어니스트 로런스

1. 개요

어니스트 로런스는 미국의 핵물리학자로, 사이클로트론을 발명하고 개발한 공로로 1939년 노벨 물리학상을 수상했다. 그는 사우스다코타 대학교에서 화학 학사 학위를, 미네소타 대학교와 예일 대학교에서 물리학 석·박사 학위를 받았다. 캘리포니아 대학교 버클리에서 교수로 재직하며 사이클로트론을 개발하여 원자핵 연구에 크게 기여했으며, 제2차 세계 대전 중에는 맨해튼 계획에 참여하여 우라늄 농축에 기여했다. 전후에는 '거대 과학'을 옹호하며 정부의 과학 연구 지원을 촉구했고, 1958년 사망 후 그의 업적을 기려 연구소와 상의 이름으로 사용되었다.

2. 어린 시절

어니스트 로런스는 1901년 8월 8일 사우스다코타주 캔턴에서 태어났다. 그의 부모 칼 거스타부스와 군다 로런스는 노르웨이 출신 이민자의 후손으로, 캔턴의 한 고등학교에서 학교의 관리자와 교사로 만나 결혼했다. 로런스는 캔턴과 피에르의 공립 학교를 다녔으며, 어린 시절 친구인 머르 투브와 함께 간단한 무선 장치를 만들기도 했다.

로런스는 세인트올라프 대학교에 입학하였으나, 사우스다코타 대학교로 옮겨 1922년 화학 학사 학위를 받았다. 이후 미네소타 대학교로 다시 옮겨 1923년에 윌리엄 프랜시스 그레이 스완의 지도하에 물리학 석사 학위를 받았다. 그는 스완을 따라 시카고 대학교를 거쳐 예일 대학교로 갔으며, 1925년에 칼륨 증기의 광전 효과에 대한 논문으로 박사 학위를 받았다. 박사 과정동안 그는 자기장을 이용하여 타원체를 회전시키는 실험 장치를 개발하기도 했다.

로런스는 버지니아 대학교의 제시 빔스와 함께 광전 효과를 연구하여, 광전자가 광자가 광전면에 도달한 후 2 x 10⁻⁹초 이내에 나타난다는 것을 보였다. 이는 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리와 일치하는 결과였다.

3. 연구 경력

1926년과 1927년, 로렌스는 워싱턴 대학교와 캘리포니아 대학교로부터 조교수직 제안을 받았으나, 예일 대학교에 남았다. 로렌스는 예일 대학교에서 광전 효과 연구를 계속하며 연구원(펠로우) 생활을 했다. 1928년에는 캘리포니아 대학교 버클리의 물리학과 부교수가 되었고, 2년 후 정교수가 되었다.

3.1. 사이클로트론 개발

로런스를 국제적인 명성을 가지게 만들어준 사이클로트론은 종이 냅킨 한 장에 그려진 스케치로부터 시작된다. 1929년 도서관에서 롤프 비데뢰에의 논문을 보던 로런스는 연쇄적인 작은 "밀기"들을 통해 고에너지 입자를 만드는 장치에 대한 다이어그램을 보게 되었다. 당시 원자핵 연구를 위해서는 원자핵을 부술 필요가 있었고, 이를 위해 높은 에너지를 가진 입자를 가속시켜 충돌시킬 필요가 있었다.

비데뢰에의 논문에 나온 장치는 수백만 볼트의 전압과 긴 전극이 필요했지만, 로런스는 입자가 원운동을 하면서 가속이 가능하게 한다면 적은 전압과 작은 장치로도 충분히 가속된 양전자를 만들 수 있을 것이라는 생각을 했다. 로런스는 원형 챔버에 두 개의 전극을 장치하여 교류로 전압을 걸어주고, 자기장을 걸어 전하를 띤 입자가 로런츠 힘에 의해 원 궤도를 돌게 하였다. 양전자가 나선 궤도를 돌다가 전극 사이에서 가속되는 과정을 반복하면서 높은 에너지의 입자를 만드는 원리이다.

로런스는 닐스 에들렙센과 함께 첫 번째 사이클로트론을 만들었는데, 놋쇠, 전선, 봉랍으로 이루어진 4인치 크기의 작은 장치였다. 이후 에들렙센이 떠난 후, 로런스는 데이비드 슬론과 스탠리 리빙스턴을 받아들여 사이클로트론 개발을 계속했다. 리빙스턴이 만든 11인치 사이클로트론은 3000볼트의 전압으로 1.22메가 전자볼트까지 가속시키는 데 성공했다.

1932년 초, 로런스는 27인치 사이클로트론 설계를 마쳤고, 같은 해 캐번디시 연구소의 존 코크로프트와 어니스트 월턴이 리튬 붕괴 실험에 성공했다는 소식을 듣게 된다. 로런스는 이 실험에 필요한 에너지가 11인치 사이클로트론으로도 충분하다는 것을 알고 검증하려 했지만, 검출 장치 부족으로 시간이 걸렸다.

로런스는 사이클로트론을 중심으로 핵 물리학 연구소를 세웠고, 1936년 캘리포니아 대학교의 공식 부서가 되었다. 로런스는 연구소를 활발하게 운영하며, 27인치 사이클로트론을 이용해 중수소가 모든 원소와 충돌할 때 일정한 영역대의 에너지를 방출한다는 사실을 발견했다.

1933년 솔베이 회의에서 로런스는 사이클로트론에 대한 발표를 했지만, 제임스 채드윅은 로런스 팀의 발견이 실험 장치의 오염 때문이라고 주장하며 회의적인 반응을 보였다.

로런스는 채드윅을 설득하기 위해 실험을 계속했지만, 결과적으로 채드윅의 의견이 맞았고, 핵융합이라는 새로운 발견도 놓치게 되었다. 로런스는 더 큰 사이클로트론의 필요성을 느꼈고, 27인치 사이클로트론은 1937년에 37인치, 1939년에 60인치로 증설되었다.
[[File:60-inch_cyclotron,_c_1930s._This_shows_the_(9660569583).jpg|thumb|left|1939년 완공 직후의 60 인치 사이클로트론. 개발 및 사용에 중요한 인물들이 사진에 나와 있습니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 서 있는 사람들은 도널드 쿡시, 데일 R. 코르손, 어니스트 로렌스, 로버트 L. 손튼, 존 배커스, 윈필드 샐리스베리입니다. 배경에는 루이스 월터 알바레즈와 에드윈 맥밀란이 있습니다.|alt=정장과 넥타이를 착용한 여섯 명의 남성이 거대한 기계 앞에 서 있습니다. 두 명은 기계 위에 앉아 있습니다.}]
이를 이용하여 첫 번째 인공 방사성 동위원소가 생성되었다. 로런스는 사이클로트론을 암 치료 등 의학적 용도로 사용하기 위한 연구도 진행했다.
[[File:University_of_California_Radiation_Laboratory_staff_on_the_magnet_yoke_for_the_60-inch_cyclotron,_1938.jpg|thumb|280px|1938년 60인치 사이클로트론 자석 앞에 있는 캘리포니아 대학교 방사선 연구소 직원들; 노벨상 수상자인 어니스트 로렌스, 에드윈 맥밀란, 루이스 월터 알바레즈 외에도 J. 로버트 오펜하이머와 로버트 R. 윌슨이 사진에 나와 있습니다.}]

3.2. 핵물리학 연구 및 의학적 응용

어니스트 로런스는 반복되는 성공을 바탕으로 더 크고 새로운 기계를 계획했다. 로런스와 리빙스턴은 1932년 초에 27인치 사이클로트론 설계도를 작성했다. 1932년 4월, 영국의 캐번디시 연구소에 있던 존 코크로프트와 어니스트 월턴은 리튬에 양성자를 충돌시켜 헬륨으로 변환하는 데 성공했다고 발표했는데, 필요한 에너지는 11인치 사이클로트론의 성능으로 충분한 수준이었다. 이 소식을 들은 로런스는 버클리에 전보를 보내 코크로프트와 월턴의 결과를 검증해 달라고 요청했다.

로렌스는 사이클로트론 개발에 집중하여 1934년에 특허를 받았다. 그는 이 장비를 중심으로 1930년대 핵물리학 연구 분야를 위한 세계 최고의 연구소를 건설했다. 1936년 2월, 하버드 대학교 총장 제임스 브라이언트 코넌트는 로렌스와 오펜하이머에게 매력적인 제안을 했고, 캘리포니아 대학교 총장 로버트 고든 스프라울은 조건을 개선하여 대응했다. 그 결과, 방사선 연구소는 1936년 7월 1일 캘리포니아 대학교의 공식 부서가 되었고, 로렌스는 정식으로 소장으로 임명되었다.

27인치 사이클로트론을 사용하여 버클리의 연구팀은 중수소를 충격한 모든 원소가 동일한 에너지 범위에서 에너지를 방출한다는 것을 발견하고, 새로운 입자의 존재를 가정했다. 1933년 솔베이 회의에서 로런스는 사이클로트론에 대한 발표를 했지만, 제임스 채드윅은 로런스 팀이 관찰한 것이 장비의 오염 때문일 것이라고 주장하며 회의적인 반응을 보였다.

버클리로 돌아온 로렌스는 채드윅을 설득하기 위해 연구 결과를 검토했고, 그 과정에서 캐번디시 연구소에서 중수소가 핵융합하여 헬륨-3을 형성한다는 사실을 발견했다. 로렌스는 더 큰 사이클로트론을 만들기 위해 노력했고, 27인치 사이클로트론은 1937년 6월 37인치, 1939년 5월에는 60인치 사이클로트론으로 대체되었다.

로런스는 사이클로트론을 의학 연구에도 사용하도록 장려했다. 그의 형제 존, 그리고 캘리포니아 대학교 생리학과의 이스라엘 라이온 차이코프와 함께 치료 목적으로 방사성 동위원소를 사용하는 연구를 지원했다. 존은 사이클로트론에서 생산된 인-32를 사용하여 진성적혈구증가증과 백혈병 환자를 치료하는 연구를 진행했고, 방사성 인이 빠르게 성장하는 암세포에 집중된다는 것을 발견했다. 이는 인간 환자에 대한 임상 시험으로 이어졌다. 로렌스는 또한 중성자의 의학적 사용을 희망하여 1939년 11월 20일, 60인치 사이클로트론에서 첫 번째 암 환자가 중성자 치료를 받았다. 차이코프는 방사성 동위원소를 방사성 추적자로 사용하여 생화학 반응 메커니즘을 탐구하는 실험을 수행했다.

로렌스는 1939년 11월 "사이클로트론의 발명 및 개발과 그것으로 얻은 결과, 특히 인공 방사성 원소에 관한 연구"로 노벨 물리학상을 수상했다. 제2차 세계 대전으로 인해 노벨상 시상식은 1940년 2월 29일 캘리포니아주 버클리 대학교 캠퍼스 휠러 홀 강당에서 열렸다.

4. 제2차 세계 대전과 맨해튼 계획

제2차 세계 대전 동안 로런스는 군사 프로젝트에 적극적으로 참여했다. 그는 MIT 방사선 연구소와 수중 음파 연구소에서 연구원 모집을 도왔다. 1941년 9월, 올리판트는 버클리에서 로런스와 오펜하이머를 만나 원자 폭탄 개발 프로그램에 대해 논의했다. 로런스는 우라늄 농축 문제를, 올리판트는 미국의 과학자들에게 영국의 모드 위원회 권유를 무시해달라고 부탁했다.

로런스는 사이클로트론을 개조하여 칼루트론을 개발, 우라늄 농축에 기여했다. 그는 맨해튼 계획 책임자인 레슬리 그로브스에게 오펜하이머를 로스앨러모스 연구소 소장으로 임명할 것을 추천했다. 오크리지 국립연구소(Y-12)에 칼루트론 시설을 건설하여 원자폭탄 제조에 필요한 우라늄-235를 생산했다.

1945년, 로런스는 트리니티 핵 실험을 참관하고, 히로시마 원자폭탄 투하를 긍정적으로 평가했다.

5. 전후 활동 및 유산

어니스트 로런스는 전후 '거대 과학(Big Science)'을 주창하며 정부의 과학 연구 지원을 적극적으로 옹호했다. 그는 큰 기계와 많은 돈이 필요한 거대 과학의 강력한 지지자였다. 1946년 에드 맥밀란의 새로운 아이디어를 채택하여 184인치 사이클로트론을 싱크로트론으로 건설했다. 또한, 새로운 선형 가속기와 베바트론 건설을 위한 자금을 요청했다.

로런스는 프랭클린 루즈벨트에게 투표했음에도 불구하고 공화당을 지지했으며, 반미활동 조사위원회를 옹호하고 오펜하이머의 좌파적 활동을 비판하는 등 냉전 시대의 정치적 분위기에 동조했다. 1949년 소련의 핵실험에 대응하여 수소 폭탄 개발을 지지하고, 이를 위한 가속기 개발을 추진했다.

1957년 엔리코 페르미 상을 수상하고, 1958년 미국 육군사관학교로부터 실바너스 테이어 상의 첫 번째 수상자가 되었다. 그 외에도 앨리엇 크레슨 메달, 휴즈 메달, 콤스톡 물리학상, 가버 메달, 홀리 메달, 무공훈장, 윌리엄 프록터 상, 패러데이 메달 등 다수의 상을 받았다. 1948년에는 레지옹 도뇌르 훈장 오피시에를 수상했다.

1958년 드와이트 D. 아이젠하워 대통령의 요청으로 핵 실험 금지 조약 협상을 위해 스위스 제네바에 파견되었으나, 궤양성 대장염의 재발로 스탠퍼드 대학교 병원으로 급히 이송되었다. 수술 후 아테롬성 동맥 경화증 등 다른 문제가 발견되어 1958년 8월 팰로앨토의 병원에서 사망했다.

사후 캘리포니아 대학교는 두 개의 핵 연구 시설에 그의 이름을 붙였다. 로렌스 리버모어 국립 연구소(https://web.archive.org/web/20180128152943/https://www.llnl.gov/)와 로런스 버클리 국립 연구소(https://web.archive.org/web/20171221231118/http://www.lbl.gov/)이다. 1959년에는 어니스트 올란도 로런스 상이 제정되었고, 1961년에 발견된 103번 원소는 로렌슘으로 명명되었다. 1968년에는 로런스 과학관이 설립되었고, 그의 논문은 뱅크로프트 도서관에 비치되었다.

6. 수상 경력

어니스트 로런스는 1937년 왕립학회에서 휴즈 메달, 엘리엇 크레슨 메달을 수상했다. 1938년에는 컴스톡 물리학상을 받았고, 1939년에는 노벨 물리학상을 수상했다. 1952년에는 영국 공학기술 학회에서 패러데이 메달을 받았으며, 1957년에는 엔리코 페르미 상을 수상했다. 1982년에는 미국 발명가 명예의 전당에 선출되었다.

7. 기타

7.1. 평가

7.2. 한국과의 관계

7.3. 대중 매체

2023년 영화 오펜하이머에서 조슈 하트넷이 어니스트 로런스 역을 맡았다.