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노벨상인물

프랭크 윌첵 FRANK WILCZEK

프랭크 윌첵 [이미지]
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MIT (매사추세츠공과대학교)
  • 작성 2017-04-04
  • 조회 0
  • 출생1951-05-15
  • 국적 미국
  • 분야물리학, 수학
  • 소속매사추세츠공과대학
  • 출신대학프리스턴대학교
  • 주요업적강력이론에서 점근적 자유성의 발견
  • 수상노벨물리학상(2004)
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인물정보

미국의 수학자·물리학자. 원자핵을 이루는 쿼크들 사이에 존재하는 색힘(color force), 즉 강력(强力)으로 불리는 미지의 힘의 작용을 규명하였다. 이를 통해 전자기력·약력·강력 등 3가지 힘을 하나의 이론(통일장이론)으로 설명할 수 있게 되었다.

1951년 5월 15일 뉴욕에서 태어났다. 어릴적 부터 퍼즐이나 수수께끼 푸는 것을 좋아했고 귀납법과 누승법과 같이 다양한 방식을 활용 할 만큼 어릴 적 부터 수학에 재능을 갖고 있었다. 그의 부모님은 교육에 투자하는 것을 아끼지 않으셨다. 부모님은 의사나 엔지니어가 되기를 바라셨고 학교에서 학업이 우수했던 프랭크 윌책은 그 기대에 부응했다. 전자공학분야에서 일하시던 아버지는 야간학교를 다니셨는데, 윌책이 살던 작은 아파트에는 오래된 라디오나 최신형 텔레비전 그리고 아버지가 공부하시던 책들로 가득 차있었다.

시카고대학교에서 과학과 수학을 전공했다. 피터 프런드(Peter Freund)교수의 대칭활용과 그룹이론 수업을 들었는데, 열정적이고 학생들에게 동기를 부여해주는 교수 덕분에 물질(metarial)에 흥미를 갖게 되었다. 그 후로, 1972년 프린스턴대학교에서 수학으로 석사학위를, 1974년 같은 대학교에서 물리학 박사학위를 받았다. 이후 매사추세츠공과대학(MIT) 교수로 몸담아 현재까지 같은 대학에서 물리학을 강의하고 있다. 샌타바버라 이론물리연구소 연구원으로 일하기도 하였다.

수학자이자 물리학자로, 1973년 프린스턴대학교 대학원생으로 있을 당시 스승인 그로스(David Gross)와 함께 원자핵을 이루는 쿼크들 사이에 존재하는 색힘(color force), 즉 강력(强力)으로 불리는 미지의 힘의 작용을 규명한 논문을 발표하면서 널리 알려졌다.

두 사람이 쿼크의 상호작용을 규명한 것과 같은 시기에 하버드대학교의 폴리처(David Politzer)도 연구를 통해 이들과 똑같은 연구 결과를 얻었다. 이들 세 명이 강력의 상호작용을 밝혀내기 전까지 물리학계에서는 쿼크가 지나치게 큰 강력으로 묶여 있다고 생각하였기 때문에 쿼크 사이의 상호작용을 이해할 수 없었다.

그러나 세 명의 연구를 통해 전자기력·약력·강력 등 3가지 힘을 하나의 이론(통일장이론)으로 설명할 수 있는 기틀이 마련되었다. 윌첵은 쿼크의 상호작용을 밝혀 자연의 이치를 하나의 이론으로 설명하는 과학의 꿈을 실현하는 데 이바지한 공로로 나머지 두 명과 공동으로 2004년 노벨물리학상을 받았다.

대표적인 저서로는《물리학의 기하학적 위상 Geometric Phases in Physics》(1988),《조화를 위한 갈망 Longing for the Harmonies》(1989) 등이 있다.

<공동수상>

데이비드 조너선 그로스(David Jonathan Gross, 1941~)
미국의 이론물리학자.
이스라엘 헤브루 대학교에서 공부하였으며, 1962년에 버클리에 있는 캘리포니아 대학교에서 박사학위를 취득하였다. 1969년에 프린스턴 대학교의 조교수가 되었으며 1971년에 정교수로 승진하여 1997년까지 이론물리학을 강의하였다. 1973년에는 제자이자 공동 수상자인 프랭크 윌첵과 함께 강력의 작용에 관한 논문을 발표하기도 하였다. 1997년에 산타바버라에 있는 캘리포니아 대학교의 이론물리학 교수가 되었다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
아이작 뉴턴은 사과가 떨어지는 것을 보고 중력이 어떻게 작용하는지를 이해하고, 중력의 법칙을 세울 수 있었습니다. 그는 이 법칙을 이용해서 지구 주위를 도는 달의 궤도를 설명하였습니다. 그는 두 물체 사이의 힘이 거리가 멀어짐에 따라 어떻게 감소하는지를 보여 주었습니다. 전하를 띤 두 물체 사이의 전기력도 중력과 비슷하게 거리가 멀어지면 감소한다는 사실이 밝혀졌습니다. 그런데 힘이란 무엇일까요? 힘은 어떻게 생기는 것일까요? 진공처럼 빈 공간에서 어떻게 힘이 작용할 수 있을까요? 정확히 100년 전 알베르트 아인슈타인은 빛이 광양자라고 부르는 덩어리들로 표현될 수 있으며, 이 광양자들이 전하를 띤 물체들 사이를 오가면서 두 물체 사이의 전자기 힘을 매개한다는 것을 알아냈습니다. 그것은 마치 축구공이 골키퍼를 뚫고 들어가거나 폭탄이 요새의 탑을 무너뜨리는 것과 같습니다. 뮌히하우젠 남작이 포탄에 몸을 싣고 담을 넘는 장면을 상기해 볼 수도 있습니다.

왜 힘은 거리가 멀어지면 약해지는 것일까요? 포탄의 경우라면 공기의 저항을 받기 때문이라고 이해할 수 있습니다만, 광양자의 운동이 매개하는 힘은 진공 속에서도 감소합니다. 그 이유는, 양자역학에 의하면, 광양자의 빔은 동시에 하나의 파동이기 때문입니다. 즉 소스로부터 멀어질수록 그 파동의 작은 부분만이 여러분에게 도달되는 것입니다. 1883년의 크라카토아 폭발 때 발생한 파도가 수마트라 해안을 덮쳤을 때는 그 피해가 어마어마했지만, 아프리카 해안에 도달했을 때는 물의 출렁거림 정도에 불과했던 것과 같습니다. 중력도 전자기력과 마찬가지로 이해할 수 있습니다. 아직 중력을 전달하는 입자를 발견하지는 못했지만 우리는 그것이 있을 것이라고 생각합니다.

물리학자들은 자연에 작용하는 근본적인 힘과 함께 자연을 구성하는 근본적인 구성 요소들을 이해하려고 합니다. 우리는 물질을 원자로, 원자를 다시 전자와 핵으로, 핵을 또 중성자와 양성자로 계속 나누어 왔습니다. 그러자 핵 속에 다른 종류의 힘이 동시에 작용하고 있음이 명백해졌습니다. 하나는 방사능 붕괴와 관련된 약력이며, 다른 하나는 양성자들 사이의 강력한 반발력에도 불구하고 이들을 핵 속에 붙들고 있는 '강력'입니다. 이러한 힘들은 불가사의하게도 핵 크기 정도의 매우 짧은 거리에서만 작용합니다. 이러한 근본적인 힘들과 자연의 근본적인 구성요소들을 이해하는 것이 지난 50년 동안 입자물리학의 큰 숙제였습니다. 올해의 노벨상으로 이전의 노벨상을 수상한 연구들이 그려 오던 그림이 완성되었다고 할 수 있습니다. 이제 우리는 근본적인 자연의 구성 요소들을 알게 되었고, 네 개의 근본적인 힘을 기술할 수 있게 되었습니다.

이러한 것을 가능케 한 선행 발견 중 하나는 양성자와 중성자가 쿼크라고 부르는 좀 더 근본적인 입자들로 형성되어 있다는 것입니다. 쿼크들은 다른 종류의 전하를 가진 다양한 입자들이어서 당연히 전자들처럼 운동할 것이라고 생각되었습니다. 그러나 전자들과는 달리 독립적으로 존재하는 독립쿼크는 전혀 관찰되지 않았습니다. 이상하게도 쿼크들이 서로 멀어질수록 그들 사이의 힘이 증가하는 것처럼 나타났습니다. 반대로 두 쿼크가 매우 가까워지면 전혀 서로를 느끼지 못한다는 증거들이 나타났습니다. 이러한 거동을 '점근적 자유성'이라고 합니다. 어떤 이론이 이러한 쿼크의 거동을 설명할 수 있을까요? 쿼크 간의 이러한 거동은 전자기력을 성공적으로 기술해 낸 기존의 이론으로는 설명이 불가능함으로써, 1970년대의 입자물리학은 커다란 딜레마에 빠져들었습니다. 어떠한 모델이나 계산 결과도 실험 결과와 상반되는 거동을 예측할 뿐이었습니다. 마침내 문제는 하나의 질문으로 귀착되었습니다. 어떤 이론이 적당한 곳에 음의 기호를 넣을 수 있을까? 시험대에 오른 모든 이론들은 잘못된 양의 값들을 내놓을 뿐이었습니다.

1973년, 데이비드 그로스와 프랭크 윌첵, 그리고 데이비드 폴리처는 새로운 종류의 이론적 접근을 시도하였습니다. 결과는 -11/3이라는 수치를 내놓았는데, 그것은 이 이론이 점근적 자유성을 기술하고 있음을 의미하는 것이었습니다. 전 세계는 물론 그들 자신에게도 놀라운 결과였습니다. 이처럼 네거티브한 결과가 포지티브한 효과를 갖는 경우는 매우 드물 것입니다. 곧이어 쿼크 간의 '강력'에 관한 이론이 완성되었으며 실험과의 상세한 비교가 이루어졌습니다. 지난 15년간 대형가속기에서 수행된 실험들을 통해 그들의 이론이 대단히 정확하다는 것이 검증되었습니다. 그로스, 폴리처, 그리고 윌첵 교수의 이론은 물질을 구성하는 근본 구성 요소인 쿼크의 물리적 거동을 성공적으로 기술하였습니다. 또한 그 이후의 연구를 통해서 그들의 이론이 유일무이하다는 것이 밝혀졌습니다. 어떤 다른 이론도 실험 결과를 제대로 설명하지 못했는데 이렇게 발견된 단 하나의 이론만을 자연이 선택한다는 것은 참으로 놀라운 일입니다.

그로스 교수님, 폴리처 교수님, 그리고 윌첵 교수님.
여러분은 원자핵의 강력 이론에서 점근적 자유성을 발견한 공로로 2004년 노벨 물리학상을 수상하게 되었습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표해 축하의 말씀을 전하게 되어 대단히 영광스럽습니다. 이제 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

-스웨덴 왕립과학원 라르스 브링크

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자료출처
[네이버 지식백과] 강력이론에서 점근적 자유성의 발견 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사), 네이버 지식백과, Nobelprize.com

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