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노벨상인물

밸 피치 Val Fitch

밸 피치 [이미지]
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BNL (브룩헤이븐 국립 연구소)
  • 작성 2015-12-17
  • 조회 3,046
  • 출생1923-03-10
  • 국적 미국
  • 분야물리학
  • 소속브룩헤이븐 연구소
  • 출신대학컬럼비아대학교 대학원 물리학 박사
  • 주요업적중성자K메손의 분열 연구를 통한 대칭원리의 위배 발견
  • 수상노벨 물리학상(1980)
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인물정보

미국의 물리학자. 입자-반입자 변환과 패리티변환과의 곱[積]의 보존법칙을 깨뜨리는 현상이 있다는 것을 입증하여소립자론 뿐만 아니라 우주론의 전개에도 영향을 주었다.

1923년 3월 10일 미국 다코타의 큰 방목장의 세 명의 아이 중 막내로 태어났다. 그의 아버지 프레드 피치(Fred Fitch)는 목장을 경영했고 그의 어머니는 교사였다. 농장은 미국의 유명 명소와 도시와는 많이 떨어진 곳 이였고, 밸 피치가 태어난 직후 그의 아버지는 말을 타다 심각한 부상을 입었다. 몸을 자유롭게 움직일 수 없어 고된 활동을 할 수 없게 되자 그의 가족은 25마일이 떨어진 네브래스카 주 고든 지역으로 이사했다. 목장 소유권은 가족이 갖고 있었지만 운영은 다른 사람에게 맡겼다. 고든에 살고 있는 동안 밸 피치는 국립학교에 다니기 시작했다. 화학에 대한 흥미를 키워갔으나 2차 세계 대전 당시 군복무를 할 때 물리학으로 관심을 돌리게 되었다.

밸 피치에게 가장 큰 영향을 끼쳤던 시기는 전쟁 당시였다. 뉴맥시코 로스앨러모스로 배치를 받아 군복무 하던 중, 맨하튼 프로젝트에 가담하게 된다. 미국 정부는 1942년 추축국이 원자 무리를 계발에 다다랐다는 소식을 듣고 이에 대항하기 위해 이 프로젝트를 시행하였다. 미국 국군 엔지이어에서 운영되는 이 프로젝트는 독일이나 일본보다 전에 원자 핵폭탄을 설계했다. 촉망 받던 물리학자 로버트 오펜하이머(1904-1967)의 지도하에 앨라모사 연구소에서 첫 번째 A-폭탄 설계와 실험이 진행되었다.

로스 앨라모사에서 피치는 실험 물리학 기술을 배우며 총 3년을 보냈다. 이곳에 배정받은 동안 그의 미래 직업을 위해 넓은 세상으로 나가야 한다고 생각했다. 그의 생각을 따라 전기 기술과 새로운 현상을 측정하는 동안 새로운 기술을 사용할 수 있도록 한 교육적 실험을 배울 수 있었다. “마음의 자유를 허락하고 일에 있어서 새로운 방법을 찾으라”고 말했다. 군복무를 마치고 본격적으로 학업에 몰두하기 시작했다. 로스 앨라모사에 있는 동안 피치는 무기와 실험 물리학팀의 리더였던 로버트 버사(Robert Bacher)와 연구하게 되었지만 연구를 시작하려면 캐나다 퀘백에 있는 맥길 대학을 졸업하여 1948년 전기 엔지니어링 학사 학위를 받는다. 1954년 콜롬비아 대학에서 물리학 박사학위를 받았고 같은 해 뉴저지에 있는 프리스턴 대학에 교수단이 된다. 그 후 20년 동안 k중간자를 연구하는 대학원생들과 함께 연구했다. 이는 CP위반의 발견이라는 예상치 못한 발견에 까지 이르게 했다. 그의 연구는 대부분 너무 흥미로워 주목하지 않을 수 없는 것들이였다. 예상치 못한 발견은 그의 삶에 적용시켜 볼 수 있다. 그의 유년시절을 되돌아보면, 드넓은 목장에서 자란 그가 스웨덴 스톡홀름의 노벨 물리학상이라는 기대하지 않았던 결과를 안게 된 것이다.

피치는 입자 물리학자 제임스 크로닌과 함께 협동연구를 했다. 두 사람은 뉴욕 브룩헤이브룩에 있는 에이지싱크트론(AGS)을 이용하여 K0중간자의 속성을 연구했다. 1964년 그 일반성이 굳게 믿어지고 있던 입자-반입자 변환과 패리티변환과의 곱[積]의 보존법칙을 깨뜨리는 현상이 있다는 것을 J.W.크로닌 등과 공동으로 실험적으로 입증하였다. 이것은 그 후의 소립자론(素粒子論)뿐만 아니라 우주론(宇宙論)의 전개에도 영향을 주었다. 실험 중에 크로닌과 피치는 K중성자 위반 CP대칭이라 불리는 아원자 입자의 드문 사례들을 공개했다. 이것은 CP위배로 알려졌고 지구가 대칭적이라는 물리학의 핵심 신념을 뒤흔들어 놓았다. 후에 그들의 결과는 다른 연구소의 과학자들에 의해 수행된 실험이 비슷하다는 것이 확인 되었다. 1980년 이를 공로로 크로닌과 노벨상을 공동으로 수상했다.

<공동수상>

제임스 왓슨 크로닌(James Watson Cronin, 1931~)
미국의 핵물리학자. 메서디스트 대학교에서 공부하였으며, 1955년에 시카고 대학교에서 박사학위를 취득한 후, 1958년까지 뉴욕에 있는 브룩헤이먼 국립 연구소에서 근무하였다. 1958년부터 1971년까지 프린스턴 대학교의 교수로 재직하였으며, 1971년에 시카고 대학교 교수가 되었다. 국립 과학 아카데미 회원이다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

스웨덴 왕립과학원은 대칭원리의 위배를 발견한 실험의 공동 연구자인 제임스 크로닌 교수와 밸 피치 교수께 올해의 노벨 물리학상을 수여하기로 결정하였습니다. 이 실험은 1964년 미국의 브룩헤븐 국립연구소에서 수행한 것으로 소립자 중 하나인 중성 K메손의 붕괴에 관한 것입니다.

어느 날 저녁 갑자기 외계인들이 곧 지구에 착륙할 예정이고, 그들이 지구의 구성 물질에 대한 정보를 급히 필요로 한다는 텔레비전 뉴스가 방송된다고 상상해 봅시다. 외계인들이 알고 싶어 하는 것은 지구가 물질로 되어 있는지, 혹은 반물질로 되어 있는지 하는 것입니다. 이 두 종류의 물질은 서로를 완전히 상쇄시키는데, 그 외계 여행자들은 여행을 떠나기 전에 그들 자신의 것에 대한 조사를 마쳤다는 것입니다. 이 질문에 대한 대답은 그들의 삶과 죽음을 결정하는 대단히 중요한 문제입니다. 그 여행자들이 알고 싶은 것은 결국 지구상에서도 같은 조사를 했었는지 하는 것입니다. 크로닌과 피치 교수의 발견 덕분에 우리는 그들에게 명쾌한 답을 줄 수 있게 되었으며, 그들은 비참한 최후를 피할 수 있게 되었습니다. 이제 공상 과학 소설 속에서 현실로 돌아오겠습니다만, 다행히도 1964년 이전까지는 어떤 외계인도 방문하지 않았습니다.

대칭성은 과학의 대지침이며 대칭원리는 우리가 자연의 수학적 원리를 발견하는 데 도움을 주는 가이드 역할을 해왔습니다. 오늘 노벨상이 수여될 발견의 업적은 세 개의 거울대칭과 관련된 것입니다. 그중 하나는 보통의 거울 반사로서 오른쪽과 왼쪽을 맞바꾸는 것입니다. 다른 두 종류의 대칭은 시간과 전하의 반사로, 각각 전진과 후진을 맞바꾸는 것과 물질과 반물질을 맞바꾸는 것을 의미합니다. 전하의 경우는 양전하와 음전하를 바꾸는 것입니다.

공간에서 대칭성의 아름다움은 옛 알함브라 궁전의 화려한 장식에서부터 최근의 에스헤르의 정교한 목각 작품에 이르기까지, 베니스의 도게스 궁에서 스톡홀름 시의 청사에 이르기까지 예술과 건축의 영역에서 잘 드러납니다. 요한 세바스찬 바흐는 주제의 공간적 대비와 주제가 반대로 연주되는 시간적 대비를 모두 사용하는 절묘한 대칭을 통해 음악을 만들었습니다. 물리법칙들은 바흐의 곡 「캐논」을 닮았습니다. 그들은 공간적으로 그리고 시간적으로 대칭입니다. 즉 좌우를 구별할 수 없으며 전진과 후진을 구별할 수도 없습니다. 오랫동안 모든 사람들은 그래야만 한다고 생각해 왔습니다. 그러나 놀랍게도 그 예외가 밝혀졌습니다. 방사능 붕괴의 법칙은 좌우 대칭성이 지켜지지 않았습니다. 리정다오 교수와 양전닝 교수는 이 혁명적인 발견으로 1957년 노벨 물리학상을 받았습니다.

세 번째 거울대칭은 예술에는 존재하지 않습니다. 전기와 자기 현상을 기술하는 법칙은 양과 음, 두 종류의 전하에 대해 완벽한 대칭성입니다. 서로 상반된 역할을 하는 양과 음의 전하를 가진 반물질들의 발견은 지난 반세기 동안 이룩한 가장 심오한 발전들 중 하나입니다. 오늘날에는 상당한 양의 반물질을 미국의 브룩헤븐연구소나 유럽입자물리연구소(CERN) 같은 특수한 연구소에서 비교적 쉽게 만들 수 있습니다.

크로닌과 피치 교수는 대칭성에 위배되는 K메손의 붕괴가 실제로 일어나는지를 실험하였습니다. 그들 연구팀은, 1000개의 K메손 중 2개는 대칭성을 위배하면서 붕괴하는 것을 발견했습니다. 이 발견은 자연의 법칙이 수정되거나 아니면 새로운 법칙이 나와야 한다는 것을 의미합니다. 이미 1955년 겔만과 파이스는 중성 K메손을 분석하면서 이상한 점을 발견했습니다. 특이하게도 K메손은 물질과 반물질 모두에 대해 양면성을 가지고 있었습니다. 만약 완벽한 대칭성이 유지된다면, K메손의 정확히 반은 반물질로, 나머지 반은 물질로 붕괴가 일어나야 합니다. 리와 양에 의한 혁명의 결론이 뒤집어지지는 않았지만 적어도 새로운 논의가 필요해졌습니다. 코로닌과 피치 교수는 그들의 결과가 미미하지만 명확히 대칭성이 깨진 것을 보여 주고 있다는 결론을 내렸습니다. 이후 그들의 결론은 계속된 일련의 실험에서 확인되었습니다. 이런 대칭성의 위배를 포함시켜야만 비로소 외계로부터 지구를 방문한 손님들에게 정확한 대답을 해주었다고 할 수 있을 것입니다.

그 발견은 시간의 반사를 암시하는 것이기도 합니다. 자연에서 적어도 하나의 테마는 앞으로 진행될 때보다 뒤로 진행될 때 더 서서히 일어나고 있습니다.

예술가들은 거의 대부분 그들의 작품에 대칭성이 깨지는 요소를 넣습니다. 아마도 자연의 법칙 역시 가장 심오하다는 점에서 예술작품이라고 하겠습니다. 완벽한 대칭성의 위배는 새로운 통찰의 길을 열었습니다. 이런 시구처럼 말씀입니다.

아라베스크에 있는 매듭을 나 외에는 어느 누구도 보지 못했다네

피치 교수님, 크로닌 교수님.
과학계는 여러분의 발견이 발표되었을 때 큰 충격에 휩싸였습니다. 진정 어느 누구도 이러한 일이 일어나리라고 예상하지 못했습니다. 여러분은 노련함과 결단력을 가지고 연구를 추진하여 불가능에서 가능함을 발견했습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표해서 깊은 축하의 말씀을 전하게 되어 기쁘고 영광스럽습니다. 이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

- 스웨덴 왕립과학원 괴스타 엑스퐁

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자료출처
[네이버 지식백과] 중성 K메손의 분열 연구를 통한 대칭원리의 위배 발견 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사)

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