복사 현상의 자기적 영향에 대한 연구

수상자: 헨드리크 안톤 로렌츠(Hendrik Anton Lorentz), 피에터 제만(Pieter Zeeman)

헨드리크 안톤 로렌츠

1902년 노벨 물리학상은 “복사현상의 자기적 영향에 대한 연구”로 헨드리크 안톤 로렌츠와 피에터 제만에게 공동 수여되었습니다. (아래 원문참조)[1]:

The Nobel Prize in Physics 1902 was awarded jointly to Hendrik Anton Lorentz and Pieter Zeeman “in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena”

헨드리크 안톤 로렌츠(Hendrik Anton Lorentz)(1853~1928)

네덜란드의 물리학자. 1875년 레이덴 대학교의 피에터 리케 교수의 지도 아래 박사학위를 취득하였으며, 1878년에 같은 학교에 신설된 이론물리학과 교수로 임용되었다. 재직 중 공동 수상자이기도한 피에터 제만을 지도하기도 했다. 1912년 하를럼에 있는 테일러 연구소 소장이 되었다. 빛의 전자기 이론을 비롯하여 전자기파의 운동과 빛 사이의 유사성을 주장하였으며, 이는 제만에 의하여 증명되었다.

피에터 제만(Pieter Zeeman)(1865~1943)

네덜란드의 물리학자. 1885년 레이덴 대학교에 입학하여 1890년에 공동 수상자인 로렌츠의 조교가 되었다. 1893년 박사학위를 취득하였으며, 1900년에 암

스테르담 대학교 교수로 임용되었다. 1923년에 같은 학교에 새 연구소가 설립

피에터 제만

되었는데, 1940년에는 그의 이름을 따 ‘제만 연구소’로 개명되었다. 제만 효과라 불리는 자기장 내에서의 스펙트럼선의 분열을 발견함으로써 로렌츠의 전자론을 증명하였으며, 그 이후 연구에도 많은 영향을 주었다.

(수상자 선정 심사위회장의 발표문)[2,3]:

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분! 스웨덴 왕립과학원은 광학과 전자기 현상의 결합에 대한 연구에서 선구적인 성과를 거둔 라이덴 대학교의 헨드리크 안톤 로렌츠 교수와 암스테르담 대학교의 피에터 제만 교수께 올해의 노벨물리학상을 수여하기로 결정하였습니다. 현대 물리학의 근본 원리인 에너지보존의 법칙 이래로 빛과 전기의 결합을 위한 연구는 이론에 바탕을 두고 발전해 온 어떤 과학 분야보다도 풍부한 성과를 거두었습니다.

전기에 관한 근대적 과학이론을 수립한 패러데이도 이 결합에 관심을 가지고 많은 연구를 진행하였습니다. 그러나 패러데이의 아이디어를 완벽한 수학 이론의 형태로 발전시킨 사람은 맥스웰이었습니다. 그의 이론에 따르면 전기 효과는 공간에 유한한 속도로 전파되며 부도체에서도 전기의 흐름, 이른바 변위전류를 만듭니다. 따라서 주기적으로 방향을 바꾸는 전기의 흐름은 모두 전기파를 만들며, 빛은 주기가 매우 작은 이러한 파동으로 구성되어 있습니다.

맥스웰이 제안한 이른바 빛의 전자기 이론은 처음에는 별로 관심을 끌지 못했습니다. 그러나 20년이 지난 후 이 이론은 의심할 여지가 없는 매우 중요한 과학적 발견으로 확인되었습니다. 독일 물리학자인 하인리히 헤르츠는 전기적으로 충전된 물체가 어떤 특정 조건에서 방전될 때 발생하는 전기적 진동이 주위 공간에 파동의 형태로 퍼져 간다는 것을 보이는 데 성공했습니다. 그 파동은 빛의 속도로 전파되었으며 이론으로 예측된 특성들을 모두 가지고 있었습니다. 이로써 빛의 전자기 이론은 확고한 실험적 증거를 확보하게 되었습니다.

그러나 맥스웰의 이론은 개별 현상들을 설명하지 못했습니다. 로렌츠 교수는 빛의 전자기 이론을 한층 발전시켰습니다. 빛에 관한 로렌츠 교수의 이론적 연구는 가장 풍성한 성과를 거두었습니다. 맥스웰의 이론에는 원자 가설이 필요하지 않았지만, 로렌츠 교수는 물질 속에서 전자라고 부르는 극히 작은 입자가 어떤 특정 양의 전하를 매개한다는 가설로부터 출발했습니다. 이들 전자들은 도체에서는 자유롭게 운동하면서 전류를 만드는 반면, 부도체에서는 그 운동이 저항의 제한을 받습니다. 이런 간단한 가설로부터 로렌츠는 기존 이론의 모든 것을 설명하면서 기존 이론의 가장 심각한 결점을 해소하였습니다.

빛의 전자기론의 이론적 발전과 함께 전자기파 운동과 빛 사이의 유사성을 증명하려는 실험 연구 역시 꾸준히 진행되었습니다. 그러나 과학자들은 이들 현상의 유사성을 상세히 보여 주는 것에 만족하지 않고, 더 나아가 이 둘이 동일한 자연 현상이라는 것을 증명하고자 했습니다. 이런 노력의 일환으로 자기력이 전류에 영향을 미치는 것과 동일한 효과가 빛에 대해서도 나타나는지 연구하였습니다. 패러데이가 증명하려던 일도 바로 이것이었으며, 마침내 자기력으로 빛의 편광면이 회전하는 것을 실험으로 증명하였습니다. 그러나 전파되는 빛에 미치는 자기장의 영향을 보여 주려던 그의 마지막 실험은 성공하지 못했습니다.

최근 제만 교수는 연구자들의 수많은 노력을 지금까지 헛되게 만든 바로 이 문제를 푸는 데 성공했습니다. 제만 교수는 빛의 전자기이론에 근거한 패러데이의 마지막 실험을 계속하였습니다. 수많은 실패 끝에 그는 전파되는 빛이 자기력의 영향을 받아 변하는 것을 마침내 확인하였습니다. 스펙트럼선들이 자기장 속에서 여러 개로 나누어진 것입니다. 이 연구의 면면들은 실험연구에서 이론의 중요성을 극명하게 보여 주고 있습니다. 로렌츠 교수는 그의 전자론을 이용하여 제만 교수가 발견한 현상을 만족스럽게 설명하였을 뿐 아니라 제만 교수가 미처 관찰하지 못했던 점들을 예측하였는데, 이것은 나중에 제만 교수가 다시 확인하였습니다. 그는 자장의 영향으로 분리된 스펙트럼선이 사실은 편광이라는 빛을 밝혀냈습니다. 다시 말해서 자장의 영향을 받아 빛의 진동이 특정 방향으로 배열된다는 것인데, 그 방향은 자기력에 대한 빛의 진행 방향에 따라 달라지는 양상을 보입니다.

물리학자들에게 제만효과로 알려진 이 발견은 최근 수십 년간의 업적 중 가장 중요한 진전이었습니다. 전하를 띤 입자의 진동에 관한 법칙과 동일한 법칙으로 빛이 자기장의 영향을 받는다는 사실을 보여줌으로써, 빛의 전자기이론의 가장 강력한 증거를 제시한 것입니다. 또한 제만 교수의 발견은 물질의 분자구조와 스펙트럼의 구성에 관한 지식에 대단히 중요한 기여를 하게 될 것입니다. 따라서 스웨덴 왕립과학원은 이 발견이 자연의 힘 사이의 관계를 이해하는 데 매우 중요하며, 물리학의 발전에 크게 기여할 것이므로 노벨물리학상을 수상하기에 충분한 성과라는 결론에 도달하였습니다. 과학원은 또한 로렌츠 교수가 그의 전자기론에서 이 발견을 이끌어 준 역할을 높이 평가합니다. 그의 전자기론은 다른 영역에서도 매우 중요한 핵심적 역할과 개념이 될 것입니다.

왕립과학원은 본 이론과 실험의 양면에서 이들이 보여 준 뛰어난 발견을 높이 평가하며 수상자로 선정하여 시상고자 합니다. 본 과학원은 노벨물리학상을 이 두 명의 뛰어난 과학자, 로렌츠 교수와 제만 교수에게 동등하게 수여하고 상금을 나누어 주고자 합니다.

1902. 12. 10.

스웨덴 왕립과학원 원장 H.J. 테엘

참고문헌:

1. http://www.nobelprize.org/ 스웨덴 노벨재단본부

2. http://www.nobel.or.kr/history, Nobel e-Library (사)한국과학문화진흥회

3. http://www.nobelscience.net/ 노벨사이언스,