스타워즈와 레이저(1)

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인류 문명이 탄생한 이후 과학자 집단은 모든 분야에서 인류 문명을 새롭게 만드는데 열중했다. 그러나 아이러니컬하게도 그들이 최고의 기술을 동원한 것은 군사무기 분야이다.

 

전쟁에 패배했을 때의 비참한 생활을 생각한다면 과학자들이 전쟁무기 개발에 참여한 것은 이해할 수 있는 일이다. 실예로 유명한 로마와 카르타고의 전투에서 결정적으로 패배한 카르타고 인들은 단 한 명도 예외 없이 모두 노예로 팔려 갔다. 또한 징기스칸은 한 전투에서 자신의 아들을 죽게 했다는 것을 빌미로 50여만 명에 달하는 주민을 모두 학살했다.

1차 세계대전 이전의 군사무기는 고작해야 총과 대포와 같은 원시무기로서 기상 조건과 지휘관의 통찰력, 군사의 숫자와 사기만으로도 전쟁의 승패를 결정지을 수 있었다. 그러나 제1차 세계대전 중에 비행기와 탱크가 등장하고, 곧이어 발발한 제2차 세계대전에서 최첨단 탱크, 항공모함, 잠수함은 물론 고성능 전투기가 개발되면서 전쟁의 형태는 변화하기 시작했다. 특히 제2차 세계대전 중에 등장한 무전기와 레이더, 원자폭탄 등은 전쟁의 형태를 근본적으로 바꿔놓았다.

학자들은 이들 무기의 개발로 인해 전쟁이 단시간 내에 끝날 수 있었다고 생각한다. 사실 많은 군인과 정치가들은 제2차 세계대전이 적어도 5～10년은 더 지속되리라 생각했다. 그렇지만 대량 살상무기의 등장은 더 이상 전쟁을 계속할 수 없게 만들었던 것이다.

 

전쟁이 끝나자 과학자들은 연구의 시각을 평화로운 분야로 돌리기 시작했다. 핵무기를 개발했던 학자들은 입자물리학 분야로 연구 방향을 돌렸으며, 레이더를 개발하던 학자들은 원거리 통신 및 천체물리학을 연구하기 시작했다. 이때 마이크로파를 연구하던 학자들 중에 한 명이 제1, 2차 세계대전의 모든 발명에 버금갈만한 획기적인 이론을 내놓는다. 그가 바로 미국의 물리학자 찰스 타운즈(Charles Hard Townes)이다.

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<레이더 기술자의 변신>

타운즈는 1915년 7월 사우스캐롤라이나주의 그린빌 인근 농가에서 태어났다. 그가 10살 때 변호사인 아버지가 선물로 시계를 사주자 그는 작동원리를 알기 위해 시계를 분해해서 조립했다. 그는 자신이 기계에 흥미를 갖고 있다는 것을 알고 자동차, 라디오 등 무엇이든 고장이 나면 어설프게라도 고쳐보려고 했고 적당한 수선 도구가 없으면 다른 방법으로 고칠 수는 없을까하고 생각했다.

그럼에도 불구하고 그는 농가에서 살았기 때문에 생물학자가 되려고 생각했지만 풀만 대학에 들어가자마자 물리학으로 전공을 바꾸었고 캘리포니아공과대학 대학원에 입학했다.

캘리포니아공과대학에는 추후에 원자폭탄을 개발한 로버트 오펜하이머(Robert Oppenjeimer)와 원자물리학 분야로 노벨상을 수상하는 로버트 밀리칸(Robert Millikan) 교수 등이 있었다.

그러나 그가 캘리포니아 공과대학을 졸업하던 1939년은 대공황의 후유증이 아직 치료되지 않는 상태여서 물리학 박사학위로는 직장을 얻을 수 없었다. 그는 대학에서 강의하려는 생각이 있었지만 결국 유명한 <벨연구소>의 문을 두들긴다.

그곳에서 그는 항법 장치와 폭격에 이용할 장치 즉 레이더에 관한 연구하라는 주문을 받았다. 타운즈는 추후에 이 임무가 마음에 들지 않았다고 술회했지만 결론은 그에게 불후의 명성을 얻어주는 임무가 된다. 그가 수행해야 할 업무는 전자공학이었고 마이크로파였는데 그것이 바로 레이저 개발로 이어지기 때문이다.

마이크로파는 파장이 짧고 주파수가 높은 전파로서 파장은 초고주파인 자외선과 일반적인 전파의 중간 정도이다(1밀리미터에서 30센티미터).

마이크로파는 원자를 들뜨게 하는 성질이 있어서 과학자들은 이를 이용해 다른 상태에 놓여 있는 물질들을 조사할 수 있게 되었는데 이것이 전자레인지의 기본원리이다.

당시의 마이크로파 기술은 1900년대 초에 제너럴 일렉트릭의 에른스트 알렉산더슨(Ernst Alexanderson), 뉴욕의 리 드 포레스트 (Lee de Forest), 런던의 존 암브로스 플레밍(Ambrose Fleming)의 연구 결과에 주로 의존했다. 그런데 1930년대 말에 파장이 몇 밀리미터 정도로 짧은 마이크로파를 방출할 수 있는 진공관이 마이크로파의 기본 기술이 되었다.

진공관은 공기를 뺀 유리관과 그 안에 들어 있는 도선과 금속판으로 된 전극으로 구성되어 있으며 전류와 전자신호를 조절할 수 있는 기능이 있다. 잘 알려진 사실이지만 진공관은 1948년에 트랜지스터가 발명되기 전까지 TV, 라디오, 초창기 컴퓨터 등의 부품으로 사용되었다.

학자들은 파장을 더 짧게 하면 더 강력한 복사선을 얻을 수 있다고 추론했다. 그렇다면 분자와 원자의 행동을 이용해서 복사선도 통제할 수 있다고 생각했다. 그러나 이런 추론은 진공관 수준의 기술로는 이룰 수 없었으므로 다른 장치가 필요했다.

바로 이 연구를 부여받은 사람이 타운즈이다. 그런데 그가 레이더 개선의 임무를 부여받을 때 그의 연구를 결정적으로 도와 줄 장비가 마침 개발된 상태였다.

1939년에 영국의 과학자 헨리 부트(Henry Boot)와 존 랜들(John Randall)이 강력한 극초단파를 생성할 수 있는 공진공동마그네트론(Resonant Cavity Magnetron)이라고 알려진 장비를 개발한 상태이기 때문이다.

레이더의 기본 원리는 비교적 간단하다. 레이더 장치는 특정 파장의 무선신호를 퍼뜨리는데 이들 신호가 전함이나 비행기 같은 물체에 부딪혀 반사되면 이를 파악하여 그 물체가 어디에 있는지를 식별하는 것이다.  이때 신호의 파장이 짧을수록 수신된 정보는 더 정확하다.

타운즈가 연구하고 있던 레이더 항법 폭격장치는 10센티미터부터 3센티미터 파장을 사용했는데 군에서는 0.25센티미터의 파장을 원했다. 또한 비행기에서도 사용할 수 있는 소형안테나도 주문했는데 이때의 문제점은 이 정도의 파장에서는 기체 분자가 파동을 흡수할 수 있다는 점이다. 즉 대기 중의 수증기(안개, 비, 구름)가 레이더의 작동을 방해할 수 있다는 점이다.

타운즈는 제2차 세계대전이 끝날 때까지 수증기의 파동 흡수문제를 해결하지 못하고 전쟁이 끝나자 벨연구소에서 컬럼비아대학으로 갔다. 그곳에서도 전쟁 중에 해결하지 못한 문제에 타운즈는 계속 매달렸는데 어느 날 그에게 아이디어가 떠올랐다.

그것은 과거의 전자회로를 이용하는 방법에서 벗어나 분자 자체를 조작하는 것이다. 이제 문제는 분자를 조작하는 방법을 알아내는 것이다. 다행하게도 그는 마이크로파를 아주 잘 흡수하고 파장에 따라 강력하게 상호작용을 하는 암모니아를 잘 알고 있었다.

그는 암모니아 분자들을 높은 에너지 준위로 격리시킨 다음 적절한 크기의 극초단파 광자로 충격을 주는 데 성공했다. 입사된 광자들은 많지 않았지만 대량의 광자가 나왔다. 즉 입사된 복사가 아주 크게 증폭된 것이다. 즉 고에너지 복사선 빔을 만든 것이다.

드디어 1953년 12월 타운즈는 어느 방향으로든 강력한 마이크로파를 생성할 수 있는 장치를 만드는데 성공했다. 그는 이 과정을 ‘자극 받은 분자의 복사에 의한 극초단파의 증폭’이라는 영어의 약자인 ‘메이저(MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)'라고 불렀다.

이론은 아주 간단하다. 암모니아 분자가 극초단파의 복사에 노출되면 두 가지 변화가 일어난다. 첫째는 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 올라가는 것이고 다른 하나는 그 반대이다. 보통의 경우는 에너지 준위가 올라가는 과정이 훨씬 많이 일어난다. 그러나 모든 암모니아 분자를 높은 에너지 준위에 있게 한다면 낮은 에너지 준위로 떨어지는 과정이 많이 일어난다.

이때 극초단파의 복사가 1개의 광자를 제공하면 암모니아 분자 1개가 낮은 에너지 준위로 떨어지는데 동시에 암모니아 분자로부터 전자 하나가 방출된다. 즉 최초의 전자와 방출된 분자 2개의 전자가 있게 된다. 다시 2개의 전자는 2개의 암모니아 분자를 흔들고 2개의 전자가 방출된다. 다음에는 4개의 전자가 방출되는 등 연쇄작용이 일어나 처음에 입사된 하나의 전자에 의해 같은 크기를 갖고 같은 방향으로 행동하는 전자의 폭발적인 이동이 일어나는 것이다.

타운즈는 소련의 바소프(Nikolai Gennadievich Basov), 프로호로프(Alexander Mikhailovich Prokhorov)와 공동으로 1964년 노벨 물리학상을 받았는데 바소프와 프로호로프도 타운즈와 동일한 연구를 했다.

 

<레이저의 개발>

타운즈는 메이저를 개발한 후 한 아이디어를 떠 올렸다. 마이크로파를 증폭시킨다면 다른 파도 증폭시키는 것이 가능하지 않겠느냐이다. 이는 빛도 가능하지 않을까하는 질문을 던진 것이나 다름없다. 레이저가 실용화되는 것이다.

그런데 타운스는 처음에 빛을 실용화한다는 생각은 없었다. 그는 추후에 다음과 같이 술회했다.

 

“파장이 짧은 파동을 만들려고 했던 이유는 과학을 하기 위해서였다. 분자에 관해 더 많은 것을 알고자 했지 응용에 대해서는 생각하지 않았다. 레이저 광선을 밝은 빛 같은 것으로 생각하지 않았다. 그저 분자에 관해 더 알고 싶었기 때문에 그 분자를 연구할 수 있는 파장이 짧은 파동을 만들려고 했다.”

 

그러나 그가 궁극적으로 성공할 수 있었던 것은 아서 숄로(Arthur Schawlow, 1921～1999)라는 물리학자를 만났기 때문이라 볼 수 있다. 그들은 1949년에 컬럼비아대학에서 만난 적도 있고 분광학에 대해 1955년 공동으로 책도 집필한 적도 있었다.

1956년 타운스는 벨연구소에 근무하는 숄로를 찾아갔다. 그들은 메이저의 원리를 마이크로파의 영역에서 끌어내어 가시광선이나 자외선과 같은 파장이 더 짧은 영역으로 확장하는데 의견을 일치했다. 그들은 모든 파장 즉 광파에도 메이저를 이용할 수 있다고 결론을 내렸다. 광파는 파장이 약 1,000분의 1미리미터인데 마이크로파는 파장이 약 1밀리미터이다.

여하튼 그들은 한 가지 주파수로 융합될 수 있으며 한 방향으로 정확히 진행할 수 있는 간섭성 빛을 생산하는 장치 개발에 착수했다. 간섭성이란 한 방향으로만 진행하는 것을 의미하며 이와 반대되는 단어는 비간섭성이다. 비간섭성 빛이란 사방으로 산란되는 광양자(빛의 최소 단위)를 뜻하는데 일반적인 빛은 비간섭성이다.

 

원리적으로 메이저는 전자기파의 어느 파장에도 응용이 가능하지만 가시광선 파장 범위의 광선을 증폭시키는 메이저가 레이저(LASER: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)다. 태양 광선을 프리즘에 통과시키면 무지개 색의 분광현상이 생긴다. 레이저는 그 무지개 색 가운데 단 하나의 색, 즉 단일 진동수의 빛을 내보내는 장치이다.

레이저에서 방출된 빛은 간섭성이 강하며, 진행 방향이나 파장이 일정하다. 따라서 레이저 광선은 퍼지지 않고 가느다란 빛으로 대단히 멀리까지 진행해 나갈 수 있다. 1,600킬로미터나 떨어진 곳에서 발사한 레이저 광선으로 커피 주전자를 가열할 수 있을 정도이며, 1962년에 달을 향해 발사된 레이저는 40만 킬로미터의 우주 공간을 지나 달에 도착했을 때 직경이 약 3킬로미터 정도밖에 퍼지지 않았다.

 

최초의 레이저광은 1960년에 미국의 물리학자 테오도르 메이먼(Theodore H. Maiman)에 의해서 만들어졌다. 그는 산화알루미늄에 산화크롬을 첨가한 인조 루비 막대를 이용하여 태양의 표면에서 방출되는 빛보다 4배가 강한 붉은 빛을 얻을 수 있었다. 메이먼이 개발한 레이저를 ‘고체 레이저’라고 하며, 현재도 고출력의 광 펄스원으로 이용하고 있다.

한편 같은 해에 벨연구소의 야반은 네온과 헬륨 기체를 혼합한 광원을 사용하는 레이저 장치를 만들었다. 기체 레이저는 가시광을 포함한 여러 파장의 빛을 발생시킬 수 있고, 안정된 연속 발진을 하므로 영상 분야에서 널리 이용되고 있다.

1962년에는 반도체 다이오드에 순방향으로 전류를 흘렀을 때에도 레이저 작용이 일어나는 것이 발견되었고, 이것은 광통신을 비롯하여, 콤팩트디스크 등 기록의 여러 분야에서 널리 이용되고 있다. 또한 1966년에는 복잡한 유기 염료를 집속 광원으로 사용한 유기 레이저가 개발되었다. 특히 유기 염료는 복잡한 분자로 이루어졌으므로 전자의 반응이 다양하게 일어나며 여러 종류의 파장을 가진 레이저 광선을 만들 수 있다. 즉 그 전까지는 한 가지 파장만을 증폭할 수 있었던 것에 비해 유기 레이저는 일정한 범위 내의 모든 파장을 증폭할 수 있다는 것이다.

레이저의 개발에서도 인류가 태어난 이래 최고의 천재 중에 한 명이라는 아인슈타인이 등장한다. 아인슈타인은 1917년에 원자가 여기 상태일 경우, 동일한 에너지의 광자가 원자를 원래 상태로 돌아가도록 촉진시키면서 유도된 광자의 복제품 광자를 방출할 수 있다는 유도 방출 이론을 발표했다.

원자가 에너지를 얻고 또 그 원자가 얻은 에너지와 같은 양의 에너지를 지닌 광자가 그 원자에 와서 부딪힌다면 그 원자는 얻었던 에너지를 내놓는다. 이때 그 원자는 부딪혔던 광자와 꼭 같은 크기의 광자를 내놓으며, 방출된 광자는 원래의 광자와 방향 특성, 파장, 위상, 그리고 편광 상태가 같다. 광자 하나가 들어오면 같은 광자 두 개가 나간다는 것은 마이크로파를 증폭할 수 있다는 가능성을 제시한 것이다.

20세기 최고의 과학자로 아인슈타인을 이야기하는 것도 무리도 아니다. 사실 아인슈타인이 2005년까지 더 살아 있었다면 1961년 뫼스바우어(Rudolf Ludwig Mössbauer)와 함께 상대성 이론으로, 1964년에는 메이저와 레이저에 대한 기초 이론, 2005년으로 GPS로 사상 최초로 4개의 노벨상을 받았을 것이라고 생각한다.

GPS는 아인슈타인의 상대성 이론이 옳다는 것을 확실하게 알려진 것으로도 유명하다.

GPS에 사용되는 위성은 가장 정확하다는 원자시계를 갖고 있는데 위치를 정확히 알기 위해서는 이 시계가 지구 위에 있는 시계와 정확히 같이 움직여야 한다. 그러나 위성이 너무 빨리 움직이고 높이 떠 있다는 것이 문제다. 속도가 빠르기 때문에 상대성이론의 영향을 받는 것이다.

상대성이론에 따르면 빠르게 이동하는 물체 안에서는 시간이 느려진다. 일상생활에서는 이런 현상이 나타나는 경우가 거의 없지만 위성은 다르다. 미국 워싱턴대 클리포드 윌 교수에 따르면 위성에서는 하루에 7밀리초(1ms=1000분의 1초)씩 시간이 느려진다.

더 큰 문제는 중력이다. 위성은 지표면에서 2만2백 킬로미터 높이에서 돌고 있는데 이 때문에 중력이 표면의 1/4에 불과하다. 중력이 약한 곳에서는 시간이 빨리 간다는 것이 상대성원리이다(실제로는 외부 관찰자가 볼 때 시간이 빨리 가는 것처럼 보인다). 이 때문에 위성 시계가 지표면보다 더 빨리 가서 하루에 45ms나 더 빨라지는 현상이 생긴다. 2가지 효과를 모두 고려하면 위성에 있는 원자시계는 지표면보다 38ms나 빨리 가게 되는 것이다. 만일 하루 종일 이 차이를 무시하고 내버려 두면 38ms 사이에 전파는 약 11킬로미터나 진행되므로 11킬로미터의 위치 오차가 생긴다. 한마디로 내비게이션이 아무런 쓸모가 없어진다.

따라서 GPS 위성은 매일매일 이 정도의 오차를 보정해야 지구 위에 있는 시계와 똑 같은 시간을 가질 수 있다. 일상생활과는 상관없을 듯한 상대성이론이 사실은 매우 가까이 있는 셈이다. 미국 콜로라도대 밀 애쉬비 교수는 1970년대 군사용 GPS위성을 처음 띄웠을 때 상대성이론 효과가 나타난다는 쪽과 그렇지 않다는 쪽으로 첨예하게 나뉘었지만 GPS 위성이 발사되자마자 아인슈타인이 옳은 것으로 판명이 됐다고 설명했다. 1879년에 태어난 아인슈타인을 ‘2005년까지 살아있다면’이란 가정이 다소 비현실적이기는 하지만 너무 탁월한 재주를 갖고 있는 사람이 손해본다는 것은 천재 과학자에게도 예외는 아닌 모양이다.

이제 레이저는 새로운 형태의 빛을 만들었다. 기존 광원에서는 빛을 파동으로 제어하는 방법이 없었기 때문에 공간을 통하여 에너지를 전달하는 것 외에는 활용할 수 있는 방법이 별로 없었다. 따라서 조명이나 광학 기계 등에 사용하는 것이 고작이었다. 이에 반하여 레이저는 전파처럼 규칙적인 진동을 연속하여 발생케 하는 장치이므로 파장을 마음대로 조정할 수 있다.

현재 이용 가능한 레이저광의 파장 범위는 가시 영역은 물론 자외선 영역부터 전파 영역까지 넓혀져 파장마다 고유의 레이저 광선을 만들 수 있게 되었다. 이것이 레이저가 거의 모든 전자 제품에 사용할 수 있게 된 요인이다. 또한 레이저 쪽으로 움직이는 물체에서 반사된 빛은 도플러 효과에 의해 속도에 비례해서 진동수가 증가하고 멀어지는 물체는 진동수가 감소한다. 

레이저 선속은 아주 강한 단색 광파로 특징지어진다. 블렘버겐(Nicolaas Blömbergen)은 매우 높은 빛의 강도에서 물질의 성질을 연구하기 위해 레이저를 이용했다. 왜냐하면 물질 내의 편광은 광파의 진폭에 더 이상 비례하지 않기 때문이다. 그는 또한 분광학과 연관한 셋 혹은 네 개의 파선뿐만 아니라 포화 분광학, 도플러 효과와 같은 새로운 분광학 기술에 모든 이론을 적용시켰다. 그 기술들은 자동차와 제트엔진 내의 연소장치 같은 곳과 생물학적 원료의 탐색까지 다양한 효과를 연구하기 위해 사용되었다.

레이저 분광학은 레이저 광선이 비춰진 물체의 원자와 분자의 성질을 이용하기 위해 이용된다. 표본이 흡수한 파장과 흡수된 에너지의 상대량은 화학적 변화, 화학 결합, 원자와 분자 에너지 준위들을 규정하는 데 사용될 수 있다. 아서 숄로(Arthur Leonard Schawlow)는 주로 광학과 극초단파 분광학, 핵자기 공명, 초전도체와 레이저에 대한 연구를 했다. 아서 숄로와 블램버겐은 레이저 분광학의 발전에 관한 공헌으로 1981년 노벨 물리학상을 받았다. 또한 크뢰머 박사와 알페로프 박사가 실온에서 작동 가능한 반도체 레이저를 연구하여 현재 레이저 시대를 여는 촉진제가 되었고 2000년 노벨물리학상을 수상했다.

레이저의 혜택을 가장 많이 본 사람은 아마도 펜지아스(Arno A. Penzias)와 윌슨(Robert W. Wilson)일 것이다. 그들은 1964년 메이저 증폭기를 이용하여 빅뱅이 일어났을 때 생긴 우주 배경복사를 발견하여 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.

1997년에는 스티븐 추(Steven Chu), 코엔타누지(Claude Cohen-Tannoudji), 필립스(William D. Phillips)가 레이저를 이용한 원자의 냉각 및 포획연구로 노벨 물리학상을 받았다. 앞으로도 레이저광을 이용하여 많은 학자들이 노벨상을 수상할 수 있을 것으로 예상된다.