올해 노벨 물리학상은 양자광학 이론을 확립한 로이 글라우버(80) 미국 하버드대 교수와 초정밀시계·위치확인시스템(GPS) 등에 쓰이는 레이저 정밀 분광학을 개발한 존 홀(71) 미국 표준연구원(NIST) 선임연구원과 테어도어 헨슈(64) 독일 루트비히-막시밀리안대 교수 등 3명에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원은 4일(한국시각) “올해 물리학상은 광학 분야에서 이론적·기술적 성과를 거둔 과학자 3명이 받았다”며 “노벨상의 반은 양자 이론을 광학에까지 확장하는 양자광학 이론의 기초를 확립한 글라우버에게, 나머지 반은 레이저 기반 정밀 분광기술을 개발한 홀과 헨슈에게 주어졌다”고 밝혔다.

글라우버는 1850년대 맥스웰의 전자기파 이론과 1905년 아인슈타인의 광전효과 이론을 토대로 양자광학 이론을 정립했다. 맥스웰은 전기현상과 자기현상이 다르지 않다는 이론을 제기해 전자기파의 존재를 예측했다. 이는 마르코니가 무선전신을 개발하는 이론적 기틀이 됐다. 아인슈타인은 더 나아가 전자기파, 곧 빛이 파동성뿐만 아니라 입자성을 지니고 있다는 광전자이론을 세웠다. 그는 빛의 알갱이인 광자가 금속과 부딪칠 때 튀어나오는 전자로 빛의 입자성을 설명했으며, 이 이론으로 1921년 노벨상을 받았다.

글라우버는 백열등 등 금속이 달궈질 때 나오는 빛은 전자들이 제멋대로 튀어나오는 현상인 데 비해 레이저의 빛은 주파수와 위상(파동에서의 위치)이 같은 ‘양자광학적 결맞음’ 상태에 있음을 규명했다. 말하자면 백열등 빛은 거리에 사람들이 걸어가는 모습이라면, 레이저는 줄을 맞춰 행진하는 것에 비유할 수 있다. 글라우버는 1963년 미국 물리학회에서 발행하는 <피지컬 리뷰 레터스>에 ‘광자상관관계’라는 논문을 통해 이 이론을 처음 제기했으며, 이 결맞음 현상을 수식화함으로써 아인슈타인과 함께 양자광학의 중요한 창시자가 됐다.

홀과 헨슈는 빛을 머리빗처럼 가늘게 쪼개는 기술을 개발해 10의 마이너스 15승분의 1 정도의 정밀도를 지닌 분광기기 제작의 토대를 마련했다. 김재완 고등과학원 교수(양자정보)는 “원자 등 물질의 내부 구조를 알기 위해서는 전자의 준위(높낮이)가 바뀌면서 나오는 빛을 측정해야 할 정도로 정밀한 도구가 필요하다”며 “이런 측면에서 홀과 헨슈의 공로가 인정된 것 같다”고 말했다.

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