프랭크 윌첵

1. 개요

프랭크 윌첵은 폴란드 및 이탈리아계 혈통으로, 1973년 데이비드 그로스와 함께 양자 색역학의 점근 자유성을 증명하여 2004년 노벨 물리학상을 수상한 미국의 이론 물리학자이다. 1970년 시카고 대학교에서 수학 학사 학위를 받았으며, 1974년 프린스턴 대학교에서 물리학 박사 학위를 취득했다. 윌첵은 쿼크가 가까울수록 강력 상호작용이 약해지는 점근 자유성을 발견했으며, 액시온과 애니온 개념을 연구했다. 그는 또한 시간 결정 연구와 과학 대중화에도 기여했으며, 2022년 템플턴 상을 수상했다.

2. 생애

폴란드 및 이탈리아계 가족에게서 태어나 1967년 시카고 대학교 수학과에 입학하여 1970년 학사 학위를 받았다. 프린스턴 대학교 대학원에 입학하여 1972년 석사, 1974년 물리학 박사 학위를 받았다. 대학원에서는 데이비드 그로스 아래에서 수학에서 물리학으로 전공을 바꾸어 공부하였다. 1973년 7월 3일 베치 디바인(Betsy Devine^영어)과 혼인하였다.

1973년, 대학원생 시절 데이비드 그로스와 함께 양자 색역학의 점근 자유성을 증명하였다. (데이비드 폴리처도 독자적으로 같은 사실을 증명하였다.) 훗날 윌첵은 이 공로로 노벨 물리학상을 수상하게 된다.

그 뒤 프린스턴 고등연구소와 캘리포니아 대학교 샌타바버라 캐블리 연구소(Kavli Institute^영어)에 있었다. 2000년부터 매사추세츠 공과대학교 물리학과 교수로 재직중이다.

2.1. 어린 시절과 교육

폴란드 및 이탈리아계 가족에게서 뉴욕주의 작은 마을인 미니올라(Mineola^영어)에서 태어났다. 마틴 밴 뷰런 고등학교를 졸업한 뒤 1967년 시카고 대학교 수학과에 입학하였으며, 1970년 수학과 학사 학위를 수여받았다. 프린스턴 대학교에 대학원생으로 입학하여 1972년 석사 학위, 1974년 물리학 박사 학위를 받았다. 대학원에서는 수학에서 물리학으로 전공을 바꾸었고, 데이비드 그로스 아래 공부하였다.

윌첵의 부모는 그가 예외적이라는 것을 IQ 테스트를 통해 알게 되었다. 그는 고등학교에서 두 학년을 건너뛰어 13세에 10학년을 시작했다. 고등학교 물리 교사 두 명에게서 영감을 받았으며, 그 중 한 명은 학생들이 웨스팅하우스 과학 영재 선발 대회에 참여하도록 도왔다. 윌첵은 1967년 이 대회 결선 진출자였으며, 군론 관련 수학 프로젝트로 4위를 차지했다.

1970년 시카고 대학교에서 수학 이학사 학위를 받았고, 파이 베타 카파 회원 자격을 얻었다. 시카고에서 수학 전공 마지막 해에 페테르 프로인트의 물리학 군론 강좌를 들었는데, 윌첵은 이 강좌가 "기본적으로 입자 물리학"이며 매우 영향력 있었다고 회고했다.

윌첵은 프린스턴 대학교에 수학 대학원생으로 입학했으나, 1년 반 후 물리학으로 전과하여 데이비드 그로스의 지도를 받았다.

2.2. 결혼

윌첵은 프린스턴에서 베치 데바인을 만났는데, 당시 둘 다 텔레비전으로 중계된 1972년 피셔-스파스키 체스 경기를 시청했다. 1973년에 결혼하여 두 딸을 두었다.

2.3. 종교관

윌첵은 가톨릭교 신자로 자랐지만 나중에 "전통적인 종교에 대한 믿음을 잃었다"고 밝혔다. 하지만 사이언티픽 아메리칸과의 인터뷰에서 종교는 "십 대 시절의 나에게 큰 의미가 있었다"고 말했다. 그는 불가지론자로 묘사되었지만, 2013년 트위터에서 "'범신론'이 더 정확하다"고 언급했다.

윌첵은 "세상은 아름다운 아이디어를 구현한다"고 말했지만 "이것이 영적인 해석을 불러일으킬 수는 있지만, 반드시 필요로 하는 것은 아니다"라고 말했다.

3. 주요 연구 업적

윌첵은 2004년 점근적 자유성으로 노벨상을 수상했다. 이 외에도 액시온, 애니온, 쿼크 물질의 색 초전도 위상 및 기타 양자장론의 여러 측면을 밝히고 발전시키는 데 기여했다. 그는 응집 물질 물리학, 천체물리학, 입자물리학 등 다양한 분야에서 연구를 수행했다.

3.1. 점근적 자유성 발견

프린스턴 대학교에서 데이비드 그로스와 함께 대학원생으로 연구하던 1973년, 윌첵은 그로스와 함께 점근 자유성을 발견했다. 점근적 자유성은 쿼크가 서로 가까울수록 그들 사이의 강력 상호작용(또는 색전하)이 약해진다는 것을 의미한다. 쿼크가 극도로 가까이 있을 때, 그들 사이의 핵력은 너무 약해서 거의 자유 입자처럼 행동한다. H. 데이비드 폴리처에 의해 독립적으로 발견된 이 이론은 양자 색역학 발전에 중요했다. 네덜란드 왕립 예술 과학 아카데미는 2002년 윌첵에게 로렌츠 메달을 수여하면서 다음과 같이 밝혔다.

> 이 [점근 자유성]은 원자핵을 구성하는 구성 요소인 '쿼크'가 서로 가까이 있을 때는 자유 입자처럼 행동하지만, 그들 사이의 거리가 멀어질수록 서로에게 더 강하게 끌린다는 현상이다. 이 이론은 현대 입자 가속기를 포함하는 거의 모든 실험 연구를 해석하는 데 핵심이 된다.

입자물리학에서의 점근적 자유성은 입자 간의 "강력 상호작용"이 근거리 또는 고에너지 상태에서는 상호작용이 약해지는 성질을 말하며, 양성자나 중성자의 구성 요소인 쿼크가 단독으로 관측될 수 없는 현상 등을 설명하는 양자 색역학 이론이다. H. 데이비드 폴리처의 논문과 윌첵 등의 논문이 Physical Review Letters의 같은 호에 게재되었고, 공식적으로 세 사람이 동시에 점근적 자유성을 발견한 것으로 인정되었다.

3.2. 액시온 연구

액시온은 가상의 기본 입자이다. 액시온이 존재하고 특정 범위 내에서 낮은 질량을 가진다면, 차가운 암흑 물질의 가능한 구성 요소로서 관심의 대상이 된다.

1977년, 로베르토 페체이와 헬렌 퀸은 강한 CP 문제를 해결하기 위한 페체이-퀸 메커니즘을 제시했다. 이는 새로운 전역적 대칭(페체이-퀸 대칭이라고 불림)을 추가함으로써 이루어진다. 그 대칭이 자발적으로 깨질 때, 프랭크 윌첵과 스티븐 와인버그가 독립적으로 밝힌 바와 같이 새로운 입자가 발생한다. 윌첵은 이 새로운 가상 입자에 세탁 세제 브랜드 이름을 따서 "액시온"이라고 이름 붙였고, 와인버그는 이를 "힉글릿"이라고 불렀다. 와인버그는 나중에 윌첵의 입자 이름을 따르기로 동의했다.

대부분의 암흑 물질 후보에 대한 실험적 탐색은 WIMP를 목표로 했지만, 액시온을 감지하려는 시도도 많이 있었다. 2020년 6월, 이탈리아에서 연구하는 국제 물리학자 팀은 액시온일 수 있는 신호를 감지했다.

3.3. 애니온 연구

물리학에서 애니온은 오직 2차원 물리계에서만 나타나는 일종의 준입자로, 페르미온과 보손보다 훨씬 덜 제한적인 특성을 갖는다. 특히, 애니온은 분수 전하를 포함하여 페르미온과 보손 사이의 중간적인 특성을 가질 수 있다. 이러한 무엇이든 가능한(anything-goes) 행동은 1982년 윌첵이 그들을 "애니온"이라고 명명하도록 영감을 주었다.

1977년, 존 마그네 레나스와 얀 미르하임이 이끄는 오슬로 대학교의 이론 물리학자 그룹은 페르미온과 보손 사이의 전통적인 구분이 2차원에 존재하는 이론적 입자에는 적용되지 않을 것이라고 계산했다. 대니얼 추이와 호르스트 슈퇴르머가 1982년에 분수 양자 홀 효과를 발견했을 때, 버트런드 할페린 (1984)은 2차원에서 분수 통계에 대해 윌첵이 1982년에 제안한 수학을 확장하여 이를 설명하는 데 도움을 주었다.

프랭크 윌첵, 댄 아로바스, 그리고 로버트 슈리퍼는 1984년에 분수 양자 홀 효과를 분석하여 애니온이 이를 설명하는 데 필요하다는 것을 증명했다.

2020년, 고등사범학교와 나노과학 및 나노기술 센터(C2N)의 실험자들은 사이언스에 애니온의 직접적인 검출을 보고했다.

3.4. 시간 결정 연구

2012년에 그는 시간 결정에 대한 아이디어를 제안했다. 2018년 여러 연구팀이 시간 결정의 존재를 보고했다. 같은 해 그는 칭둥 지앙(Qing-Dong Jiang)과 함께 물질의 소위 "양자 대기"가 질소-공극 중심을 가진 다이아몬드 탐침과 같은 기존 기술을 사용하여 이론적으로 탐지할 수 있다고 계산했다.

4. 기타 활동

프랭크 윌첵은 과학 대중화와 사회 참여 활동에도 적극적이다. 미래 생명 연구소 과학 자문 위원회 위원이며, 유엔 의회 설립 캠페인 지지자다. 과학 및 대중 협회 이사, 폴란드 출신 저명 과학자 협회 공동 창립 멤버로도 활동하고 있다.

4.1. 과학 대중화

프랭크 윌첵(Frank Wilczek^영어)은 대중을 위한 과학 서적과 기사를 집필하는 데에도 적극적으로 참여해 왔다.

윌첵은 베시 데빈과 함께 조화에 대한 갈망: 현대 물리학의 주제와 변주(Longing for the Harmonies: Themes and Variations from Modern Physics), 환상적인 현실: 49가지 마음 여행과 스톡홀름 여행(Fantastic Realities: 49 Mind Journeys And a Trip to Stockholm), 존재의 가벼움: 질량, 에테르, 그리고 힘의 통일(The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces), 아름다운 질문: 자연의 심오한 설계를 찾아서(A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design), 근본적인 것들: 현실의 열 가지 열쇠(Fundamentals: Ten Keys to Reality)와 같은 책을 저술하였다.

또한, 2014년에는 스티븐 호킹, 맥스 테그마크, 스튜어트 J. 러셀과 함께 허핑턴 포스트에 "[http://www.huffingtonpost.com/stephen-hawking/artificial-intelligence_b_5174265.html 초지능 기계에 대한 자만심 극복]"이라는 기사를 기고하기도 했다.

4.2. 사회 참여

윌첵은 미래 생명 연구소(Future of Life Institute)의 과학 자문 위원회 위원이며, 이 연구소는 인류가 직면한 실존적 위험, 특히 고급 인공 지능으로부터의 실존적 위험을 완화하기 위해 노력하고 있다. 2014년에는 스티븐 호킹과 다른 두 학자와 함께 "AI를 만드는 데 성공하는 것은 인류 역사상 가장 큰 사건이 될 것입니다. 불행히도, 우리가 위험을 피하는 방법을 배우지 않는다면, 그것이 마지막 사건이 될 수도 있습니다."라는 경고 서한을 썼다.

또한 윌첵은 유엔의 민주적 개혁과 보다 책임감 있는 국제 정치 시스템의 구축을 옹호하는 단체인 유엔 의회 설립 캠페인의 지지자이다. 과학 및 대중 협회(Society for Science & the Public)의 이사로 활동하고 있으며, 폴란드 출신 저명 과학자 협회(Kosciuszko Foundation)의 공동 창립 멤버이다.

윌첵은 펜 & 텔러: 불릿!(Penn & Teller: Bullshit!)의 한 에피소드에 출연했으며, 여기서 펜 질레트(Penn Jillette)는 그를 "그들이 쇼에 출연시킨 사람들 중 가장 똑똑한 사람"이라고 칭했다.

5. 수상 경력

1982년 맥아더 펠로우십을 수상했다.

1990년 미국 국립 과학 아카데미 회원, 1993년 미국 예술 과학 아카데미 회원, 2005년 미국 철학회 회원으로 선출되었다.

2000년 네덜란드 왕립 예술 과학 아카데미 외국인 회원이 되었다. 2002년 로렌츠 메달을 수상했다. 2003년 미국 물리학회의 릴리엔펠드 상을 수상했다. 같은 해, 프라하 카렐 대학교에서 수학 및 물리학부 기념 메달을 받았다. 2003년 유럽 물리학회의 고에너지 및 입자물리학상을 공동 수상했다. 2004년 "강력 상호작용 이론의 점근적 자유 발견"으로 데이비드 J. 그로스, H. 데이비드 폴리처와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 2005년 킹 파이살 국제 과학상을 공동 수상했다. 같은 해, 업적 아카데미의 골든 플레이트 상을 받았다. 2013년 1월 25일, 스웨덴 웁살라 대학교 과학 기술 학부로부터 명예 학위를 받았다. 2022년 "그가 웅장하게 크고 상상할 수 없을 정도로 작은 규모에서 수학적 아름다움을 구현하는 우주의 비전을 드러내는" 연구로 템플턴 상을 수상했다.

6. 저서

* 1989년 (Betsy Devine과 공저), Longing for the Harmonies: Themes and Variations from Modern Physics. W W Norton. .
* 2002년, "On the world's numerical recipe (an ode to physics)," Daedalus 131(1): 142-47.
* 2006년, Fantastic Realities: 49 Mind Journeys And a Trip to Stockholm. World Scientific. .
* 2007년, La musica del vuoto. Roma: Di Renzo Editore.
* 2008년, The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces. Basic Books. .
* 「物質のすべては光 - 現代物理学が明かす力と質量の起源」^일본어, 요시다 미치요 역, 하야카와 쇼보 ISBN 978-4-15-209097-3
* 「すべては量子でできている - 宇宙を動かす10大基本原理」^일본어, 요시다 미치요 역, 지쿠마 서방 ISBN 978-4-480-01754-3