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노벨상인물

노먼 포스터 램지 Norman Foster Ramsey

노먼 포스터 램지 [이미지]
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Cavendish Laboratory (캐번디시 연구소)
  • 작성 2015-09-16
  • 조회 8,804
  • 출생1915-08-27 미국 워싱턴
  • 국적 미국
  • 분야물리학
  • 소속캐번디시연구소
  • 출신대학케임브리지 대학
  • 주요업적램지법 최초 실험, 원자력 시계 발명
  • 수상노벨 물리학상(1989)
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인물정보

미국의 물리학자. 원자의 초미세구조를 정확히 측정할 수 있는 방법(램지법)을 최초로 실험하고, 원자의 정밀한 준위를 알아냈다. 그 결과 10조(兆)분의 1이라는 초정밀도의 원자력시계를 만들게 되었다.

1915년 8월 27일 워싱턴 D.C에서 태어난 노먼 포스터 램지. 그의 어머니는 독일 이민자 2세대였고 캔자스 대학에서 수학교사로 일했다. 그의 아버지는 스코트랜드 난민 이였으며 미군 육군 사관학교를 졸업하였고 육군 병기부대에서 군무하였다. 아버지의 잦은 군사 배치 변동으로 그는 워싱턴에서 토피카, 캔사스, 프랑스 파리, 뉴저지, 레벤워스로 이사를 다녀야 했다. 15살 나이에 우수한 성적으로 고등학교를 졸업했다. 처음 그가 과학에 흥미를 갖게 된 것은 원자의 관한 양자이론에 관한 기사를 읽고서 부터였다. 하지만 그 당시 그는 물리학은 직업으로 삼을 수 없다고 생각했다. 그의 부모님은 램지 또한 미육군 사관학교에 입학하길 바라셨지만 램지가 감당하기에는 너무 어렸다.

캔사스 대학에서 학위를 받았지만 그의 부모님 일로 또다시 뉴욕으로 이사를 하게 되어 1931년 세계 경제 대공황 동안 케임브리지 대학에 입학하게 되었다. 엔지니어를 배우기 시작했음에도 불구하고, 엔지니어 보다 과학에 대한 깊은 이해를 원했기에 수학으로 전공을 바꿨다. 수학 경시대회에서 수상 하게 되면서, 졸업생에게 주로 기회가 주어졌던 수학 교육 조교를 맡게되는 영광을 얻게 ?다. 당시 1935년 콜롬비아 대학을 졸업하였고, 물리학이 직업이 될 수 있겠다는 생각과 그가 가장 호기심과 흥미를 갖고 있는 분야라는 것을 깨달았다. 켈렛 장학금을 받아 케임브리지에 다닐 수 있었고 물리학 기초부터 배울 수 있었다. 케임브리지에 있는 캐번디시연구소는 J.J 톰슨, 러더 퍼드, 체드윅, 에플턴, 콕크로프 등 뛰어난 물리학자들의 집합체로 세계에서 각광받는 물리학 센터였다. 케임브리지에서 그의 튜터에게 쓴 에세이는 분자선에 대한 흥미를 일깨워 주었고 후에 박사연구를 꿈꾸게 했다. 케임브리지 대학에서 두 번째 학사학위를 받은 후 콜롬비아로 돌아가 라비와 함께 연구를 시작한다. 그가 도착했을 당시 라비는 분자빔 연구의 전망이 없다는 것을 발견했다. 하지만 물리학에 있어서 새로운 기초적 발견을 위한 아주 중요한 자료가 될 분자빔 자기공명법을 고안해 냈을 때 이런 부정적인 생각은 사라졌다. 이 발견은 램지에게 라비와 그의 조교들과 함께 새로운 분야인 자기 공명을 연구할 수 있게된 첫 번째 졸업생이 될 기회가 되었고, 중양자 사극자 능률을 함께 발견할 수 있게 되었다.
콜롬비아 학위 논문을 마치고 워싱턴에 카네기 연구소 연구원으로 간다. 그리고 그곳에서 중성자-양성자와 중성자-헬륨 분산을 공부했다.

1940년 여름, 엘리노 제임슨(Elinor Jameson)과 뉴욕 브룩클린에서 결혼하였다. 둘의 남은 생을 보내리라는 기대를 안고 일리노이 대학으로 거처를 옮기지만 오래 머무르지 못한다. 세계 2차 대전이 유럽에서 만연했고 몇 주 내로 그 둘은 MIT 방사선 연구소로 옮겨야 했다. 그 후로 2년 동안 램지는 3cm 파장의 레이더 계발 그룹을 이끌었고 육군 장관에게 레이더 책임자가 되어 워싱턴으로 이동한다. 1943년 맨하튼 프로젝트를 연구하기 위해 뉴 맥시코 로스 앨러모스로 이사한다. 전쟁이 끝나자 마자 콜롬비아 대학으로 돌아와 교수직을 맡게 된다. 라비(Rabi)와 그는 전쟁동안 버려졌던 분자 빔 연구소를 되살리기 위해 준비했다. 1947년 하버드 대학으로 옮겨 40년 동안 강의를 했다. 하버드에서 정밀한 분자빔 자기 공명 실험을 목적으로 분자 빔 연구소를 설립했지만 필요한 균일한 자기장을 얻는것이 힘들었다. 이러한 실패로 이용 가능한 자성으로 요구된 정확성을 얻을 수 있는 방법을 계발했다. 분자의 다양한 범위를 연구했음에도 불구하고 이러한 분자가 이론과 실험을 비교하여 가장 적설 하기 때문에 수소 등위원소의 이원자 분자에 집중했다. 기초적인 원자와 원자 수소로 정확성을 얻기 위한 노력에 있어, 원자 수소 분자 증폭기를 발명했다.

그는 실험 물리학자였지만 이론 물리학은 그의 취미였으며 시간반전 대칭 절단과 대등성에 관한 논의를 포함해 NMR의 첫 번째 성공적인 이론, 화학적 이동, 분자 핵 상호작용 그리고 열역학 이론과 통계 역학에 관한 여러 가지 논문을 냈다. 1986년 공식적으로 하버드 교수직에서 은퇴했다. 1년 동안 콜로라도 대학에 있는 천체물리학을 연구하는 조인트 연구소에서 연구원으로 일했고, 콜로라도 이후에 윌리암 칼리지와 미시칸 대학, 시카고 대학의 초빙교수로 일했다. 그레노블에서 공동 연구원들과 중성자 실험을 계속 진행했다. 1983년 그의 부인이 세상을 떠나고 엘리 웰치(Ellie Welch)와 결혼한다. 램지 가족들은 스키와 등산, 자전거 타는 것과 여행을 좋아하며 뮤지컬과 각종 문화 활동을 즐겨한다.

<공동수상>

한스 데멜트(Hans Georg ehmelt)
1922년 9월 9일 독일 괴를리츠에서 출생하였다. 베를린 브레슬라우대학교와 괴팅겐대학교에서 공부하고, 제2차 세계대전에 참전하였다가 포로가 되었다. 1952년 미국으로 건너가 1955년부터 워싱턴대학교 조교수로 근무, 1961년 미국시민권을 획득하였다. 워싱턴대학교 물리학 교수로 연구생활을 계속하면서, 1973년 세계 최초로 ‘단일원자 관찰’에 성공하였다. 독일 태생의 물리학자인 W.파울과 함께 외부의 영향을 받지 않고 물질의 성질을 정밀측정할 수 있는 새로운 방법으로 이온트랩(ion trap:이온포획) 기술을 창안하였다. 이 기술은 이온을 일정 공간에 잡아 고정시키는 방법으로, 이를 이용하면 원자의 초미세구조를 정확히 측정할 수 있다. 파울, N.F.램지와 함께 정밀원자분광학(精密原子分光學) 발전에 기여한 공로로 1989년 노벨물리학상을 수상하였다.

볼프강 파울(Wolfgang Paul)
로렌츠 킬흐에서 태어났다. 실험물리학을 전공하였으며, 1952년부터 본대학교 물리학 교수로 근무하고, 1965∼1967년 스위스에 있는 유럽합동원자핵연구기관(CERN) 소장을 지냈다.
원자나 분자의 움직임으로부터 방해받지 않고 물질을 연구할 수 있는 방법인 이온트랩(ion trap:이온포획) 기술을 창안하여, 원자의 초미세구조를 구명하였다. H.G.데멜트와 함께 창안한 이 기술에 의해 이온에 전자기장(電磁氣場)을 걸어 일정 공간에 정지상태로 가두어 둠으로써 물질을 온도 ·압력 등 외부의 영향을 배제한 상태에서 연구할 수 있다. 특히, 이때 나오는 스펙트럼이 일정해 물질을 1개 단위로 관찰할 수 있다.
이 기술은 우주에서의 통신과 운항에 널리 쓰인다. 정밀원자분광학(精密原子分光學) 발전에 기여한 공로로 H.G.데멜트, N.F.램지와 함께 1989년 노벨물리학상을 수상하였다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

올해의 노벨 물리학상은 원자 규모의 정밀도를 가진 분광법의 개발에 중요한 기여를 한 공로로 하버드 대학교의

노먼 램지 교수, 시애틀에 있는 워싱턴 대학교의 한스 데멜트 교수, 그리고 본 대학교의 볼프강 파울 교수, 이 세 분의 과학자들에게 수여되겠습니다. 이 세 분의 연구 결과는 정밀분광법에서 극적인 발전이 가능해졌습니다. 이들이 개발한 기법을 사용해 우리는 현대적인 의미에서 시간을 정의할 수 있었으며 이 기법은 완전히 다른 분야처럼 보이는 아인슈타인의 일반상대성이론을 테스트하고 지각의 움직임을 측정하는 방법 등에 응용할 수 있었습니다.

원자는 원자 자체의 특정한 고정된 에너지 준위가 있습니다. 그리고 이 준위 사이의 천이는 빛과 같은 전자기 복사의 흡수 또는 방출에 의해 일어납니다. 아주 가까이 위치한 준위 사이의 에너지 천이는 라디오파 복사를 통해 유도될 수 있는데 이것은 이른바 공명기법이라는 분야의 기초가 됩니다. 이런 기법은 1937년 라비 박사가 처음 도입하였습니다. 그리고 핵자기공명, 전자-스핀공명, 그리고 광학적 펌핑과 같은 나중에 개발된 공명기법은 동일한 아이디어에 기반을 두고 있습니다.

라비의 방법에서 원자들의 빔이 진동하는 자기장을 통과할 때 만약 자기장의 진동수가 원자 준위들 사이의 에너지 차이와 일치한다면 원자 준위 사이에 천이가 일어날 수 있습니다. 1949년, 올해 수상자 중의 한 명인 노먼 램지 교수는 두 개의 분리된, 진동하는 자기장을 도입해 라비의 방법을 수정했습니다. 두 자기장의 상호작용 결과 매우 예리한 간섭무늬가 나타납니다. 이 방법을 사용하면서 실험의 정확도는 수백 배에서 수천 배로 개선되었고, 고정밀분광법의 개발을 향한 발전이 시작되었습니다.

램지 방법의 중요한 응용 중의 하나는 세슘원자 시계로서 1967년 이래 시간을 정의하는 표준이 되었습니다. 이제 더 이상 1초는 지구의 자전 또는 공전으로 결정되지 않으며 세슘 원자가 특정한 수의 진동을 하는 시간 간격으로 정의됩니다. 세슘 시계에서 제공하는 시간의 정확도는 300년 동안 1000분의 1초만이 틀릴 정도입니다. 이 시계와 비교하면 지구는 뒤뚱거리는 오리처럼 움직입니다.

분광학자들의 꿈은 단일 원자 또는 이온을 오랜 시간 일정한 조건에 놓고 연구하는 것입니다. 최근 이 꿈이 실현되었습니다. 여기서 사용된 도구는 이온포획입니다. 이 방법은 1950년대, 올해의 노벨 수상자 중 한 사람인 본 대학교의 볼프강 파울 교수에 의해 도입되었습니다. 그의 기술은 또다른 수상자인 한스 데멜트 교수와 시애틀에 있는 공동 연구자들에 의해 더욱 발전되어 오늘날 이온포획분광법이라 불리는 방법으로 발전했습니다.

데멜트와 공동 연구자들은 처음에 이 분광기를 전자 연구에 사용했습니다. 이후 1973년, 그들은 이온포획기를 사용해 수 주 또는 여러 달에 걸쳐 전자를 가둬 놓은 후 가장 처음으로 단일 전자를 관찰하는 데 성공했습니다. 이 방법을 사용해 전자 자체가 가진 성질 중의 하나인 자기모멘트를 12자리 숫자의 정확도로 측정했습니다. 이중 11자리는 이론으로 입증되었습니다. 실험과 이론의 놀랄 만한 일치를 통해 양자전기역학으로 알려진 원자이론의 정확성을 가장 설득력 있게 검증할 수 있었습니다.

비슷한 방법으로 데멜트 교수와 공동연구자들은 단일 이온을 포획하고 연구할 수 있었습니다. 이것은 분광법 역사상 진정으로 획기적인 사건입니다. 이 기법은 이제 원자시계의 정확도를 개선하기 위한 연구에 사용하고 있고 특히 콜로라도 볼더에 있는 미국 표준과학원에서 사용하고 있습니다.

오랜 시간 원자를 저장하고 관찰하는 다른 방법은 하버드 대학교의 램지 교수와 공동 연구자들이 개발하였습니다. 그 결과 개발된 방법이 수소메이저입니다. 수소메이저 장치는 세슘원자 시계보다는 시간과 진동수의 정확성이 덜하지만 안정되어 있기 때문에 시간에 대한 이차적인 표준으로 사용됩니다. 이를 응용한 예로서 대륙간의 움직임을 측정할 수 있는 초장기선 간섭계(VLBI)를 들 수 있습니다. 두 대륙에 설치된 라디오파 망원경에서 수신된 라디오파 별의 신호와 그 신호를 받는 순간의 시각을 수소메이저를 통해 기록하고 두 수소메이저의 시각을 비교하면 대륙의 상대적인 이동을 측정할 수 있습니다.

다른 응용 분야는 아인슈타인의 일반상대성이론을 테스트하는 것입니다. 일반상대성이론에 따르면 산꼭대기의 시간은 계곡에서의 시간보다 빠르게 갑니다. 이 예측을 테스트하기 위해 한 수소메이저를 로켓에 장착하여 1만 킬로미터 높이에 위치시키고 이 수소메이저의 진동수를 지상에 있는 다른 수소메이저와 비교하였습니다. 예측된 주파수의 변화가 1만분의 1의 정확도로 입증되었습니다.

빠른 속도로 원자시계가 개발되어 가까운 미래에 더 훌륭한 시계가 완성되리라 예상합니다. 이 시계는 100경 분의 1의 정확도를 실현할 수 있을 것입니다. 이것은 150억 년 전 우주가 생성된 이래 1초 이하의 오차에 해당됩니다.

우리에게 그런 정확도가 필요할까요? 우주공간에서 항해하고 통신하는 것은 훨씬 높은 정확도가 필요합니다. 현존하는 원자시계는 이미 자신의 능력의 한계에 가까이 사용되고 있습니다. 새로운 기술은 아마 매우 기초적인 물리학의 원리를 테스트하는 데 사용될 것입니다. 양자역학과 상대성이론에 대한 계속된 테스트는 시간과 공간 또는 물질의 가장 작은 구성단위에 관한 우리의 모델을 더욱 정교하게 해줄 것입니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표해 축하의 말씀을 드립니다. 이제 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

- 스웨덴 왕립과학원 잉바르 린드그렌

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

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