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에드워드 빅터 에플턴 Edward Victor Appleton

에드워드 빅터 에플턴 [이미지]
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Cavendish Laboratory (캐번디시 연구소)
  • 작성 2015-09-16
  • 조회 5,818
  • 출생1892-09-06
  • 국적 영국
  • 분야물리학
  • 소속영국 과학산업청
  • 출신대학카롤린스카 대학
  • 주요업적애플턴층의 발견
  • 수상노벨 물리학상(1947)
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인물정보

영국의 물리학자. 1924년에 이론적으로 예상되던 헤비사이드 전리층의 존재를 실증했다. 1926년 헤비사이드 전리층보다도 2∼3배 높은 곳에 위치하는 전리층(애플턴층)을 발견했다.

1892년 9월 6일 영국 브래드 퍼드(Bradford)에서 에드워드 빅터 애플턴은 태어났다. 요크셔에 위치한 그가 태어난 도시는 양모 제조공장으로 유명했으며 산업혁명의 중심지였다. 어린 애플턴은 핸슨 그레머 학교에서 조기교육을 받았으며, 어릴 적부터 음악과 크리켓에 유독 흥미를 보였다. 18살의 나이에도 불구하고 존슨 대학과 케임브리지 대학 장학금을 받았다. 그는 영특했고 그의 연구에 대한 수상 뿐 만 아니라 궁극적으로 자연과학에 있어서 첫 번째 최고 등급 학위를 받았다.

1차 세계대전이 일어났을 때 에드워드 애플턴은 군에 입대하여 초기에는 웨스트 라이딩 연대에서 복무하였지만, 후에는 영국군 공병대로 전환하였다. 군복무 기간 동안 무선시스템이라 불리는 새로운 라디오 기술과 관련하여 교육 받으며 그 분야에 흥미를 갖게 되었고 전쟁이 중단된 후 1920년에 케임브리지로 돌아와 라디오 전파에 관해 연구를 시작했다. 그 시점을 시작으로 에플턴은 조셉 존 톰슨(J.J Thomson)교수 아래서 물리학 조교로 일하게 된다. 그는 이내 전자관과 무선에 관해 흥미를 키워나갔고 라디오 신호나 무선 증식에 관해서도 흥미를 갖게 되었다. 1924년 에드워드 에플턴은 런던 대학 킹스 칼리지의 교수로 임명되었다. 이 시간동안 케넬리-헤비사이드 층에 곤해 많은 연구를 진행하였다. 이 층은 전파 신호를 반사하는 대기층 위에 있는 것으로 전파 신호가 멀리서도 들릴 수 있게 하였다. 이 연구는 이온층에 관한 기초지식 뿐만 아니라 레이더 개발의 기반이 되었다.

킹스에서 에플톤이 진행하였던 많은 연구들은 런던 스트렌드(Strand) 캠퍼스에서 주로 이루어졌다. 하지만 주변에서 전파를 사용하는 환경에서 그의 연구를 이어가기 쉽지 않았고, 마침내 그의 연구는 영국 외각에 위치한 햄스테드(Hampstead) 캠퍼스로 옮겨 진행했다. 전파를 사용하는 사람들이 거의 없고 더 넓은 공간 이였다.

에드워드 에플턴은 타고난 과학자였다. 런던 대학에서 1924년부터 1936년 까지 연구를 맡아 해왔고 그 기간 동안 미국 라디오 엔지니어 연구소 총장으로 선출되기도 했다. 런던 대학 이후에 1936부터 1939년 사이 케임브리지 대학에서 자연 철학 교수의 자리를 맡았다. 1939년 전쟁이 끝난 후 과학 산업부의 총무로 임명되었다. 그 자리에서 그는 영국에 있는 동안 맡아 왔던 과학적 연구를 규명하는 상당한 책임감을 보여주기도 하였다.

과학 고문 위원회의 위치와 원자폭탄 계발과 관련하여 그에게 주어진 무거운 임무에도 불구하고 애플턴은 전파신호 보급과 전리층에 관한 연구를 계속해 나갔다. 또한 전리층의 조건이 매우 태양의 흑점에 의존적이라는 것을 발견했으며 그는 태양의 흑점이 강력한 전파신호를 낸다는 것을 밝혀냈다. 에드워드 에플톤은 통신무전과 과학의 발전에 엄청난 기여를 하였으며 많은 상을 수상하였다. 그의 연구로, 1941년 국가에 대한 공로를 인정받아 나이트 작위를 서임 받았으며 전시내각 과학 고문 위원회 회원으로 활동하기도 하였다. 이러한 능력으로 원자폭탄을 만드는 가능성에 있어 전시내각에 충고를 한 위원 중 한 명이였다.

1947년 노벨 물리학상을 시작으로 메리트 메달, 미국으로부터 우수 시민상을 수여받았으며 프랑스는 레지옹 도뇌르 훈장을 수여하였다. 1949년 에든버러 대학으로 옮겨 그의 여생동안 대학 부총장을 맡았으나 1965년 4월 21일 생을 마감하였다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

1901년 12월 12일, 마르코니는 무선통신으로 구세계와 신세계를 연결하는 데 성공했습니다. 무선파가 지구의 반대편에 도달하기 위해서는 성층권 꼭대기 어딘가에 전기를 전도하는 층이 존재해야만 합니다. 그래야만 직선으로 움직이는 무선파가 지구 표면으로 반사될 수 있는데, 이는 태양이 수평선 아래로 진 다음 긴 시간이 지난 후에도 휘어진 태양빛을 우리가 관찰할 수 있는 것과 비슷합니다. 헤비사이드와 케널리는 무선파를 지구로 다시 반사시킬 수 있는 전 지구를 둘러싸는 층이 존재할 수 있는 이유는 태양광선 중 자외선이 상층 대기권을 이온화시키기 때문이라고 제안했습니다. 그렇지만 전도층의 존재에 대한 증거는 1920년대 초까지 발견되지 않았습니다.

이 당시 영국과 미국에서는 무선기술이 급속하게 발전하고 있었고, 그 결과 무선통신에 필요한 사용 가능한 라디오파의 수가 얼마 남지 않게 되었습니다. 그 결과 아마추어 무선사들은 100미터 이하의 파장만 다루도록 제한되었습니다. 그렇지만 장거리 전송에 가장 적합한 것은 킬로미터 단위 이상의 파장을 가진 전파입니다. 아마추어 무선사들에게 닥친 가장 직접적인 어려움은 먼 거리까지 전파를 효과적으로 보낼 수 있는 전송기를 확보하는 일이었습니다. 1921년과 1922년, 아마추어들을 위해 마련된 미국과 유럽 간의 단파라디오 신호경연대회에서 매우 작은 전송기를 사용해도 드물지만 종종 통신이 가능하다는 것이 증명되었습니다.

애플턴 박사는 바로 이 점에서 획기적인 공헌을 하였습니다. 1924년, 애플턴 박사는 바네트와 함께 이른바 주파수 변조방식이라는 훌륭한 방법으로 지면과 평행하게 전파되는 직접 무선파와 지면에 수직으로 전파되어 우주에 존재하는 층에서 반사된 파동 사이에는 간섭이 존재하며, 파동을 반사하는 이른바 헤비사이드층은 지상에서 약 100킬로미터 상공에 존재한다는 것을 증명했습니다. 무선파가 헤비사이드층에 어떻게 침투하는지를 세심한 이론적 분석으로 해석한 애플턴 박사는 무선파의 침투와 관련한 중요하고도 세밀한 현상을 고찰하였습니다.

무선파는 빛이 광학적으로 얇은 매체로 들어가는 것과 똑같은 방식으로 헤비사이드층 안에서 굴절됩니다. 그 결과 무선파는 파장이 길 경우 지구 표면으로 다시 반사되고 이온화 정도가 가장 큰 헤비사이드층의 중간을 뚫기에 무선파의 에너지가 충분하다면 헤비사이드층을 통과해 우주 바깥으로 전파되어 나갑니다. 이 현상에 대한 임계파장 이론에 따르면 성층권의 다른 지점들에서, 또는 전송기로부터 엄청 먼 거리에서도 헤비사이드층의 이온화 정도를 측정할 수 있습니다. 지난 두 차례의 세계대전을 거치면서 이러한 조건들을 기록할 수 있는 장비를 갖춘 무선전신국들이 세계 곳곳에 세워졌습니다. 무선전신국에서 나오는 정보는 무선통신에 상당히 중요합니다. 왜냐하면 그것은 두 지역이 무선통신을 할 경우 어떤 파장을 선택할 것인지를 결정하는 데 도움을 주기 때문입니다. 우리가 이제 보게 될 테지만 이러한 연구는 무선통신 이외의 다른 많은 영역들에서도 중요합니다.

무선통신을 연구하는 과정에서 애플턴 박사는 1927년 헤비사이드층 위에 또 다른 반사층이 존재해야 하며 그 높이는 지상에서 약 230킬로미터 상공이라는 것을 발견하였습니다. 새롭게 발견된 이른바 애플턴층은 아래에 있는 헤비사이드층보다 자외선 복사에 훨씬 더 많이 노출되어 있습니다. 그리고 좀 더 정확하게 말하자면 헤비사이드층은 산발적으로 발생하는 몇 개의 층으로 구성되며 시간에 따라 만들어지고 없어집니다. 따라서 이온화의 정도는 애플턴층이 헤비사이드층보다 더 크며 무선파를 더 강력하게 반사할 수 있습니다. 애플턴 박사는 또한 애플턴층이 낮에는 두 부분으로 나누어지고 밤에는 다시 하나로 합쳐진다는 사실을 밝혔습니다. 애플턴층은 반사 용량이 더 크기 때문에 이 층을 이용하면 무선통신이 더 용이합니다.

이온화 외의 다른 측면에서도 위에 있는 애플턴층은 아래에 있는 헤비사이드층과 구별됩니다. 아래층에서는 이온화가 태양 자외선복사 강도의 변화 추이에 따라가는 반면 상층은 밤시간에도 대부분 변화하지 않습니다. 이 현상은 애플턴층이 지구에서 멀리 떨어져 있어 희박화 현상이 지배적이기 때문입니다. 다시 말하면 애플턴층에서는 공기가 매우 희박해서 공기 중의 이온들이 서로 만나 재결합하려면 오랜 시간이 걸리고 그 결과 변화의 정도가 크지 않게 됩니다. 태양의 흑점이 가장 적었던 1934년과 태양의 흑점이 가장 많아지는 1937년 사이에 이루어진 헤비사이드층의 이온화 정도를 관찰하여 비교한 결과 태양자외선의 변화와 헤비사이드층의 이온화 사이에는 밀접한 상관관계가 있다는 것이 밝혀졌습니다.

흑점이 가장 많았을 때인 1937년에 측정된 이온화는 흑점이 가장 적었을 때인 1934년에 비교해 50~60퍼센트 증가했으며 이것은 태양의 자외선복사가 120~150퍼센트 증가하는 것에 해당하는 수치입니다. 그런데 태양의 자외선복사가 이와 같이 크게 변화했음에도 동일한 기간에 지상에서의 자외선복사 측정값이 실질적으로 변하지 않았다는 것은 주목할 만합니다. 라디오파 방법이 태양 복사의 변화를 판단할 수 있는 유용한 방법이라는 것이 증명되었습니다. 흑점은 태양의 내부로 열린 구멍이나 창문 같은 것으로 간주할 수 있는데 흑점을 통해 우리는 태양 속에서 일어나는 강력한 현상 중의 일부를 관찰할 수 있습니다. 애플턴 박사는 흑점에서 방출되는 무선단파 형태의 복사는 수백 만 킬로와트의 송신기에서 나오는 에너지에 해당한다는 것 또한 발견했습니다.

지난 몇 년 동안 우리가 애플턴 박사에게 신세진 모든 발견들과 고찰들에 대해서 자세하게 설명하는 것은 이 자리의 목적에서 지나치게 벗어나는 일일 것입니다. 저는 그중 하나에 대해서만 간단하게 언급하고자 합니다. 세계대전이 일어나기 수 년 전 애플턴 박사와 동료들이 발전시킨 에코방식은 세계대전 동안 연합군이 비행기, 잠수함 등의 위치 추적에 매우 성공적으로 사용한 레이더 방식의 전신입니다. 머지않은 미래에는 3~30센티미터 파장의 초단파 레이더파가 많은 목적으로, 그중에서도 기상학에서 중요하게 사용될 것이 확실합니다. 레이더파는 이온화된 층을 통과할 때는 경로가 바뀌지 않지만, 압력과 온도가 불균일한 공기를 지나거나 수증기의 함량이 다른 공기를 통과할 때는 경로가 바뀝니다. 즉 레이더파는 소나기에 의해서 반사되는데 그 결과 소나기를 먼 거리에서 탐지할 수 있습니다. 세계대전 중에 레이더 방식은 멀리 떨어진 저기압 지역의 한랭전선과 온난전선의 위치를 추적할 때 널리 사용되었습니다.

마지막으로 애플턴 박사는 번개가 칠 때 생성되는 전자파에 대해서 광범위한 연구를 하였습니다. 특별한 장치를 갖춘 관측소가 있다면 1,000~2,000킬로미터 떨어진 지역에서 번개에 의한 방전과 천둥의 위치를 추적할 수 있습니다. 멀리 떨어진 특히 적도에 있는 천둥들 사이의 상호작용이 무선수신에 영향을 미칠 수 있다는 사실도 밝혔습니다.

애플턴 박사의 연구 덕택에 물리학에 새로운 분야가 추가되었습니다. 그러나 여기서 끝이 아닙니다. 그와 동료들이 라디오파를 통해 지구 주위의 대기권을 탐구하기 위해 개선시켜 왔던 방법들은 천문학, 지구과학, 기상학과 같은 물리학의 다른 분야에서 제기되는 문제들을 해결하였으며 무선공학의 발전에 매우 중요한 역할을 했습니다.

에드워드 애플턴 경의 전자기파는 물리학적으로 매우 중요한 주제이며 다른 과학의 영역에도 계속해서 적용되고 있습니다. 전자기파의 존재는 100년 전 마이클 패러데이가 처음 증명하였습니다. 패러데이는 이후에 광학과 전기 현상의 관계에 대해서 연구를 계속했는데 패러데이의 아이디어는 1873년 클라크 맥스월 경이 엄격한 수학적 방정식으로 완성하였습니다. 1890년대 초 마침내 유명한 독일의 물리학자인 하인리히 헤르츠가 전자기파를 발견하였습니다. 얼마 후 무선파가 지니는 막대한 유용성이 이탈리아 발명가인 마르코니에 의해서 증명되었습니다.

그후 전자기파는 과학의 여러 분야에서 성공적으로 적용되었고 한 천재는 과학적인 기법과 도구를 만들었습니다. 그중에서 전자튜브만은 언급하고 싶습니다. 오언 리처드슨 교수의 전자튜브를 열-이온 법칙을 사용해 철저하게 연구했습니다.

이제 대기권에 대한 연구에 전자기파를 사용함으로써 애플턴 경은 이 아름다운 사슬에 새로운 연결고리를 보탰습니다. 이러한 전자기파를 가지고 애플턴 경은 인간이 한번도 도달해 보지 못한 우주공간에 다가갈 수 있었습니다. 심지어 경은 태양에서 일어나는 폭발과 은하수에 멀리 떨어진 별에서 지르는 함성에 귀기울이는 방법도 가르쳐 주었습니다.

기상학의 문제 해결에 적용된 레이더파의 유용성은 이미 잘 알려져 있습니다. 지구 대기권에 가득한 신뢰할 수 없고 변덕스러운 기상 조건을 세련된 방법으로 빠른 시간에 통제할 필요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 특히 여전히 항해를 위협하는 기상의 위험들에 관해서 말입니다.

그리스 신화에서 다이달로스는 밀랍으로 그의 아들 이카로스의 어깨에 한 쌍의 날개를 고정시켰습니다. 그렇지만 이카로스는 태양에 너무 가까이 날아 밀랍이 녹고 마침내 바다에 추락해 죽습니다. 확실히 현대의 이카로스 또한 비행 중에 자신의 날개를 단단하게 고정할 필요가 있습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대신하여 저는 경의 중요한 발견을 축하드리며, 이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 받으시기 바랍니다.

- 스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 위원장 E. 훌텐

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자료출처
www.phy.cam.ac.uk/cavendish, wikipedia, naver, Nobelprize.org

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