천재 물리학자 겔만, 우주의 비밀을 한꺼풀 벗겨내다
천재 물리학자 겔만, 우주의 비밀을 한꺼풀 벗겨내다
  • 정경은
  • 승인 2020.05.27 21:30
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대구, 노벨상을 품자 (16) 종교의 섭리 열쇠로 물리학 문제 도전 - 2
1929년 유대인 가정 출생
15세에 예일대학 입학 후
21세에 물리학 박사학위
1964년 전자보다 미세한
물질 기본입자 ‘쿼크’ 규명
1969년 노벨물리학상 수상
8개씩 짝지은 소립자들
불교 ‘팔정도’서 이름 따
‘팔정도모형’이라 불러
노벨상-지구
지구에 있는 분자에서 소립자까지 모든 신비를 찾아서 노벨물리학상은 달려왔다. 그림 이대영

◇ ‘광명과 복음’을 과학의 ‘빛과 음향’으로 규명

1930년 수상자인 인도 물리학자 찬드라세카라 벵커타 라만 경(卿)(Sir Chandrasekhara Venkata Raman, 1888~1970)은 빛(입자)의 산란에 관한 라만효과(Raman effect)를 규명했다는 공적, 즉 “빛의 산란과 자신의 이름을 딴 효과를 규명한 공로(for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him)”로 아시아인으로서 최초로 노벨물리학상을 받았다.

그는 인도 타밀나두 주 티루치라팔리(Thiruvanaikoil, Madras Presidency, British India)에서 브라만(Brahmins) 가문에서 수학과 물리학 강사를 하는 아버지의 아들로 태어났다. 1902년 세인트 알로이시오 앵글로-인디언 고등학교(St Aloysius Anglo-Indian High School)를 졸업하고 1902년 첸나이 프레지덴시 대학교(Chennai President University)에 입학, 물리학경연대회에서 최고 수상자(금메달)로 선정되었다. 1904년 예술학 학사학위를 취득하고, 1907년 마드라스대학교(Presidency College, University of Madras)에서 석사학위를 취득했다. 1907년 인도 재정부(Indian Finance Department)에서 근무했으며, 과학문화협회(Cultivation of Science at Calcutta)에서 실험연구에 종사했다.

그런데 운명은 그를 다른 길로 인도했다. 1917년부터 콜카타 대학교(University of Calcutta) 물리학 교수가 되어 15년간 근무했으며, 1933년부터 1948년까지 방갈로르 인도과학연구소(Indian Institute of Science, Bangalore)에서 광학 및 음향학에 관한 많은 연구를 했다. 인도 과학문화협회(Indian Association for the Cultivation of Science) 회원, 인도 과학연구원(Indian Institute of Science)에서도 종사했다. 1926년 인도 과학저널(Indian Journal of Physics)을 창간했다. 1928년 2월 28일 라만효과(Raman effect)를 발견하여 ‘새로운 방사성(A New Radiation)’이라는 연구논문을 발표해 빛의 양자적 특성을 입증했다. 이로 라만 분광학의 기반을 마련했다.

현재 남아있는 저서로는 1984년 ‘마르탄다 베르마(MARTHANDA VARMA)’, 1985년 ‘라마라하 바하두르(Ramaraja Bahadur)’, 1989년 ‘과학논문 : 음향(Scientific Papers: Acoustics)’, 1989년 ‘과학논문 : 꽃 색깔과 시각 지각(Scientific Papers: Floral Colours and Visual Perception), 2012년 ‘라만 분광학 개론’, 2016년 ‘다르마 라야(DHARMARAJA)’, 2016년 ‘빛의 분자 회절(Molecular Diffraction of Light)’및 2018년 ‘마르 탄다 바르마(MARTHANDAVARMA)’등이 있다.

◇ 팔정도(八正道) 모양의 8소립자 모형

1969년, 미국의 물리학자 머리 겔만(Murray Gell-Mann, 1929~2019)은 “기초입자와 상호작용의 분류에 관한 공헌(for his contributions and discoveries concerning the classification of elementary particles and their interactions)”이란 명목으로 노벨물리학상을 받았다. 여기서 먼저 소립자(elementary particle)란 물질을 형성하고 있는 입자(粒子)인 분자→ 원자→원자핵→ …으로 세분화되어 더 이상 나눌 수 없는 입자를 말한다. 현재는 약 300여 종의 소립자가 알려져 있다. 가장 먼저 발견한 소립자는 전자였다. 원자는 1mm의 1만 분의 1, 원자핵은 대략 1mm의 1조 분의 1정도, 전자는 원자핵의 1만 분의 1 크기, 질량은 9.1×10-28g 정도로 소립자 물리학(elementary particle physics)에서는 소립자의 크기를 0으로 설정한다.

1897년 영국 조지프 존 톰슨((Joseph John Thomson, 1856~1940)이 소립자 전자, 1908년 영국 물리학자 어니스트 러더퍼드는 원자핵을 찾아내었다. 1932년 영국 제임스 채드윅(James Chadwick, 1891~1974)은 중성자와 양전자를 규명, 1936년 앤더슨이 중간자 뮤온(Muon) 발견했다. 1930년대 스위스 물리학자 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli, 1900~1958)는 중성미자 존재를 제시, 1950년 중성미자를 규명했다. 1964년 머리 겔만(Murray Gell-Mann, 1929~2019)과 조지 츠바이히(George Zweig, 1937년생)는 양성자와 중성자, 전자보다 미세한 쿼크라는 소립자를 규명했으며, 1975년 가속기를 통한 타우온(Tauon)을 발견했다. 우주 공간을 구성하는 최소단위의 물질, 즉 소립자라고 알려진 힉스(Higgs) 입자는 입자의 질량을 설명하기 위해 도입한 입자로 1964년 피터 힉스(Peter Higgs, 1929년생)가 우주에 존재할 것이라고 제기했으나 자연 속에 관찰되지 않아 입자가속기로 입자 충돌을 통한 실험으로 규명했다.

그런데 1961년 머리 겔만(Murray Gell-Mann, 1929~2019)과 이스라엘 물리학자 유발 네에만(Yuval, Ne’eman, 1925~2006)이 소립자들이 8개씩 짝지어 있는 것을 발견하고 농담으로 했던 불교의 팔정도(八正道, Eightfold Way)에서 이름을 따서 팔정도모형(Eightfold Way Model)이라고 했다. 이는 마치 1946년도 노벨문학상 수상자 헤르만 헤세(Hermann Hesse, 1877~1962)의 자서전 ‘수레바퀴 밑에서(Unterm Rad)’의 운명의 수레바퀴(wheel of fate) 혹은 법륜(Dharma cakra)에 의한 인과법칙의 지배를 받고 있다. 구체적으로 비유하면 오늘날 우리들이 자동차 운전대(steering wheel), 항공기 조정간(control handle), 선박 방향타(rudder), 드론의 리모콘(remote control)에 통제를 받는 것과 같다.

머리 겔만은 미국 뉴욕 맨해튼(Manhattan, New York City, U.S.)에서 오스트리아· 헝가리 이민 저소득층의 유대인 가정에서 태어났다. 14세까지 콜롬비아 예비학교(Columbia Grammar & Preparatory School)를 다녔으며 15세에 예일대학(Yale University)에 입학했다. 19세에 MIT(Massachusetts Institute of Technology) 대학원에 들어갔으며 21세 때인 1951년에 빅터 와이스코프(Victor Weisskopf, 1908~2002) 교수의 지도 아래 ‘커플링 강도와 핵반응(Coupling strength and nuclear reactions)’이라는 학위논문으로 물리학 박사학위를 취득했다. 박사후연수 과정(post-doc course)으로 MIT 고등연구소(Institute for Advanced Study)의 연구원으로 일했으며 1952년부터 1953년까지 일리노이대학교 방문 조사 교수, 1954년부터 1955년까지 콜롬비아대학교(Columbia University) 방문 조교수, 시카고대학교(University of Chicago) 조교수, 1955년부터 1993년 정년퇴직까지 캘리포니아공과대학교(California Institute of Technology)에서 교수로 교편을 잡았다.

글=정경은<코리아미래연구소 수석연구원>

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