헤라르뒤스 엇호프트

1. 개요

헤라르뒤스 엇호프트는 네덜란드의 이론 물리학자로, 1999년 "물리학에서 전약 상호작용의 양자 구조를 규명한 공로"로 노벨 물리학상을 수상했다. 그는 양-밀스 이론의 재규격화 가능성을 증명하는 데 기여했으며, 게이지 이론, 양자 중력, 블랙홀, 양자역학의 기초에 대한 연구를 수행했다. 엇호프트는 울프상, 로렌츠 메달, 스피노자상 등 다양한 상을 수상했으며, 네덜란드 왕립 예술 과학 아카데미 회원으로 활동했다.

2. 생애

덴헬더에서 태어났다. 증조부의 형제는 노벨 물리학상 수상자인 프리츠 체르니케이며, 삼촌은 이론물리학자 니코 판 캄펜이다.

1971년, 위트레흐트 대학교 대학원생이던 엇호프트는 마르티뉘스 벨트만 교수에게 게이지 이론을 통해 약력과 전자기력을 통일하는 연구 과제를 받았다. 1년 남짓 만에 이 문제를 해결하여 양자 색역학과 초끈 이론 발전에 중요한 업적을 남겼다. 이듬해 물리학 박사 학위를 취득하고 CERN 펠로우 연구원이 되었다. 1974년 위트레흐트 대학교 조교수, 1976년 스탠퍼드 대학교 강사, 1978년 위트레흐트 대학교 교수를 거쳐 1987년부터 이듬해까지 보스턴 대학교 안식년 교수를 지냈다.

지도 학생으로 다이크라프-바파 이론의 로베르토 다이크라프가 있다.

소행성 9491번이 그의 이름을 따 "토호프트"로 명명되었으나, 철자 오류("Thooft")로 등록되었다.

2.1. 어린 시절과 가족

헤라르뒤스 엇호프트는 1946년 7월 5일 덴헬더에서 태어났지만, 헤이그에서 성장했다. 그는 학자 집안의 세 자녀 중 둘째였다. 그의 외삼촌은 노벨상 수상자 프리츠 제르니케였고, 할머니는 라이덴 대학교 동물학 교수인 피터 니콜라스 판 캄펜과 결혼했다. 삼촌 니코 판 캄펜은 위트레흐트 대학교의 이론 물리학 (명예) 교수였고, 어머니는 해양 공학자와 결혼했다. 그는 가족의 영향을 받아 어린 나이부터 과학에 관심을 보였다. 초등학교 선생님이 커서 무엇이 되고 싶냐고 묻자, 그는 "모든 것을 아는 사람"이라고 대답했다.

2.2. 교육

1964년 고등학교 시험에 합격한 후, 위트레흐트 대학교 물리학 프로그램에 등록했다. 라이덴 대학교 대신 위트레흐트를 선택한 이유는 삼촌이 그곳의 교수였고 그의 강의를 듣고 싶었기 때문이다. 과학에 대한 집중도가 높아, 아버지는 공부 외 다른 활동을 권장하며 학생 단체인 위트레흐트 학생 단체(Utrechtsch Studenten Corps) 가입을 권유했다. 이는 어느 정도 효과가 있어, 재학 중 조정 클럽 "트리톤"의 조타수로 활동했고, 과학 토론 클럽 "크리스티안 호이겐스"와 함께 전국 과학 학생 회의를 조직하기도 했다.

학업 과정에서 기본 입자 물리학, 즉 이론 물리학의 핵심 분야를 연구하기로 결정했다. 1968년 박사 논문(doctoraalscriptie, 석사 학위에 해당하는 네덜란드어 이전 명칭)을 쓸 때가 되자, 엇호프트는 당시 비교적 주변적인 주제였던 양-밀스 이론을 전공한 마르티뉘스 벨트만 교수를 찾아갔다. 당시 이 이론은 재정규화가 불가능하다고 여겨졌기 때문이다. 그의 과제는 중성 파이온 붕괴 이론의 불일치인 아들러-벨-재키우 이상을 연구하는 것이었다. 형식적 논증은 광자로의 붕괴를 금지했지만, 실제 계산과 실험은 이것이 주요 붕괴 형태임을 보여주었다. 당시 이 문제에 대한 해결책은 알려지지 않았고, 엇호프트는 해결책을 제시하지 못했다.

1969년, 엇호프트는 지도교수인 마르티뉘스 벨트만과 함께 박사 연구를 시작했다. 벨트만이 연구하던 양-밀스 이론의 재정규화를 연구 주제로 삼았다. 1971년 첫 번째 논문이 출판되었는데, 이 논문에서 질량이 없는 양-밀스 장의 재정규화 방법을 제시하고, 진폭 간의 관계를 유도했다. 이는 안드레이 슬라브노프와 존 클레이턴 테일러에 의해 일반화되어 슬라브노프-테일러 항등식으로 알려졌다.

벨트만은 이 문제가 해결되었다는 사실에 흥분했지만, 세상은 크게 주목하지 않았다. 이후 차원 정규화 기술을 개발하며 긴밀히 협업했고, 곧 엇호프트의 두 번째 논문이 출판될 준비가 되었다. 이 논문에서 그는 자발적인 대칭성 깨짐으로 인해 질량이 있는 장이 있는 양-밀스 이론을 재정규화할 수 있음을 보였다. 이 논문은 세계적인 인정을 받았고, 1999년 노벨 물리학상을 수상하는 계기가 되었다.

이 두 논문은 엇호프트의 논문 양-밀스 장의 재정규화 절차의 기초가 되었으며, 1972년 철학 박사 학위를 받았다.

2.3. 경력

엇호프트는 박사 학위를 취득한 후 제네바의 CERN에서 펠로우십을 받았다. 그는 벨트만과 함께 양-밀스 이론에 대한 자신의 방법을 더욱 발전시켰다. 1974년 위트레흐트 대학교 조교수가 되었다. 1976년 스탠퍼드 객원 교수 및 하버드 모리스 롭 강사로 초청받았다. 1978년 위트레흐트 대학교 정교수가 되었다. 1987-1988년 보스턴 대학교 물리학과에서 안식년을 보냈다. 2007년부터 2016년까지 물리학의 기초의 편집장을 역임했다. 2011년 위트레흐트 대학교 석좌 교수로 임명되었다.

2.4. 개인사

엇호프트는 1972년에 의학을 전공하는 학생인 알베르타 A. 시크와 결혼했다. 슬하에 두 딸, 사스키아 앤과 엘렌 마르가를 두고 있다.

3. 주요 연구 업적

엇호프트는 입자 물리학의 게이지 이론, 양자 중력과 블랙홀, 양자역학의 기초 등에 걸쳐 다양한 연구 업적을 남겼다.

* 게이지 이론과 입자 물리학: 엇호프트는 박사 학위 논문에서 양-밀스 이론이 재규격화 가능하다는 것을 증명하여 1999년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 이 과정에서 지도 교수 벨트만과 함께 차원 정규화 기법을 도입했다. 이후 양자 색역학(QCD)의 색 가둠 문제를 연구하며 SU(N) 게이지 이론이 큰 N 극한에서 단순화된다는 것을 발견했고, 1개의 공간 차원과 1개의 시간 차원에서 이론을 풀어 중간자의 질량 공식을 도출했다. 또한, QCD에서 인스턴톤의 역할을 연구하여 저에너지에서 경입자 쿼크 사이의 상호작용을 유도한다는 것을 보였다. 양-밀스 이론의 인스턴톤 해를 연구하면서는 SU(N) 대칭성을 가진 이론이 U(1) 대칭성으로 자발적으로 깨지면 자기 단극자가 존재함을 발견했는데, 이는 't Hooft–Polyakov 단극자로 불린다. 엇호프트는 윌슨 루프의 자기 쌍대인 't Hooft 루프를 도입하여 QCD의 다른 위상을 분류하기도 했다. 1986년에는 인스턴톤 기여가 아들러-벨-재키우 이상을 해결한다는 것을 증명했다.

* 양자 중력과 블랙홀: 엇호프트는 초중력 발견에 영향을 준 양자 중력의 양자화 문제를 연구했다. 1980년대에는 3차원 시공간에서의 중력 문제에 주목하여 스탠리 데저, 로만 재키우와 함께 평평한 공간의 역학을 기술하는 논문을 발표했다. 이 논문에서 점 결함의 전파를 다루었으며, 갓 쌍이 인과성을 위반하는 시간형 루프를 유발하지 않음을 보이고, 이 모델의 양자화 방법을 제시했다. 최근에는 이 모델을 4차원 시공간으로 일반화하는 것을 제안했다. 스티븐 호킹의 호킹 복사 발견 이후에는 블랙홀 정보 역설 문제에 대해 호킹과 다른 견해를 보이며, 양자 중력 이론에서는 유니타리성이 유지되어야 한다고 주장했다. 이를 바탕으로 블랙홀 근처의 양자장이 더 낮은 차원의 이론으로 설명될 수 있다고 주장했으며, 이는 레너드 서스킨드와 함께 홀로그래픽 원리를 도입하는 계기가 되었다.

* 양자역학의 기초: 엇호프트는 양자역학의 해석에 대해 "이탈적인 견해"를 가지고 있으며, 양자역학 기저에 결정론적 설명이 있을 수 있다고 믿는다. 그는 추측적인 모델을 통해 국소적 숨은 변수 이론을 허용하지 않는 벨 부등식 논증을 피할 수 있다고 주장했으며, 2016년에는 자신의 아이디어를 담은 책을 출판했다.

3.1. 게이지 이론과 입자 물리학

엇호프트는 입자 물리학의 게이지 이론 발전에 기여한 것으로 가장 유명하다. 박사 학위 논문에서 양-밀스 이론이 재규격화 가능하다는 것을 증명하여 1999년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 이 증명을 위해 지도 교수 벨트만과 함께 차원 정규화 기법을 도입했다.

박사 학위 취득 후 강한 상호작용에서 게이지 이론의 역할에 관심을 가졌으며, 그 주요 이론은 양자 색역학(QCD)이다. 그의 연구는 QCD의 색 가둠 문제에 초점을 맞추었다. 그는 SU(N) 게이지 이론이 큰 N 극한에서 단순화된다는 것을 발견했으며, 1개의 공간 차원과 1개의 시간 차원에서 이론을 풀어 중간자의 질량에 대한 공식을 도출했다.

그는 QCD에서 인스턴톤 기여의 역할을 연구했다. 그의 계산은 이러한 기여가 저에너지에서 경입자 쿼크 사이의 상호작용을 이끌어낸다는 것을 보여주었다. 양-밀스 이론의 인스턴톤 해를 연구하면서 엇호프트는 SU(N) 대칭성을 가진 이론을 U(1) 대칭성으로 자발적으로 깨뜨리면 자기 단극자가 존재하게 된다는 것을 발견했다. 이러한 단극자는 't Hooft–Polyakov 단극자라고 불린다.

엇호프트는 윌슨 루프의 자기 쌍대인 't Hooft 루프를 도입했다. 이러한 연산자를 사용하여 그는 QCD의 다른 위상을 분류할 수 있었다.

1986년, 그는 인스턴톤 기여가 아들러-벨-재키우 이상을 해결한다는 것을 증명했다.

3.2. 양자 중력과 블랙홀

엇호프트는 초중력 발견에 영향을 준 양자 중력의 양자화 문제를 연구했다.

1980년대에 엇호프트는 3차원 시공간에서의 중력 문제에 주목했다. 스탠리 데저, 로만 재키우와 함께 1984년에 발표한 논문에서 평평한 공간의 역학을 기술했는데, 여기서는 유일한 국소적 자유도가 점 결함의 전파였다. 그는 갓 쌍이 인과성을 위반하는 시간형 루프를 유발하지 않음을 보였고, 이 모델을 어떻게 양자화할 수 있는지를 보여주었다. 더 최근에는 이 조각별 평평한 중력 모델을 4차원 시공간으로 일반화할 것을 제안했다.

스티븐 호킹의 블랙홀의 호킹 복사 발견으로 인해, 이 객체의 증발이 양자 역학의 근본적인 속성인 유니타리성을 위반하는 것처럼 보였다. 엇호프트는 이 문제를 받아들이기를 거부했는데, 이는 블랙홀 정보 역설로 알려져 있으며, 이는 호킹의 반고전적 처치의 결과이며, 완전한 양자 중력 이론에서는 나타나지 않아야 한다고 추정했다. 그는 이러한 이론이 유니타리하다고 가정함으로써 그러한 이론의 일부 속성을 연구하는 것이 가능할 수 있다고 제안했다.

이 접근 방식을 사용하여 그는 블랙홀 근처에서 양자장이 더 낮은 차원의 이론으로 설명될 수 있다고 주장했다. 이는 그와 레너드 서스킨드에 의해 홀로그래픽 원리의 도입으로 이어졌다.

3.3. 양자역학의 기초

헤라르뒤스 엇호프트는 양자역학의 해석에 대해 "이탈적인 견해"를 가지고 있다. 그는 양자역학의 기저에 결정론적 설명이 있을 수 있다고 믿는다. 그는 추측적인 모델을 사용하여 그러한 이론이 국소적 숨은 변수 이론을 허용하지 않는 일반적인 벨 부등식 논증을 피할 수 있다고 주장했다. 2016년에 그는 자신의 아이디어를 책으로 출판했는데, 엇호프트에 따르면 이에 대한 반응은 엇갈렸다.

4. 수상 및 영예

엇호프트는 1999년에 지도교수였던 벨트만과 함께 "물리학에서 전약 상호작용의 양자 구조를 규명한 공로"로 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 그전에도 그의 연구는 다른 주요 상들을 통해 이미 인정받고 있었다.