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노벨상인물

세르주 아로슈 Serge Haroche

세르주 아로슈 [이미지]
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CNRS (국립과학연구센터)
  • 작성 2014-12-02
  • 조회 2,273
  • 출생1944.09.11 모로코 카사블랑카
  • 국적 프랑스
  • 분야물리학
  • 소속프랑스국립확학연구센터(CNRS)
  • 출신대학파리 제 6대학
  • 주요업적개개의 양자 시스템을 파괴하지 않고도 측정하고 조직할 수 있는 방법 개발
  • 수상노벨 물리학상(2012)
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인물정보

프랑스의 물리학자. 개개의 양자(量子) 시스템을 파괴하지 않고도 측정하고 조작할 수 있는 획기적인 수법을 개발한 공로로 2012년 데이비드 와인랜드와 노벨 물리학상을 공동 수상하였다.

1944년 9월 11일 세크 모로코 카사블랑카 유대인 집안에서 태어난 세르주 아로슈. 그의 조부는 이스라엘 연합대학 교사였으며 외가 친척들은 볼셰비키 혁명이 일어났던 1920년에 러시아에서 프랑스로 이민을 왔다. 외조부모는 의사였고 당시 러시아 의학 학력을 인정해 주었던 프랑스 모로코에 정착하게 된다. 그의 아버지는 리바트에서 법을 공부하였고 2차 세계대전이 발발하기 전에 변호사가 되었다. 그의 어머니는 오데사 출신으로 카사블랑카에서 성장하여 교사가 되기 위해 라바트에 있는 대학에서 프랑스와 독일 문학을 공부하던 중 그의 아버지를 만났다.

세르주는 프랑스와 러시아에서 자랐고 초등학생이 되기 전 6살 까지 두 나라언어를 구사할 수 있었다. 어릴적 그의 조부모 댁에서 종종 카사블랑카에 있는 러시아 이민자들이 모여 만남을 가졌다. 따뜻한 지중해 기후의 카사블랑카, 파도가 강했던 아틀렌타해에서 수영을 하거나 사하라 사막에서 부터 불어오는 모래바람이 모든 것을 덮어버린 열풍 같은 멋진 풍경을 간직하며 유년시절을 보냈다. 1956년에 독립되었을 때, 유대인 이였던 그의 부모님은 모로코를 떠나 프랑스에 거처를 잡았다. 자녀들이 프랑스 교육과정을 밟을 기회를 주기를 원했었고, 프랑스에서 나고 자란 그의 가족들에게는 너무나 자연스러운 선택이었다. 하지만 파리에서의 첫 해는 모로코와는 너무 대조적으로 축축하고 어두운 프랑스의 겨울을 보내느라 힘든 적응기를 보내야했다.

그는 문학, 역사, 수학 그리고 물리학에 엄청난 관심을 갖고 있었고, 인문 분야에 있어서 고대 역사부터 현대 정치에 걸친 모든 종류의 분야에 대해 토론하는 것을 좋아했다. 그의 형제 모두 박물관에가고, 책읽는 것을 좋아했지만 세 형제 중 과학에 있어서는 세르주만 특별한 관심을 갖고 있었다. 그는 일찍이 천문학, 전산, 움직이는 것에 의해 지배되는 역학의 법칙을 직접적으로 잘 묘사한 단순한 차이와 파생된 개념에 매료되었다. 그는 과학자의 꿈을 꾸기 시작했고, 유명한 루이 르 그랑 고등학교에 입학하기 위해 힘썼다. 1963년 프랑스에서 1위 학교였던 에콜 폴리테크와 에콜 사범학교(ENS)에 합격하였지만 과학 경력을 쌓을 기회가 더 많았던 에콜 사범학교(ENS)에 입학한다.

1963년에서 1967년까지 학교에 다니면서 과학과 인문 분야의 모든 주제를 다루는 학생들과 만나 토론하고 문화적 활동과 여가생활을 즐기며 학교생활을 했다. 사범학교가 공무원처럼 간주되어 일정한 봉급을 받을 수 있어서 그가 과학자로써 성장할 수 있는 기반이 되는 값진 시간이였다. 그는 현대 물리학으로 뛰어들었고 장 보셀(Jean Brossel), 노벨 물리학 수상자 알프레드 카스틀레르(1966), 코앙 타누지(1997)의 수업과 지도아래 많은 영향을 받았다. 또한 심도있고 놀라운 양자이론을 이해할 수 있게 해 주었던 알버트 메시아(Albert Messiah) 저서 ‘양자 메카닉’, 미묘한 세계의 원자 마그네틱 순간을 소개해 주었던 아나톨 아브람의 저서 ‘핵자기의 원리’ 그리고 파인번의 ‘물리학학 강연’을 읽으며 누구보다도 물리학에 열정을 보였다.

1964년 봄, 그는 클라우딘 젤리손(Claudine Zeligson)을 카르티에라탤 카페에서 우연히 만났다. 젤리손은 그녀의 진로를 따라 카사플라손에서 영어와 철학, 사회학을 공부했던 파리로 왔다. 둘은 15년만에 다시 교제를 시작하여 1965년 21살에 결혼한다. 그의 부인은 장학생이자 CNRS에서 사회학과 인류학분야의 연구로 경력을 쌓는다. 둘은 음악, 미술, 영화, 여행과 같은 공동의 취미를 포함해 모든 삶을 나누며 평생의 동반자로 살아간다. 세르주는 그의 아내의 사랑과 지식적 자극 그리고 끊임없는 지원이 없었다면 아무것도 이룰 수 없었다고 말한다.

1960년대에 극적인 발전을 겪은 레이저는 원자 물리학분야에서 새로운 관점을 도래할 유망한 분야였다. 그는 이 새로운 도구를 사용하는 방법을 배우기 위해 박사학위를 마친 후 레이저 분광학 발전에 공허한 업적으로 노벨상을 수상한 스텐포드 대학교 아서 숄로(Arthur Schawlow)실험실에서 연구 장학금을 받으며 배움을 이어나간다. 단독 실험실과 펄스 색소 레이저를 지원해주며 세르주가 양자 연구에 몰입할 수 있도록 도왔다. 세르주는 빛 입자인 광자(光子) 등 양자 미립자를 파괴하지 않은 채 인간의 손으로 조작하고 측정할 수 있는 기술을 개발하여 양자물리학 실험의 새로운 시대를 열었다. 그는 광자와 원자를 반사율이 높은 거울 2장 사이에 가두어 놓고 상호작용을 조작하고 측정하는 실험기법을 개발하였고, 이를 통하여 이론적으로만 증명되었던 양자역학의 중첩 현상을 실험으로 보여주었다. 이로써 양자컴퓨터와 광시계(光時計) 개발의 첫발을 내디딜 수 있게 되었다.

양자컴퓨터가 실현되면 기존의 슈퍼컴퓨터로는 해독하기 어려운 기상(氣象) 문제나 유전자, 경제 현상 등 매우 복잡한 영역을 분석하는 데 유용하고, 기존의 컴퓨터 영역을 벗어난 새로운 분석이 가능해짐으로써 IT 체계에도 혁명적 변화가 일어날 수 있다. 또 광시계는 10의 15제곱분의 1초까지 측정할 수 있는 현재의 세슘원자시계보다 100배 이상 정밀한 시간을 표시할 수 있어 시간 흐름의 변화나 시공간을 구성하는 중력의 미세한 변화 등을 측정할 수 있게 된다.

2012년 포착된 이온을 광자로 제어 및 측정하는 실험 방법으로 동일한 성과를 이룬 미국의 물리학자 데이비드 와인랜드(David Wineland)와 함께 노벨 물리학상을 공동으로 수상하였다. 이밖에 1992년 험볼트 상(Humboldt Prize), 프랭클린연구소의 앨버트 마이컬슨 상(Albert A. Michelson Medal), 2007년 미국광학회의 타운즈 상(Townes Award ), 2009년 CNRS(프랑스국립과학연구소) 금메달 등을 수상하였다.

*공동수상
데이비드 와인랜드(David Wineland)
1944년 미국 위스콘신주 동부의 밀워키에서 태어났다. 1961년 캘리포니아주 새크라멘토의 엔시나고등학교(Encina high school)를 졸업한 뒤 1965년 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스에서 물리학을 전공하여 학사학위를 취득하였고, 1970년 하버드대학교에서 노벨 물리학상 수상자인 노먼 램지(Norman F. Ramsey) 교수의 지도를 받아 박사학위를 취득하였다. 이후 워싱턴대학교의 한스 데멜트(Hans G. Dehmelt) 연구팀에서 박사후과정 연구원을 거쳐 1975년부터 미국표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology;NIST) 연구원으로 일하고 있으며, 콜로라도대학교 볼더캠퍼스 교수를 겸하고 있다. 2012년 포착된 광자쪽으로 원자를 보내어 제어 및 측정하는 실험 방법으로 동일한 성과를 이룬 프랑스의 물리학자 세르주 아로슈(Serge Haroch)와 함께 노벨 물리학상을 공동으로 수상하였다. 이밖에 2001년 숄로 상(Arthur L. Schawlow Prize), 2007년 미국국가과학상(National Medal of Science), 2010년 벤저민 프랭클린 상(Benjamin Franklin Medal) 등을 수상하였으며, 1992년 미국과학아카데미 회원으로 선출되었다.

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시상연설

전하 그리고 신사숙녀 여러분.

1820년 룬드 석사학위 수여식 연설에서 그분의 끝맺음 말에서, 시와 작가로 유명했던 성직자 텡네르는 “그들의 존재가 나타나는 것이 아니라 그들이 의미하는 것과 우리의 눈으로 볼 수 있는 실제의 현상의 핵심 본질을 붙잡을 수 있는 것 사람의 위대한 능력이다.” 는 말을 했습니다.

우리가 눈으로 볼 수 있는 것은 무엇일까요? 그것은 빛입니다. 우리 주변에 보이는 모든 것들, 색, 모양 그리고 물체들은 우리의 눈에 부딪히는 빛으로부터 오며, 우리 뇌에 의해 분석된 정보를 전달합니다. 우리가 보는 것은 오늘날 고전 물리학이라고 부르는 것으로 설명되고 이해할 수 있습니다. 하지만 우리가 가슴속의 일들을 표현하려고 한다면, 고전 물리학으로는 설명할 수 없습니다.

이 때문에 1920년대 물리학자들은 내밀한 부분의 일들에 관한 이론을 계발했습니다. 이것은 양자 역학이라고 불리는 완전히 훌륭한 이론입니다. 양자의 세계에서 빛, 원자, 핵, 그리고 초기 소립자는 입자와 파장으로 설명됩니다. 양자물리학은 현대 물리학에서 극한 성공을 거두었습니다. 그러나 양자의 수준에서 문제를 관찰하기 위해서는 측정하려는 거의 모든 시도가 쉽게 사라지는 양자 적합성을 유발 시키기 때문에, 이 이론은 주요 문제에 부딪히게 됩니다. 이러한 이유로 각각의 양자 시스템을 연구할 수 있는 양자 물리학의 여명 이후로 실현화 되지 못했습니다. 그러나 그 꿈은 오늘 현실이 되었습니다.

올해의 노벨 수상자들은 양자 특성을 파괴하지 않고 분리된 양자 시스템을 측정하고 통제하는 요령을 성공적으로 수행하기 위한 실수 없이 체계적인 실험을 이행해 왔습니다. 세르주 아로슈와 데이비드 와인랜드는 처음으로 가장 기초적인 양자 세계의 관측에 문을 열었습니다. 실험실에서, 그들은 이전에 불가능했던 양자 물리학의 법칙을 따른 요령을 수행하는 것이 가능하다는 것을 입증하였다. 그들은 어떻게 양자 시스템을 연구하고 통제하며 세나가야 하는지 입증하였다.

그들의 실험적 이론에는 많은 공통점이 있다. 데이비드 J. 와인랜드교수님은 개개인의 전기로 충정된 원자, 이온을 발견했으며 그긋들을 빛의 광자로 통제하고 측정하였습니다. 만약 그 온도가 거의 0에 가까우면 에너지와 이온 진동의 빈도수는 뚜렸한 가치를 얻을 수 있습니다. 이온에 레이저 빛을 비추어 중첩 상태로 만들 수 있으며, 이것은 일제히 두 가지 다른 에너지 수준을 차지하는 상태를 말합니다. 에너지 중첩은 진동 상태에 상응하는 중첩으로 레이저 빛을 포함하여 옮겨 질 수 있습니다. 중첩은 에너지를 레이저 빛을 파괴하지 않고 이동합니다.

세주로 아로슈 교수님은 반대로 접근하셨습니다. 즉, 교수님은 두 개의 완벽한 반사 거울 사이의 단순 광자를 포착하여 그것들을 측정하고 컨트롤 할 수 있을 만큼 충분한 시간동안 유지시켰습니다. 이 실험은 매우 활발한 원자의 원조로 끝이 났습니다. 이 원자는 트렙에 있는 광자의 수와 그것들의 조건에 대한 정보를 모으는 안테나 같은 작용을 합니다. 이것은 단지 양자 수준에서 감시합니다. 또한 아로슈 교수님께서 단일 광자를 연구할 수 있다는 사실은 주목할 만 하며, 일반적 9와트 전구가 10억분의 1초 동안 더 많은 광자를 내뿜는 다는 사실이 확인 되었습니다.

두 수상자 분들은 양자 광학이라 불리는 연구 분야를 대표하고 계시며, 빛과 문제 사이의 상호작용 분야는 기초적인 수준에서 연구되었습니다. 이 연구 분야는 1980년 중반 이후로 상당히 진행되어져 가고 있습니다. 이분들의 연구는 우리에게 미래 연구에 대한 새로운 도구를 제시해 주셨고 그러므로 최대의 과학적 흥미를 일으켰습니다. 저분들의 연구는 또한 미래의 양자 물리학을 기초로한 초고속 컴퓨터의 구조에 대한 희망을 심어주었습니다. 아마 양자 컴퓨터는 IT 혁명이 지난 세기에 일어났던 것과 같은 급진적인 방법으로 한 세기 동안 우리의 삶의 방식을 바꿔놓을 지도 모릅니다. 저분들의 실험은 또한 매우 정확한 미래 새로운 시간의 기준이 될 시각적인 시계의 발전을 이끌었습니다. 현재 세슘이 들어간 오늘날의 시계보다 대략 백배 더 정확해 졌습니다. 여러분께서 이런 정확한 시계가 우주의 나이에 해당하는 일정 기간을 돌아가게 놓아둔다면, 그 시계는 단지 몇 초 정도 느려질 것이라는 이 정확성에 대한 사실은 믿기 힘들 정도입니다.

아로슈 교수님, 스웨덴 왕립과학원을 대신하여 교수님의 놀라운 연구에 따뜻한 축하의 말씀을 전하게 되어 영광입니다. 이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 받으시기 바랍니다.

와인랜드 교수님, 스웨덴 왕립과학원을 대신하여 훌륭한 연구성과에 따뜻한 축하의 말씀을 전하게 되어 기쁩니다. 이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 받으시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨화학위원회 바에른 존슨.

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자료출처
www.cnrs.fr/.google, wikipedia, naver, Nobelprize.org

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