NEFC

프랑스의 물리학자. 추, 필립스와 함께 레이저 빛을 이용해 원자를 마이크로켈빈 온도까지 냉각시켜 가둘 수 있는 기술을 개발, 중력의 힘을 측정하는 계기 개발은 물론 원자 연구 분야에 새로운 전기를 마련해 공동으로 노벨물리학상을 수상하였다.

1933년 프랑스의 식민지였던 알제리 콘스탄틴(Constantine)주에서 태어났다. 탕헤르 출신인 그의 가족들은 원래 튀니지에 살았으나, 종교재판 중 스페인으로 망명 후 16세기에 알제리에 정착하게 된다. 코앙 타누지(Claude Cohen-Tannoudji)의 의미는 튀니지(Tunisia) 출신의 코앙(Cohen)혈통을 의미한다. 1830년 알제리가 프랑스 식민지가 된 후 알제리에 사는 유대인들은 1870년에 프랑스 시민권을 얻게 되었다. 타누지의 부모들은 현대적 삶을 살았고 그들은 자녀 교육에 관심이 많았다. 그의 아버지는 독학으로 공부하였지만 성경과 탈무드 뿐 아니라 철학, 심리학 그리고 역사에 관해 관심이 많았다. 타누지에게 공부, 토론, 논쟁에 대한 그의 관심을 전달해 주었고, 공부, 학습, 다른 사람과 지식을 나누는 것과 같은 유대교의 핵심적 가치로 여기는 것들을 가르쳤다.

어릴적 부터 그는 그 세기에 발생한 비극적 사건들을 운 좋게 피할 수 있었다. 1942년 11월, 알제리에 미국인의 정착은 그 시대에 유럽 전역에 퍼져있던 나치 학대로 부터 그를 구하였다. 타누지는 초등교육, 중등교육 그리고 고등교육을 매우 좋은 조건에서 마치고 1953년 독립을 향한 격한 시기와 알제리에서 전쟁이 발발하기 이전에 프랑스 고등사범학교에 입학허가를 받고 파리로 떠나게 된다. 약 200년 전 프랑스 혁명 중 세워진 그랑제콜은 고등학교의 마지막 시험에서 좋은 성적을 거둔 수석 학생을 선발하는 곳 이였다. 1953년부터 1957년까지 4년동안 그랑제콜에서의 4년은 그에게 정말 특별한 경험 이였는데, 입학 후 1년 동안은 로랑 슈바르츠(Laurent Schwartz)와 앙리 카르탕(Henri Cartan)에게 수학을, 알프레드 카스틀레르(Alfred Kastler)에게 물리학을 배웠고, 초기에는 수학에 더 관심이 많았으나 카스틀레의 강의에 매료되어 타누지은 물리학으로 전공을 선택하게 되고, 이후에도 알프레드 카스틀레르지도 아래 졸업연구와 고등학교 교사자격 트레이닝을 받기도 한다.

1958년 그의 부인 젝클린(Jacqueline)을 만났다. 그녀는 세 아이를 키우기 위해 고등학교 물리와 화학 교사의 직업을 지켜왔다. 그들은 자녀를 잃는 커다란 비극을 겪게 되는데, 그들의 첫째아들 알린(Alain)이 1993년에 34살이라는 젊은 나이로 오랜 시간 투병 끝에 숨을 거두었다. 코앙은 고등교사 자격시험을 마친 후, 알제리 전쟁 때문에 28동안이라는 긴 시간동안 군복무를 하기 위해 고등사범학교를 떠난다. 그러나 그는 제이콥 에밀(Jacques Emile Blamont)이 감독하는 과학부서의 일원으로 배정받게 되어 나트륨 연기를 내뿜는 로켓으로 초고층 대기를 연구한다.

1960년대 박사학위를 위해 연구소로 돌아와 알프레드 카스틀레(Alfred Kastler)와 브로셀(Jean Brossel)아래 CNRS에서 연구원으로 연구를 한다. 박사학위를 마친 후 알프레드 카스틀러의 권유로 파리 대학에서 학생들을 가르치기 시작한다. 그 당시 유연성있는 프로그램으로 졸업반 학생들로 구성된 "‘로이즘 사이클’이라 불리던 새로운 강의가 개설되어 브로셀은 코앙타누지에게 양자 역학을 가르칠 것을 요청했다. 이 수업을 듣는 에콜 노르만 학생들은 최고의 실력을 자랑하였고, 코앙은 매년 소그룹을 만들어 신입생들이 수업에 적극적으로 참여할 수 있게 도울 뿐더러 조기졸업 할 수 있도록 도왔다.

특히 그는 1988년부터 1995년까지 동료 과학자들과 함께 원자들을 1마이크로켈빈(절대영도인 -273℃의 100만 분의 1) 이내의 온도로 냉각시키는 데 성공함으로써 1995년 다른 과학자들이 ''보스-아인슈타인 응축물''이라는 새로운 물질 상태를 만들어 내고, 1997년에는 원자 레이저까지 개발할 수 있도록 하는 데 이바지하였다.
코앙타누지의 이러한 연구 결과는 미국 스탠퍼드대학교의 추(Steven Chu), 미국 국립표준기술연구소의 필립스(William D. Philips) 등 두 사람과 함께 각각 독자적으로 연구해 이루어 낸 성과로, 추는 기체를 얼리지 않고 절대영도에 거의 근접한 온도까지 냉각시키는 장치를 개발하였고, 필립스는 온도를 측정하는 다양한 방법을 개발해 1988년 40마이크로켈빈의 온도를 얻어 내는 데 성공하였다.

그들의 연구는 기체가 저온에서 나타내는 양자 물리적 행동에 대해 우리가 더 많이 이해할 수 있게 해주었다. 즉 이들 세 명은 레이저 빛을 이용해 원자를 마이크로켈빈 온도까지 냉각시켜 가둘 수 있는 기술을 개발, 중력의 힘을 측정하는 계기 개발은 물론, 우주 항해, 원자시계 등 원자 연구 분야에 새로운 전기를 마련함으로써 1997년 공동으로 노벨물리학상을 수상하였다.

*공동수상
스티븐 추(Steven Chu)
1948년 미국 미주리주(州) 세인트루이스에서 출생하였다. 로체스터대학교를 마치고, 캘리포니아대학교에서 박사 학위를 받은 뒤 뉴저지주(州)에 있는 벨연구소를 거쳐 1987년 스탠퍼드대학교 교수로 몸담아 2001년 현재에 이르고 있다.

특히 추는 1985년 벨연구소에서 동료 과학자들과 함께 원자를 냉각시키는 방법을 개발하고, 다시 기체를 얼리지 않고 절대영도에 거의 근접한 온도까지 냉각시키는 장치를 만들었다. 이어 절대영도의 100만 분의 1에 해당하는 마이크로켈빈 온도까지 냉각시키는 장치를 개발함으로써 개별 원자에 대한 자세한 연구는 물론, 원자의 내부구조를 해명하는 데에도 크게 이바지하였다.

윌리엄 필립스(William D. Philips)
1948년 펜실베이니아주(州)에서 태어났다. 1978년 매사추세츠공과대학(MIT)에서 박사 학위를 취득한 뒤, 미국 국립표준기술연구소(NIST)에 재직 중 스탠퍼드대학교의 추(Steven Chu), 파리고등사범학교의 코앙타누지(Claude Cohen-Tannoudji)와 함께 각각 독자적으로 실온에서 공기로 구성된 원자와 분자의 온도 및 속도에 관해 연구하였다.

필립스·추·코앙타누지는 독자적인 연구를 통해 레이저 빛을 이용, 원자를 마이크로켈빈(절대영도로부터 100만분의 1일 될 때의 온도) 온도까지 냉각시킴으로써 얼어 있는 원자를 계속 떠 있게 해 이들을 각기 다른 원자의 포위망 안에 가둘 수 있는 방법을 개발하였다. 이때 레이저 빛은 진한 액체로 기능을 하고, 원자들은 이 액체 안에서 속도를 늦추게 된다.

이 방법의 개발로 개별 원자들에 대한 속성을 자세히 연구할 수 있게 되었음은 물론, 기체가 저온에서 나타내는 양자 물리적 행동에 대한 인간의 이해 폭도 한층 넓어졌다. 또 중력의 힘을 측정하는 계기 개발과 우주항해, 원자시계 개발 등에도 이 방법이 이용되고 있다. ?

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

올해의 노벨 물리학상은 레이저를 사용해 원자를 포획하고 냉각시키는 방법을 개발한 세 명의 물리학자들에게 수여하기로 했습니다.

우리 주위를 둘러싼 공기 속의 분자는 평균 초속 500미터라는 속도로 빠르게 움직이고 있습니다. 공기에는 1세제곱 센티미터당 25조 개의 분자가 평균 속도를 중심으로 종형곡선으로 분포되어 있으며 다른 분자들과 초당 십억 번 정도 충돌하고 있습니다. 공기를 구성하는 분자들의 불규칙적이고 빠른 운동은 공기가 압력, 소리를 전파하는 능력, 그리고 (상당히 나쁘지만) 열을 전달하는 능력 등을 갖게 해줍니다.

만약 우리가 개개의 입자 또는 적은 수의 입자를 연구하고자 한다면 이들 입자들을 천천히 움직이게 해야 합니다. 입자들이 천천히 움직여야만 충분하게 관찰할 수 있기 때문입니다. 우리는 빛을 사용해 입자의 성질과 상태를 관찰하는데 입자의 속도가 달라지면 입자에 충돌하고 튀어나온 빛의 성질이 달라지게 됩니다. 그 이유는 운동하는 입자가 방출하거나 흡수할 수 있는 빛의 진동수는 입자의 운동에 따른 도플러 효과로 인해 변화하기 때문입니다. 이 현상은 우스꽝스러운 오페라 공연에 비유할 수 있습니다. 이 우스꽝스러운 오페라에서 주연은 무대 주위를 매우 빠른 속도로 움직이며 자신의 동료들과 부딪치고 튕기며 노래를 부릅니다. 시각적으로는 놀랄 만한 공연이 될지도 모르지만 음향학적인 관점에서는 재앙에 가깝습니다. 왜냐하면 청중들은 오페라의 주연이 부르는 노래의 음정이 맞지 않다고 생각할 것이기 때문입니다(만약 가수가 매우 빠른 육상선수처럼 달린다면 그때 음정의 최대 변화폭은 반음 정도됩니다).

?

1997년의 노벨 물리학상은 원자를 절대온도 0도보다 겨우 수백만 분의 1도 높은 온도로 냉각시키는 방법에 관련된 것입니다. 이와 같은 극저온에서 원자의 속도는 초당 수 센티미터로 줄어듭니다. 문제는 이 정도의 저온에 도달하기도 전에 이미 원자 또는 분자는 응축되어 액체로, 그리고 최종적으로는 고체로 변화한다는 것입니다. 고체와 액체와 같은 응축물들에 있는 원자들은 서로 조화롭게 합창을 하지만 이때의 음조는 원자들이 홀로 있을 때 부를 때와는 다른 음조로 노래를 합니다. 그러나 우리가 원하는 것은 원자들의 솔로 공연입니다. 따라서 원자들이 응축되지 않도록 멀리 떨어진 상태에서 운동을 감소시켜야만 합니다.

레이저 빛의 도플러 효과를 이용해 낮은 온도에 도달하려는 생각은 일찍이 1970년대부터 시작했습니다. 그리고 이 생각은 원자가 빛의 입자, 즉 광양자를 흡수할 때 흡수된 광양자로부터 충격을 받는다는 사실에 기초한 것입니다. 만약 원자의 속도가 광양자의 속도와 반대 방향이라면 원자의 속도는 감소합니다. 우리가 레이저 빛의 주파수를 조절해 레이저 빔의 진행 방향과 반대 방향의 원자만이 레이저 빛과 공명하도록 설정할 수 있다면 원자들의 속도를 늦출 수 있습니다. 이와 같은 기본적인 생각에 기초해 원자를 효율적으로 냉각하고 포획하기 위해서는 수년 동안의 이론적·실험적 연구와 개발이 필요했습니다. 여기에서 중요한 장치는 자기광학 포획 장치로써 원자들이 세 쌍의 서로 반대 방향으로 배열된 레이저빔의 ''광학적 당밀''에 의해 느려지고 자기장에 의해 포획되는 장치입니다. 최근에 개발된 서브코일 냉각법을 사용하면 절대온도 1,000만분의 1도까지 냉각시킬 수 있습니다.

이와 같이 원자의 운동을 더욱더 잘 제어할 수 있게 됨에 따라 원자와 빛의 복사 사이의 상호작용에 대한 우리의 지식을 넓힐 수 있었습니다. 이러한 직접적인 중요성 외에 이 방법의 실용적인 용도가 궁금할 수도 있을 것입니다. 1850년대 전기의 실용적인 가치에 대해 영국 재무성 장관인 윌리엄 글래드스턴이 마이클 패러데이에게 질문했을 때, "언젠가 장관께서 여기에 세금을 물리겠지요"라고 답변한 것이 가장 고전적인 예가 될 것입니다. 패러데이의 전기와 자기에 대한 연구는 이후 전자공학의 초석이 되었습니다.

올해 노벨 물리학상이 수여된 연구에서 세금을 걷을 수 있는 어떤 것이 만들어질지는 아직 알 수 없습니다만 앞으로 그런 날이 오리라고 믿습니다.

우리는 원자를 문자 그대로 정지시킬 수 있었기 때문에 더욱 정확한 원자시계를 제작할 수 있으며, 인공위성을 통해 지구상의 위치를 결정할 때 훨씬 정확하게 위치를 결정할 수 있습니다. 올해의 노벨상이 수여된 냉각기술과 다른 냉각기술을 함께 보완해서 사용한다면 원자물리학에서 ''꿈의 마일''이라고 부르는 70년 전 아인슈타인이 예측한 기체의 보스-아인슈타인 응축을 만드는 것이 가능합니다. 그것으로부터 결맞은 원자빔인 ''원자 레이저''를 만들 수 있으며 원자 레이저는 매우 작은 전자공학 소자를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

스티븐 추 교수님, 클로드 코앙타누지 교수님, 그리고 윌리엄 필립스 박사님.

여러분은 원자와 원자가스를 연구하고 제어할 수 있는 새로운 분야를 열었습니다. 그리고 원자를 냉각하고 포획할 수 있는 방법을 개발하는 데 가장 많은 공헌을 하여 세계적으로 성공한 연구 그룹이자 공동 연구자들을 대표하는 지도자로서 올해의 노벨 물리학상을 수상하게 되었습니다.

스웨덴 왕립과학원의 따뜻한 축하를 보낼 수 있게 된 것을 영광스럽게 생각합니다. 이제 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 벵트 나겔