아서 애슈킨: 빛으로 생명을 붙잡다

열 살 때, 대공황기의 브루클린에서 아서 애슈킨(Arthur Ashkin)은 크룩스 방사계(Crookes radiometer)에 매료되었습니다. 빛을 비추면 회전하는 흑백 날개가 달린 작은 유리구였죠. 그는 빛 자체가 아니라 열이 밀어내는 작용을 한다는 것을 알아냈고, 밖에서 구를 따뜻하게 하면 날개가 반대 방향으로 회전한다는 점을 발견했습니다. 60년 후 노벨 위원회는 그 어린 시절의 질문에 대한 성숙한 답변, 즉 '빛의 광선이 실제로 물질을 붙잡을 수 있는가?'에 대해 그에게 물리학상의 절반을 수여했습니다. 대답은 '예'였습니다. 그들이 소식을 전했을 때 그는 96세였으며, 그 일에 대해 그리 흥분할 수 없었다고 말했습니다.

브루클린, 레이더, 그리고 먼저 도착한 형제

애슈킨은 1922년 9월 2일 뉴욕 브루클린에서 태어났습니다. 18세에 오데사(Odesa)에서 이주해 맨해튼에 치과 기공소를 세운 이사도어 애슈킨(Isadore Ashkin)과 안나 피시먼(Anna Fishman)의 아들이었습니다. 살아남은 세 자녀는 형 줄리어스(Julius), 아서, 그리고 여동생 루스(Ruth)였습니다. 줄리어스는 22세에 컬럼비아 대학교에서 물리학 박사 학위를 받고 나중에 카네기 공대(Carnegie Tech)의 물리학과를 이끄는 등 압도적인 성취를 보였습니다.

아서는 제임스 매디슨 고등학교를 졸업한 후 1940년 형을 따라 컬럼비아 대학교에 입학했습니다. 전쟁으로 학업이 중단되었고, 그는 군용 레이더를 위한 마그네트론을 만드는 방사선 연구소에서 기술자로 일했습니다. 그곳에서 시드 밀먼(Sid Millman)이라는 상사를 만났는데, 그는 애슈킨의 인생에 두 번이나 결정적인 역할을 하게 됩니다. 애슈킨은 1947년 파이 베타 카파(Phi Beta Kappa) 상을 받으며 물리학 학사 학위를 마쳤고, G.I. 법안(G.I. Bill)을 통해 코넬 대학교로 진학하여 1952년 전자-양전자 산란에 관한 논문으로 핵물리학 박사 학위를 받았습니다. 코넬에서 그는 아내 얼린(Aline)을 만나 1954년 결혼하여 60년 넘게 해로했습니다.

벨 연구소에서의 40년

당시 벨 연구소(Bell Laboratories)에 있던 밀먼은 자신의 옛 기술자를 추천했습니다. 애슈킨은 1952년 입사하여 40년을 근무했습니다. 첫 10년은 마이크로파와 전자관 연구에 보냈는데, 이는 존경받을 만하지만 눈에 띄지 않는 작업이었습니다. 그러다 레이저가 등장했고, 1960년경 애슈킨은 비선형 광학, 광섬유, 파라메트릭 발진기 및 증폭기 분야로 완전히 전환했습니다. 1960년대 그는 압전 결정체에서 광굴절 효과를 공동 발견한 이들 중 하나였습니다. 그는 결국 47개의 특허를 보유하게 되었습니다.

그러나 그는 방사계에 대한 의문을 결코 내려놓지 않았습니다. 빛은 운동량을 가지고 있습니다. 이는 논쟁의 여지가 없습니다. 맥스웰(Maxwell)이 이미 말했듯, 혜성의 꼬리가 태양 반대 방향을 향하는 것도 복사압 때문입니다. 문제는 그 힘이 터무니없이 작다는 것입니다. 아무도 그것이 눈에 보이는 어떤 것을 밀어내는 데 유용할 것이라고 기대하지 않았습니다.

광학 족집게의 실제 역할

애슈킨의 통찰력은 레이저가 단순히 밀어내는 것만이 아니라는 점이었습니다. 빔을 단단히 집속시키면 강도에 가파른 경사가 생깁니다. 초점은 매우 밝고, 1밀리미터의 분수만큼만 떨어져도 흐려집니다. 그 경사 속에 놓인 투명한 입자는 작은 렌즈처럼 작용하여 통과하는 빛을 굴절시킵니다. 뉴턴의 제3법칙에 따라 빛의 경로를 굽히는 힘은 입자에 반작용을 미치며, 그 결과로 입자를 가장 밝은 지점으로 끌어당겨 그곳에 유지하는 힘이 발생합니다.

즉, 두 가지 힘이 작용합니다. 입자를 빔을 따라 밀어내는 산란력과 입자를 빔의 중심으로 옆으로 끌어당기는 경사력입니다. 이 두 힘의 균형을 맞추면 함정이 생깁니다. 집속을 충분히 가파르게 하면 경사력만으로도 단일 빔을 사용하여 3차원 모두에서 추진력에 대항하여 입자를 붙잡을 수 있습니다. 이것이 바로 광학 족집게(optical tweezer)입니다. 무언가가 잡혀 있는 빛의 매듭이죠.

애슈킨은 1970년 첫 광학 포획 논문을 발표했습니다. 벨 연구소의 이론 물리학과는 처음에는 이를 거부했으나, 그의 상사 루디 콤프너(Rudi Kompfner)가 이를 기각하고 제출하도록 지시했습니다. 이 논문은 그해 가장 많이 인용된 논문이 되었으며 이후 5,000회 이상의 인용을 기록했습니다. 1971년 그는 중력을 거슬러 작은 유리 구슬을 공중 부양시켰습니다. 단일 빔 경사 함정, 즉 진정한 의미의 족집게는 1980년대에 뒤따랐으며, 기술적으로는 1986년에 확립된 것으로 간주됩니다.

유리 구슬에서 살아있는 세포로

애슈킨을 물리학계 밖에서 유명하게 만든 단계는 생물학적 발견이었습니다. 그는 라텍스 구슬뿐만 아니라 박테리아, 바이러스, 나아가 완전한 살아있는 세포까지 포착할 수 있음을 발견했습니다. 결정적으로, 적외선을 사용하면 세포를 '요리'하지 않고도 이를 수행할 수 있었습니다. 갑자기 생물학자들에게는 단일 세포 소기관을 붙잡을 만큼 작은 손 한 쌍이 생긴 셈입니다. 광학 족집게는 키네신(kinesin)과 같은 분자 모터가 미세소관을 따라 걸을 때 발생하는 힘을 측정하고, 단일 DNA 분자를 늘리고, 접촉 없이 개별 세포를 조작하는 데 사용되었습니다.

물리학에서도 평행한 유산이 있습니다. 애슈킨의 포획 작업은 스티븐 추(Steven Chu)의 레이저를 이용한 원자 냉각 및 포획의 기초를 형성했고, 이는 추에게 1997년 노벨상 공동 수상을 안겨주었으며, 보스-아인슈타인 응축과 원자 레이저로 직접 이어졌습니다.

20년 늦은 상

2018년 10월 2일, 96세의 애슈킨은 레이저 빔 손가락으로 입자, 원자, 바이러스 및 기타 살아있는 세포를 잡는 광학 족집게를 발명한 공로로 노벨 물리학상 절반을 수상했습니다. 제라드 무루(Gérard Mourou)와 도나 스트릭랜드(Donna Strickland)는 처프 펄스 증폭 기술로 나머지 절반을 공유했습니다. 그는 수상 당시 역대 최고령 노벨상 수상자였으며, 이 기록은 존 구디너프(John Goodenough)가 97세에 화학상을 받을 때까지 딱 1년 유지되었습니다.

다른 영예들도 꾸준히 쌓였습니다. 1984년 미국 공학한림원, 1996년 미국 국립과학원 회원으로 선출되었으며, 1988년 찰스 하드 타운스 메달(Charles Hard Townes Medal), 1998년 프레더릭 아이브스 메달(Frederic Ives Medal), 2003년 조셉 F. 키슬리 상(Joseph F. Keithley Award), 2004년 하비 상(Harvey Prize), 2013년 미국 발명가 명예의 전당에 헌액되었습니다. 그는 1992년 벨 연구소에서 은퇴한 후에도 뉴저지주 럼슨 자택 지하실에 있는 실험실에서 계속 연구를 이어갔습니다.

아서가 천재라 불리는 이유

애슈킨의 경력에서 드러나는 자질은 단순히 원시적인 분석 능력이 아닙니다. 그는 이론가가 아니었으며, 복사압의 물리학은 그가 다루기 전에도 이미 확립되어 있었습니다. 그것은 더 드물고 가르치기 어려운 것, 즉 기관의 격려 없이 50년 동안 하나의 질문을 쫓는 인내심과 결합된 비범할 정도로 문자 그대로의 상상력이었습니다.

모두가 빛이 운동량을 가지고 있다는 것을 알고 있었습니다. 애슈킨은 빛으로 실제로 무언가를 집어 올리려고 하면 무슨 일이 일어날지 묻고, 작동할 때까지 장치를 계속 만든 사람이었습니다. 1970년 논문은 소속 기관의 이론 그룹으로부터 거부당했습니다. 그는 효과가 너무 미미하여 중요하지 않다는 말을 들었습니다. 그는 옳았고 그들은 틀렸습니다. 그를 옳게 만든 것은 투명한 구슬이 어떻게 빔을 굴절시키는지에 대한 물리적 직관, 즉 방정식이 아닌 정신적 이미지였습니다.

솔직한 반론은 다음과 같습니다. 그는 새로운 물리학을 발견하지는 않았습니다. 광학 족집게는 이해된 원리의 훌륭한 응용이며, 결국 노벨상은 기구에 수여된 것입니다. 그 시대의 벨 연구소는 좋은 인재를 생산적인 인재로 바꾸는 비범한 기계였고, 애슈킨은 회의론자들을 무시할 용의가 있는 상사와 함께 그곳에서 40년을 보냈습니다. 이 기술을 필수적으로 만든 생물학적 연구의 많은 부분은 다른 사람들에 의해 수행되었습니다. 진정으로 그의 것은 원래 아이디어의 고집스러움과, 어린 시절 회전하는 장난감을 보며 처음 품었던 질문을 포기하지 않은 한 남자의 결단력에서 오늘날 전 세계 실험실에서 사용되는 기술이 나왔다는 사실입니다.

유산

애슈킨은 2020년 9월 21일 98세를 일기로 세상을 떠났습니다. 코넬 대학교 미술 교수인 마이클(Michael), 태자(Tai Chi) 강사인 주디스(Judith), 도자기 과학자인 대니얼(Daniel) 등 세 자녀 중 아무도 물리학의 길을 걷지 않았습니다. 그의 기구는 더 큰 성공을 거두었습니다. 광학 족집게는 이제 세포 생물학, 생물물리학, 원자 물리학의 표준 장비가 되었으며, 1970년에는 마술처럼 들렸던 살아있는 박테리아 하나를 빛의 빔 속에 정지시키는 능력이 이제는 대학원생이 점심 식사 전에 준비할 수 있는 일이 되었습니다.