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노벨상인물

줄리안 슈윙거 Julian Seymour Schwinger

줄리안 슈윙거 [이미지]
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RIKEN (이화학연구소)
  • 작성 2014-06-17
  • 조회 2,615
  • 출생1918-02-12, 미국 뉴욕
  • 국적 미국
  • 분야물리학
  • 소속하버드대학교 교수, 캘리포니아 대학교 교수
  • 출신대학캘리포니아대학교, 퍼듀대학교
  • 주요업적양자전기역학에 대한 연구와 재규격화 이론
  • 수상노벨 물리학상 (1965)
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인물정보
줄리안 슈윙거는 리켄의 ''도모나가 신이치로'', 그리고 리처드 파인만과 함께 양자전기역학의 재규격화이론을 완성시킨 공로로 노벨상을 받았다.

그는 21살 젊은 나이에 버클리 캘리포니아 대학에서 박사학위를 받았으며, J.로버트 오펜하이머 밑에서 연구했다.1957년에는 소립자의 상호작용의 통일적 기술에 관하여 노력했다. 그는 리처드 파인먼과 도모나가 신이치로가 그와 같은 문제에 대하여 독립적으로 연구하고 있었음을 모르고, 하버드 대학교에서 강의 중에 그의 양자전기역학 이론을 공식화했다. 그는 라리타-슈윙거 방정식이라던가, 리프먼-슈윙거 방정식, 슈윙거 모형등 여러가지에 업적을 세웠다.

특히 그의 연구는 레이더의 개발에 이론적인 도움을 주었는데, 양자장론을 만들 때 그린 함수를 상대론적 불변량이 되도록 정의하였다. 양자전기역학에서는 그린 함수를 사용함에 있어서 전자의 자기 모멘트를 계산하는데 1차 수정을 가할 수 있었다. 이때 상대론적 불변 량이 아니었던 계산방식으로 계산할 때, 전자의 자기 모멘트는 발산하고, 슈윙거의 상대론적 대칭성을 이용한 방식으로는 그 발산을 피해갈 수 있었기에 유한한 계산 값을 줄 수 있었다. 이후 재규격화이론을 개발하고, 양자전기역학이 1차 근사에서 완전하도록 만들었다.

슈윙거 교수는 양자장론에 방정식과 기호를 이용하여 접근하는 것을 선호하였고 양자장론의 물리가 파인먼 도형을 통해서 전부 유도될 수 있다는 입장을 견지했다. 그는 파인먼 도형이 실리콘 칩과 비슷하다는 의견을 내놓았는데, 그 이유는 양자장에 대한 이해를 중요하게 생각했기 때문이었다. 노벨상은 같은 분야에서 공동 수상했으나, 파인먼과 다른 접근을 시도했다. 파인먼은 조절을 이용했다면, 슈윙거는 재규격화를 이용하였다. 1964년 미국국가과학상을 수상했다.
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시상연설

노벨상 시상 연

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
1925
년부터 수 년 동안 정립된 양자역학의 법칙에 따라 원자에 있는 전자는 움직입니다. 수소원자는 전자가 단 하나만 있어 이론적으로 고찰하기에 가장 단순한 원자입니다. 그러나 양성자에 의해 만들어진 전기장 내에서 전자의 움직임을 설명하는 이론의 오차를 실험적으로 발견하는 데 20년이 걸렸습니다. 1947년 램과 러더퍼드는 이론적으로 일치해야 하는 수소의 에너지 준위 중의 일부는 서로 상대적으로 이동되어 있다는 것을 발견했습니다.

올해의 노벨상 수상자인 도모나가 신이치로 교수, 줄리언 슈윙거 교수, 그리고 리처드 파인먼 교수의 가장 중요한 연구 결과는 이 램 이동(Lamb shift)을 설명하는 것이었습니다. 그러나 이 연구는 단순히 램 이동의 설명뿐 아니라 더욱 심오한 중요성이 있습니다. 그들의 연구는 중요한 몇 개의 현상들을 설명하고 예측하였습니다. 원자, 특히 전자는 스스로 전하를 갖기 때문에 전자기장을 만들어냅니다. 다시 말하면 빛을 방출하고 빛이 만든 전자기장에 의해 다시 그 전자가 영향을 받게 되는데 그들의 연구는 이 영향을 설명할 수 있는 양자역학적 이론을 만드는 것입니다. 이 연구는 1920년대 말부터 수행되었습니다. 그 당시 디랙, 하이젠베르크, 파울리는 종전까지 물질에 대해서만 적용되던 양자역학을 전자기장에 적용함으로써 그 당시 양자전기역학이라고 불리는 이론을 만들 수 있었습니다. 이 이론은 특히 전자와 같이 전기를 띤 입자들과 전자기장 사이의 상호작용을 양자역학적으로 설명합니다. 이 이론은 상대성이론이 요구하는 중요한 조건들을 만족시켰습니다.

그러나 얼마 안 있어서 이 이론에 심각한 결함이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 전자기장과 상호작용의 결과로 나타나는 전자의 질량을 계산하려면 무한대의 값이 얻어집니다. 따라서 이 결과는 물리적으로 의미 없는 값이 됩니다. 왜냐하면 우리가 살고 있는 이 세상에서 전자의 질량은 무한대가 아니기 때문입니다. 비슷한 상황이 전자의 전하에 대해서도 발생했습니다.

더 일반적인 양자전기역학을 개발하는 것은 기초적인 관점에서 매우 중요하므로 많은 이론물리학자들이 1930년대에 이러한 어려움들을 극복하고자 많은 노력을 기울였습니다. 그리고 이것을 다루기 위한 몇 가지 아이디어가 나타났습니다만 결정적인 진전은 1940년대에 이루어졌습니다.

도모나가 교수가 최초로 수행한 연구를 통해 양자전기역학의 새로운 시대가 시작되었습니다. 도모나가 교수의 연구는 주로 상대성이론을 만족시키기 위해 부과된 제한 조건들과 관련된 것이었습니다. 1943년에 발표한 논문과 그의 동료와 함께 발표한 추가 연구에서 도모나가 교수는 양자전기역학의 새로운 이론과 그외 다른 이론을 정립하였는데 이것은 양자전기역학의 중요한 진전으로 평가됩니다.

결정적인 진전은 앞서 언급한 램 이동의 발견에서 이루어졌습니다. 이 발견이 학회에서 토의되었을 때 이 이론을 적절히 해석할 수 있어야만 양자전기역학을 통해 새로운 효과를 설명할 수 있다는 점에 의견이 모아졌습니다. 이러한 아이디어의 정당성은 학회가 끝나고 얼마 후 베테 교수가 발표한 논문에서 램 이동의 예비적인 계산을 통해 입증되었습니다.

도모나가 교수는 램의 실험 결과와 베테 교수의 논문을 보자마자 실험에서 얻은 질량을 양자전기역학의 방정식에 넣어야 한다는 것과 전하를 비슷한 방법으로 재규격화하는 것이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 방정식에 도입되어야 하는 보정항들은 무한을 없애는 것이어야 했습니다. 도모나가 교수는 위에 언급한 그의 초기 고찰에 기초하여 이 어려운 작업을 수행하였습니다. 더 나아가 그는 램 이동에 대한 정확한 공식을 유도하였는데, 이 공식은 측정치와 잘 일치하였습니다.

램 이동의 발견과 거의 동시에 쿠시와 그의 동료인 폴리는 또 다른 독특한 현상을 발견하였습니다. 그 발견은 전자의 자기모멘트가 이전에 가정된 값보다 다소 크다는 것이었습니다. 슈윙거 교수는 그가 개발한 재규격화 방법을 사용해 작은 비정상적인 기여항이 그때까지 받아들여진 자기모멘트 값에 추가되어야 한다는 것을 증명했습니다. 슈윙거 교수의 계산은 쿠시와 폴리의 측정보다 먼저 발표되었고 이들의 실험을 적절히 해석하는 데 매우 중요한 역할을 했습니다.

슈윙거 교수는 도모나가 교수의 방법과 부분적으로 유사한 방법들을 사용해서 몇 개의 기초적인 논문들을 발표하면서 새로운 양자전기역학의 공식을 개발하였습니다. 그는 또한 이 공식을 실제의 계산에 적용할 수 있도록 수정했습니다.

파인먼 교수는 양자전기역학의 문제들을 해결하기 위해 훨씬 급진적인 방법들을 사용했습니다. 그는 파인먼 다이어그램이라고 불리는 그래픽적인 해석을 도입함으로써 실제 계산에 아주 유용한 새로운 공식을 창조했는데, 이것은 현대 물리학의 중요한 도구가 되었습니다. 파인먼 교수의 설명에서 전자기장은 더 이상 명시적으로 나타나지 않습니다. 파인먼 교수가 사용한 방법은 입자물리학에서도 매우 큰 가치가 있는데 입자물리학에서는 전자기 효과 외에 다른 상호작용들을 고려해야 합니다.

새로운 형태의 양자전기역학의 정확성에 대해서는 먼저 놀랄 만할 정도로 실험과 일치한다는 것을 말씀드리고 싶습니다. 램 이동과 전자의 자기모멘트의 비정상적인 부분들에 대해 실험과 일치하는 정도는 1,000억분의 1이내이며 아직까지 일치하지 않는 결과는 보고되지 않았습니다. 양자전기역학은 물리학의 모든 이론들 가운데서 가장 정확한 이론 중의 하나입니다. 양전자로 이루어진 원자와 뮤입자에 양자전기역학을 적용해 그 정확성을 또다시 입증하였습니다. 새로운 공식은 또한 다른 물리학의 영역들, 특히 입자물리학뿐만 아니라 고체물리학, 핵물리학, 그리고 통계역학 등의 분야에서도 매우 중요한 역할을 하였습니다.

도모나가 교수님은 불행한 사고로 여기 스톡홀름에서 상을 받지 못하게 되었습니다. 상은 도쿄 주재 스웨덴 대사를 통해서 왕립과학원의 축하와 함께 전달될 것입니다.

슈윙거 교수님, 그리고 파인먼 교수님.
교수님들은 옛 이론에 새로운 생각과 방법들을 도입해 도모나가 교수님과 함께 새롭고 가장 성공적인 양자전기역학을 확립하였습니다. 교수님들의 양자전기역학은 물리학의 중심입니다. 이 이론은 현대 물리학에 대한 연구를 매우 독특한 방식으로 자극했습니다. 여러분은 물리학의 다른 분야들에 자신들의 방법을 확장하였으며 그것은 최초에 물리학이 이룬 발전에 필수적이었습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표하여 업적을 축하드립니다. 이제 국왕 전하로부터 직접 노벨상을 수상하시기 바랍니다.


스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 이바르 발러

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자료출처
google, wikipedia, naver, Nobelprize.org

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