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노벨상인물

칼 데이비드 앤더슨 Carl David Anderson

칼 데이비드 앤더슨 [이미지]
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Caltech (캘리포니아공과대학교)
  • 작성 2017-07-05
  • 조회 4,572
  • 출생1905-09-03
  • 국적 미국
  • 분야물리학
  • 소속캘리포니아 공과대학
  • 출신대학
  • 주요업적우주선의 발견, 양전자의 발견
  • 수상노벨물리학상(1936)
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인물정보

미국의 물리학자. 1932년 양전자를 발견하고, 1937년 핵력을 담당하는 중간자와는 다른 μ중간자를 발견하여 유카와설을 뒷받침하였다. 1949년 μ중간자의 자연 붕괴에 따라 전자와 2개의 중성미자가 발생하는 것을 처음으로 밝혔다.

1905년 9월 3일 뉴욕에서 태어났다. 앤더슨의 부모님은 스웨덴 이민자였다. 어릴 적 캘리포니아로 이사한 후 로스엔젤레스 폴리텍 고등학교(Los Angeles Polytechnic High School)와 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)에서 공부했다. 물리학에 관심을 보였던 그는 1927년 학사를 졸업한 뒤 캘리포니아 공과대학에 남아 대학원 공부를 이어나갔다.

대학원생일 당시 전기의 기본전하와 광전효과로 1923년 노벨 물리학상을 수상했던 로버트 밀리컨(Robert A. Millikan) 지도아래 대학원 공부와 연구를 했고, 1930년 박사학위 이후에도 밀리컨과 연구를 계속해 나갔다.

1930년대 초, 앤더슨은 안개상자 내의 우주선(Cosmic rays) 입자들을 찍으며 우주선을 연구하기 시작했는데, 이 연구를 통해 1932년 양전자를 발견하였고 양전자가 첫 번째 반입자로 된 물질로 밝혀지면서 물리학에 큰 발전을 가져왔다. 세스 네더마이어(Seth Neddermeyer)와 함께 연구하며 뮤온과 이원입자(Subatomic particle)을 발견했다. 그는 양전자를 발견한 공로로 우주방사선을 발견했던 오스트리아 물리학자 헤스(Victor Franz Hess)와 1936년 노벨물리학상을 공동수상했다. 수상 이후에도 캘리포니아 공과대학에서 계속해서 연구를 이어갔고, 몇 년 후 정교수가 되었다.

세계 2차 대전 동안 앤더슨은 미 해군을 위해 포병로켓 프로젝트에 참여했다. 내셔널 아카데미 오브 사이언스(National Academy of Science)의 앤더슨 전기를 기록했던 윌리엄 피커링(William H. Pickering)에 따르면 앤더슨은 실제 전쟁에서 어떻게 로켓이 잘 작동하는지를 보기 위해 프랑스까지 직접 방문하기도 했다고 한다. 앤더슨은 캘리포니아 공과대학(Caltech)에서 오랜 시간을 보내며 길고도 뛰어난 경력을 쌓았다. 노벨상 수상뿐만 아니라 1945년 대통령 특별 공로패를 받았고 여러 명예학위를 수여받았으며, 1976년 캘리포니아 공과대학의 명예교수가 되었다.

반물질에 대한 앤더슨의 놀라운 발견을 시작으로, 반양성자와 반중성자와 같은 다른 반물질을 발견할 수 있게 해주었고 실제 응용에 활용 할 수 있는 발판을 마련했다. 스타 트랙(Star Trek)과 같은 공상 과학 작품에 묘사되는 반물질은 인류를 먼 우주까지 데려 갈 수 있는 고에너지 추진 시스템의 기반을 형성하고 있다. 하지만 지금까지 지구에서 형성된 반물질의 양은 이를 실현하기에는 충분하지 못하지만, 의학 분야에서는 유용하게 활용되고 있다.

양전자 방사 단층 촬영(PET)스캔은 우리 체내의 양전자와 전자를 소멸시켜 유용한 이미지를 만들어낸다. 환자들이 방사성 동위 원소(Radioactive isotope)를 맞고 PET 스캔을 하면 소멸로 생성되는 감마선 쌍이 체내에서 작용하여 3D입체 이미지를 생성해낸다. PET스캔은 혈류와 산소 사용과 같은 중요한 기능을 측정하는 유용한 도구이며, 암, 뇌장애, 심장병과 같은 중증 진단에도 활용되고 있다.

<공동수상>

빅토르 프란치스 헤스(Victor Francis Hess, 1883~1964)
1910년 그라츠 대학교에서 박사학위를 취득한 후, 빈에 있는 물리학연구소에서 연구하였으며, 이후 1920년까지 빈의 과학아카데미 라듐연구소에서 스테판 마이어의 조교로 일하였다. 1925년에 그라츠 대학교 실험물리학 교수가 되었으며, 1931년에는 인스브루크 대학교 교수로 임용되었다. 방사선의 효과에 대한 연구를 통하여 우주선의 존재를 발견하였으며, 이는 물리학의 강력한 연구 도구이자 물질에 관한 새롭고 중요한 지식이 되었다.

https://www.biography.com/people/carl-d-anderson-9184194

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
1895년은 물리학의 역사에 커다란 전환점이었습니다. 뢴트겐은 새로운 광선을 발견했고, 곧 이어 베크렐의 방사선이 발견되었습니다. 그리고 원자 구조의 근본 요소의 하나인 음전하의 전자가 발견되었습니다.

많은 과학자들은 베크렐의 방사선을 연구 주제로 삼았습니다. 라듐을 발견한 퀴리 부부의 연구를 시작으로 이 분야의 연구는 보통의 원자들도 외부의 영향으로 방사능을 띨 수 있다는 졸리오 퀴리 부부의 발견으로 마무리되었습니다.

오늘 빅토르 헤스 교수가 우주선(cosmic ray)의 발견으로 노벨 물리학상을 받게 되었는데, 새롭고 특이한 방사선인 이 우주선의 존재는 방사선의 근원을 찾는 과정에서 명백해졌습니다. 우선 방사선의 특징에 대해 간단히 설명하고자 합니다. 방사선은 불안정한 구조를 가진 어떤 물질의 원자핵이 붕괴되면서 발생합니다. 원자가 붕괴될 때 원자의 구성물들이 모든 방향으로 날아갑니다. 따라서 방사선들은 무겁고 양전하를 띤 핵의 구성물들과 핵 주위의 음의 전하를 띤 가벼운 전자들을 포함합니다. 원자의 에너지가 방출되는 경우에는 이 두 종류의 방사선 외에 감마선이라고 불리는 엑스선과 같은 특성을 가진 강한 방사선이 발생합니다. 원자가 붕괴하면 다른 원소들도 생기는데, 이는 한 원소가 다른 원소로 변환된다는 것을 의미합니다. 방사선은 공기 중의 분자를 양과 음으로 나누어, 즉 이온화시켜 전도성 환경을 만듭니다. 이런 특성을 이용하면 방사선의 존재를 확인할 수 있습니다. 곧 방사선에 노출된 공기 속에서는 검전기가 대전된 전하를 잃어버립니다. 한편 검전기를 방사선으로부터 보호하기 위해서는 충분한 두께의 납판이 필요합니다.

방사선이 발견된 후 앞서 말씀드린 검전기를 사용하여 땅속과 바닷 속 그리고 공기 중에서 또 다른 방사능 물질을 찾기 위한 연구가 계속되었습니다. 그러나 놀랍게도 깊은 물속이든 높은 산 정상에서든 방사선은 어디에서나 발견되었습니다. 더 놀라운 것은 어떤 두께의 납으로 감싸든 방사선의 영향을 완전히 제거하는 것이 불가능하다는 사실이었습니다. 그 방사선이 지구나 대기 중의 방사능 물질에서 나오는 것이라면 이것은 도저히 납득할 수 없는 결과였습니다. 과학자들은 지금까지 알려지지 않은 또 다른 매우 강력한 투과력을 가진 방사선의 근원이 있다는 가정을 하게 되었습니다.

새로운 방사선의 근원을 찾는 과정에서 지구 표면으로부터 멀어졌을 때 방사선이 약해지는지를 조사하게 되었습니다. 이 실험을 많은 과학자들이 진행하였는데 어떤 사람은 에펠탑 정상에서 실험하기도 했습니다. 실험결과는 고도가 높아질수록 방사선은 감소하긴 했지만 방사선이 지구로부터 방출된다고 가정하고 계산한 비율보다는 훨씬 낮은 비율로 감소하였습니다. 실험은 풍선을 타고 올라가 4,500미터의 높이에서까지 진행되었습니다. 어떤 경우에는 약간의 감소가 발견되기도 했지만 어떤 경우에는 이온화율의 변화가 거의 없었습니다.

이 실험에서 어떤 확정적인 결과를 얻진 못했지만 그 결과들은 이 방사선이 지각 내의 방사능 물질과는 무관하다는 것이었습니다.

헤스 교수가 연구를 시작한 시점에도 이 방사선의 근원은 여전히 의문으로 남아 있었습니다. 처음부터 방사선이 강력한 감마선이라는 의견을 가지고 있던 헤스 교수는 먼저 방사선이 공기층을 통과하면서 강도가 약해지는지를 면밀히 조사했습니다. 그는 사용하는 장치의 오류 가능성도 조사하고, 뛰어난 솜씨로 오류 가능성을 제거한 완벽한 측정 장치를 만들었습니다. 준비를 완벽하게 마친 헤스 교수는 1911년과 1912년에 5,300미터 높이까지 풍선을 타고 올라갔습니다. 체계적인 측정을 통해 그는 이온화가 높이 1,000미터까지는 감소하지만, 그 이상에서는 오히려 증가하여 높이 5,000미터에서는 지표면의 두 배 강도가 된다는 것을 측정하였습니다.

나중에 헤스 교수의 제자들은 기록 장치를 장착한 무인 풍선을 이용한 실험에서 높이 9,300미터에서는 방사선의 강도가 지표면에 비해 무려 40배에 달하는 것을 보였습니다. 이 연구 결과로부터 헤스 교수는 우주에서 지구 표면으로 오는 강력한 투과력을 가진 방사선이 존재한다는 결론을 내렸습니다. 우주의 모든 방향에서 오는 이 방사선을 우주선이라고 부릅니다. 헤스 교수의 결론은 커다란 관심을 불러일으켰지만 많은 사람들로부터 회의적인 평가를 받기도 했습니다. 제1차 세계대전 중에는 이에 관한 연구에 진전이 없었습니다. 하지만 전쟁이 끝나자 유럽과 미국에서 연구가 적극적으로 재개되어 곧 우주선의 존재는 인정받게 되었습니다.

이 새로운 방사선은 강도나 투과력 면에서 이전까지 알려진 그 어떤 것보다 강력합니다. 1미터 두께의 납판을 투과하며, 수심 500미터의 호수 바닥에서도 감지됩니다. 문제는 어디서 이런 방사선이 오는가 하는 것입니다. 첫 번째 풍선 실험에서 헤스 교수는 밤과 낮의 차이가 없다는 것을 관찰했으며, 일식 때의 풍선 실험에서도 특별한 차이가 관찰되지 않았습니다. 따라서 우주선이 태양으로부터 오는 것은 아니었습니다.

나중에 헤스 교수는 매우 정밀하고도 체계적으로 방사선을 측정하여 항성에 대한 측정 위치가 바뀌면 방사선의 강도도 변하는 것을 발견했습니다. 그 차이는 아주 작아서 0.1퍼센트에 불과했습니다. 한편 콤프턴은 이런 변화가 태양의 움직임, 즉 공간상에서 지구의 위치 변화에 기인하는 것임을 이론적으로 밝혔습니다. 은하의 한 부분으로서 태양계는 은하와 함께 회전하기 때문에 지구 역시 초속 300킬로미터로 움직이고 있습니다. 이런 지구의 움직임 때문에 움직이는 쪽의 면에서는 우주선의 겉보기 증가가 생기고 반대쪽 면에서는 겉보기 감소가 발생합니다. 이에 관한 콤프턴의 계산 결과는 실험 결과와 일치했는데, 이 결과로부터 우주선은 우리 은하계에서 오는 것이 아니라 그 바깥의 외계로부터 오는 것이라는 결론에 이르게 되었습니다.

우주의 심연 속에서 어떤 과정으로 우주선이 생기는지는 여전히 모릅니다. 많은 이론들이 나왔지만 지구상의 가장 강한 방사능 물질보다 1,000배 이상의 강도를 가진 이런 우주선이 어떻게 존재할 수 있는지를 자세히 설명하는 이론은 아직 없습니다. 우주선에 얽힌 신비를 일부라도 설명하는 이론이 나온다면, 그것은 틀림없이 에너지와 물질의 상호작용과 물질의 붕괴 그리고 그 기원을 밝히는 해답이 될 것입니다.

헤스 교수님.
교수님은 뛰어난 실험 기법을 적용한 방사선 효과에 관한 연구를 통해 우주 깊은 곳으로부터 오는 방사선인 우주선의 놀라운 존재를 발견하였습니다. 교수님께서 증명한 대로 이 새로운 방사선은 강력한 투과력과 전례없는 크기의 강도를 가지고 있습니다. 그것은 물리학의 강력한 연구 도구가 되었으며, 물질과 조성에 관한 새롭고도 중요한 사실을 전해 주었습니다. 우주선의 존재는 또한 우리에게 물질의 형성과 소멸에 관한 중요한 문제들을 제시했으며 새로운 연구 분야를 열었습니다. 교수님의 훌륭한 성취를 축하드립니다.

우주선의 발견 공로로 왕립과학원에서는 노벨 물리학상을 교수님께 수여하겠습니다. 이제 전하로부터 노벨상을 받으시기 바랍니다.

앤더슨 박사께서 노벨상을 수상하게 된 양전자의 발견은 우주선과 밀접한 관계가 있어서 이 주제를 다시 한 번 다루어야겠습니다.

우주선의 존재가 확인된 이후 그 특성에 관한 의문이 생겨났습니다. 앞서 저는 방사능 원자가 붕괴될 때 다양한 종류의 방사선이 나온다고 말씀드렸습니다. 또한 이들 방사선이 원자핵으로부터 발생한 무겁고 양전하를 띤 입자와 음전하를 띤 전자 그리고 엑스선과 동일한 특성을 가진 이른바 감마선과 매우 짧은 파장의 광선으로 이루어져 있으며, 강력한 투과 특성이 있다고 말씀드렸습니다. 처음 두 종류의 방사선은 대전된 입자로 구성되어 입자선이라고도 합니다. 그렇다면 우주선은 입자선일까요, 아니면 감마선으로 구성된 것일까요? 이 질문에 답하려면 강력한 자장 속에 우주선을 통과시켜 보면 됩니다. 대전입자로 구성된 방사선이라면 자장 내에서 그 궤적이 대전된 전하에 따라 달라질 것이기 때문입니다. 반면에 감마선이라면 궤적이 자장의 영향을 받지 않을 것입니다. 방사선의 특성 연구에 사용되는 훌륭한 기구로 윌슨 구름상자가 있습니다. 그것은 수분이 과포화된 밀폐용기로 방사선이 지나는 궤적을 따라 응결이 일어나서 방사선의 궤적을 볼 수 있는 장치입니다.

초기의 실험에서는 자기장에 의한 궤적의 변화를 관찰하지 못했습니다. 우주선의 높은 에너지 때문에 가시적인 효과가 나타나기 위해서는 매우 강력한 자장이 필요했기 때문입니다. 한편 다른 연구에서는 우주선이 입자선일 가능성을 보여 주는 결과가 있었습니다. 아시다시피 지구는 그 자체로 거대한 자석입니다. 태양으로부터 음전하의 전자로 구성된 입자선이 나온다는 것이 오래전부터 알려져 있었으며, 슈퇴르머는 그 전자선의 궤적이 지구의 자장 때문에 틀어진다는 것을 보인 바 있습니다. 전자선의 방향이 자력 방향과 일치하는 자석의 극에서만 전자선이 지구 대기로 들어올 수 있는데, 극지에서 극광현상이 발생하는 것이 이것 때문입니다.

한편 우주선은 태양으로부터 오는 전자선보다 훨씬 큰 투과 특성이 있어서 어디서나 지구 표면으로 쏟아집니다. 그렇다 하더라도 지구 자기장의 영향 때문에 극 지역과 적도 지역의 우주선 밀도에 어떤 차이가 있을 것으로 기대할 수 있습니다. 암스테르담 대학의 클레이 교수는 1929년 네덜란드와 자바 섬에서 측정한 우주선의 강도를 비교하였습니다. 이 측정결과는 명확히 위도에 따라 다른 값을 보였습니다. 이미 말씀드렸습니다만 나중의 연구에서 고도에 따라 우주선의 강도가 크게 달라지는 것이 관찰되었습니다.

우주선의 특성을 좀 더 자세히 연구하기 위해 밀리컨 교수는 패서디나의 그의 연구소에 매우 강력한 자장이 인가되는 윌슨 구름상자를 포함한 대형 실험 장치들을 설치하기로 하고, 이 연구의 계획과 수행을 앤더슨 박사에게 맡겼습니다. 몇 년 후 실험 장치들의 설치가 완료되고, 밤낮없이 15초마다 우주선을 관찰했습니다. 그렇게 모은 풍부한 자료가 1931년에 출판되었습니다. 사진 속에는 음의 전자가 휜 궤적뿐 아니라 이와 반대로 휜 궤적들도 발견됩니다. 이것은 양으로 대전된 입자의 것으로 대부분 무거운 핵입자들의 궤적으로 판명되었습니다. 그러나 한 장의 사진에서 앤더슨 박사는 양전하의 궤적이지만 핵입자의 것이 아닌 궤적을 발견했습니다. 핵입자는 무거워서 가벼운 전자보다 직선에 가까운 궤적을 그립니다. 놀랍게도 앤더슨 박사가 발견한 것은 방향만 반대일 뿐 음전하의 전자와 같은 정도로 휜 것이었습니다.

가장 가능한 설명은 이것이 전자와 질량은 같지만 양의 전하를 가진 입자의 궤적이라는 것입니다. 디랙은 이론적 연구에서 전자기장을 결정하는 방정식들은 양의 전하를 가지고 전자만큼 가벼운 입자를 필요로 한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 이런 입자가 발견되지 않았으므로 디랙은 우주의 다른 곳에 전하가 뒤바뀐 세계가 있을 것이라는 가정을 세웠습니다. 앤더슨 박사는 장비를 더욱 개선하고 확인 실험과 측정을 반복하여 1932년 여름, 드디어 양전하의 전자가 존재한다는 명확한 증거를 제시할 수 있었습니다. 디랙이 찾던 양전자가 발견된 것입니다.

이제 윌슨상자에 나타나는 궤적들은 우주선 자체의 것과 우주선 때문에 상자 내부나 상자 벽의 원자들이 부서지면서 생기는 2차적인 선들의 궤적이 섞여 있음을 알게 되었습니다. 따라서 아직은 우주선이 부분적으로든 전체적으로든 대전된 입자들로 이루어졌는지에 대한 결론을 내릴 수는 없습니다. 앤더슨 박사를 포함한 많은 과학자들은 토륨을 포함하는 방사능 물질에서 나오는 감마선은 반응에 의해 음전하의 전자와 양전자를 만들어 낸다는 사실을 발견했습니다. 이 경우는 순수한 복사 에너지에 의해 입자들이 창조된 것입니다. 마찬가지로 양전하와 음전하의 전자가 합쳐서 사라지면 모든 방향으로 에너지가 방출되는 흔적만이 남게 됩니다.

최근 우주선의 특성에 관한 심층적인 연구 프로그램이 진행되었으며, 이 연구에서도 앤더슨 박사는 매우 중요한 기여를 했습니다. 이 연구의 결과, 우주선은 엄청난 에너지와 속도로 외계에서 지구로 들어오는 입자들로 밝혀졌습니다. 우주선에는 양전자와 음전자가 거의 동일한 양이 존재하지만, 양전자는 대기 중으로 들어오는 즉시 원자들과 충돌하여 소멸해 버립니다. 앤더슨 박사는 우주선의 에너지 분포와 물질을 통과할 때의 에너지 손실에 대한 연구를 수행했습니다.

앤더슨 박사님.
우주선에 관한 깊이 있는 연구로 박사님은 우리의 의문을 해소하는 데 중요하고도 구체적으로 기여하였습니다. 또한 탁월한 실험 장비로 우주의 구성입자 중 하나인 양전자를 발견하였습니다. 박사님이 젊은 시절에 이룩한 성공을 축하드리며 앞으로의 연구에 더욱 새롭고 훌륭한 결과가 이어지기를 기원합니다.

스웨덴 왕립과학원은 양전자를 발견한 공로로 박사님께 노벨 물리학상을 수여하기로 결정하였습니다. 이제 전하로부터 노벨상을 받으시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 위원장 H. 플레옐

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자료출처
[네이버 지식백과] 우주선의 발견 양전자의 발견 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사)

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