빛을 원자와 분자단위까지 분석해 주파수를 의미하는 색깔을 구분할 수 있게 된 것이다. 즉, 레이저에 기반해 원자나 분자에서 나오는 빛의 색깔을 극도로 정밀하게 측정하는 방법을 개발한 것이다. 레이저 분광기는 펨토(femto, 1000조 분의 1)초 단위에서 이뤄지는 찰나의 자연현상을 레이저로 포착해 내는 수준까지 발전했다.

8-3. 양자동조된 빛 연구로 노벨상 받은 과학자들

빛을 적절히 이용하면 세계에서 가장 정확한 시계는 물론 길이를 정밀하게 측정할 수 있다. 오늘날과 같은 초고속 인터넷 역시 빛을 이용했기에 가능한 것이었다. 따라서 빛을 다루는 광학, 그 가운데서도 고전광학과 달리 빛을 파동이면서 입자로 보는 양자광학이 노벨상의 밑거름이 되고 있다.
 

8-4. 레이저와 양자광학의 응용

레이저의 역사는 50년이 채 안 되지만 레이저 기술을 포함해 여러 분야에서 빠른 속도로 상용화되고 있다. 안과수술, 장거리 통신, 광 레이더 등은 물론 광학실험으로도 이미 많이 사용되고 있다. 레이저의 동작원리는 양자광학 없이는 이해할 수 없다.

햇빛이나 백열전구, LED와 달리 레이저는 동일한 주기를 가진 빛의 광자들이 동일한 방향으로 움직이는 '결맞음성(양자응집, 양자동조)'을 가지는 것이 특징이다. 양자광학이란 빛 알갱이의 이 같은 결맞음성에 관한 연구를 포함한다. 레이저의 이같은 특성을 이용하면 빛과 물질간 빠른 상호작용을 알아낼 수 있어 미세 구조를 관찰하는 것이 가능해진다. 뿐만 아니다. 이러한 결맞음성을 이용하면 영화에서나 가능했던 양자 텔레포테이션(양자원격이동), 양자컴퓨터 그리고 양자암호에도 응용이 가능하다. 양자광학자에게 올해 노벨물리학상 영예가 돌아간 데 대해 전혀 놀랄 일은 아닌 것이다.

8-5. 원자 시계와 GPS 기술

오늘날 시간을 가장 정확하게 재주는 장치는 원자시계다. 원자시계는 주기적으로 발생하는 진동(주파수, 변화)을 재는 데 의존한다는 점에서 기존의 시계들과 같다. 다른 점은 세슘 원자가 고유 에너지 수준 사이를 재빨리 왕복하는 횟수를 잰다는 사실이다. 전 세계의 시각을 맞추는 것은 NIST-F1이라 불리는 세슘 슈퍼시계다. 미국 콜로라도주 볼더시에 있는 국립표준기술원(NIST)에서 제공하는 이 시계의 오차는 2000만 년에 1초도 채 되지 않는다. 현재 이보다 수천 배 정확한 시계를 개발 중이다. 이 시계는 우주가 시작된 이래 1초도 틀리지 않을 것이다.

시간을 정확하게 맞추려는 집착은 과학자들의 까다로움의 징표라는 것도 있겠지만 그 이상의 의미가 있다. 위도 문제를 해결하는 데도 역시 정확한 시간이 필요하기 때문이다. 오늘날 지구상의 어떤 지점에서든지 그 위치를 오차 몇 미터 이내로 정확하게 집어낼 수 있게 된 것은 이와 같은 동조된 레이저 빛을 이용한 원자시계 덕분이다. 이 기술은 위치추적시스템(GPS)으로 불린다. GPS는 당초 잠수함에서 탄도탄을 더 정확하게 발사할 수 있게 할 목적으로 미군에서 개발했다. 이 것이 대중의 관심을 끌게 된 것은 1991년 걸프전으로 크루즈미사일을 정확하게 유도해 바그다드를 정밀 폭격하고 연합군이 밤중에 이라크 사막에서 길을 정확하게 찾아가도록 해주었던 것이다.

길 잃은 렌터카 운전자를 도와주고 구급차나 소방차를 위해 최단 도로를 자동으로 계산해주도록 911 응급전화시스템을 강화시켰다. 미국은 911 테러 사건 이후 GPS의 개량된 버전으로 시계 제로인 짙은 안개 속에서 비행기를 착륙시키는 실험을 테스트중이다. 이때 항공기의 위치를 수직, 수평 오차 10센티미터 이내로 정확하게 파악하는 게 관건이다. 하지만 GPS는 항법 이상의 것이다. 시각을 100만분의 1초도 틀리지 않게 동조시켜줄 수 있기 때문이다.

GPS는 1만1천 마일 상공에서 6개의 궤도를 도는 위성 24개로 구성되어 있다. 이렇게 구성한 이유는 어느 시간, 지구상의 어느 장소라도 동시에 적어도 6개의 위성에서 볼 수 있도록 하기 위해서이다. 각 위성에는 원자시계 4개씩이 실려있다. 볼더시에 있는 슈퍼시계로 맞춰서 상호 간의 오차가 10억 분의 1초보다 작도록 동조시킨 시계들이다.

GPS 수신기는 비싼 자동차에 있든 휴대폰에 있든 모두 적어도 4개의 위성으로부터 신호를 받는다. 4개의 신호에 들어 있는 3차원적인  위치와 시각을 계산하는데 이용된다. 계산은 삼각법으로 각 위성은 나노초 단위까지 표시된 신호를 연속적으로 방출한다. 수신기는 신호가 발신된 시각과 도착된 시각을 비교한다. 시간 차에 빛의 속도를 곱하면(시간 x 빛의 속도 = 거리(공간) 수신기와 위성 사이의 거리를 알 수 있다. 위치가 정확하게 파악된 4대 이상의 위성에 대해서 동시에 이 같은 계산을 수행하면 10분의 1초 이내에 수신기의 위치를 오차 2-3미터로 정확하게 알 수 있다. 

[소스]

[NobelPrize.org - The Nobel Prize in Physics 2005 - Advanced Information - 02127-03-2005-TRM-14-E.PDF/575KB]
[NobelPrize.org - The Nobel Prize in Physics 2005 - Supplementary Information
(02127-04-2005-TRM-07-E.PDF/197KB]
[매일경제 - [커버스토리] GPSㆍ레이저기기 이론적 토대 마련(13/Oct/2005)]

[참고] [포항공대 권오대 교수팀, 나노 암페어(A)급의 극소전류로 구동되는 광(光)양자테 레이저(Photonic Quantum Ring Laser, PQR)들을 수백만-수억 개를 집적할 수 있는 오메가(광메가) 칩(Optical-Mega Chip) 개발, 기존의 광 반도체 칩보다 집적도를 1000배 이상 향상, 신호처리 성능도 1000배 이상 향상, 차세대 광접속 기술에 새로운 전기를 마련하는 차세대 광 접속기술, 방위각 인식능력을 갖고 있어 야광 나노 잠자리 눈으로 불리는 오메가 칩은 주행 차량인식, 차선인식, 충돌방지 능력 등의 기술을 접목해 지능형 교통정보 시스템(ITS)에 활용될 수 있으며 물류 자동화에도 기여할 것으로 예상, 또 전기소모량이 매우 낮아 기존 반도체 레이저와 발광다이오드(LED)를 대신해 조명, 도로교통 표지판, 휴대전화 등 활용(27/Sep/2005)]

키워드 : 2005 노벨 물리학상 소개, 미국 하버드대학의 Roy J. Glauber(1925-)는 광학응집(결집, 결맞음)의 양자이론을 세운 공로로(for his contribution to the quantum theory of optical coherence) 총 상금의 1/2을 수상하게 되었으며, 미국 콜로라도 대학 및 JILA과 NIST 연구원인 John L. Hall(1934-)과 독일 막스 플랑크 연구소(Max-Planck-Institut) 의 Theodor W. Hansch(1941-)는 광학주파수콤기술(광학 주파수를 빗으로 빗듯이 통제조절하는 기술)을 포함한 레이저베이스 정밀 분광학(기)을 개발한 공로로(for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique) 나머지 반의 상금을 1/4씩 수상하게 됨, 수상 내용을 한 마디로 요약한다면 이번 3분의 공로는 그간의 맥스웰과 아인슈타인의 양자역학(Quantum Mechanics)을 양자광학(Quantum Optics)으로 발전, 쉽게 말하면 맥스웰과 아인슈타인의 공로는 태양의 일반 빛(Light)이나 금속에서 나오는(예, 백열등) 빛(Light)을 대상으로 연구한 반면 이들은 이들 빛을 마음대로 조절할 수 있는 양자광학, 즉, 통제조절이 불가능한 일반 빛과는 달리 통제조절이 가능한 레이저 빛에 대한 이론 및 실용성(예, 레이저 광학기기, 원자시계, GPS 정밀 측정 및 통신 기술 등등)을 연구하여 수상