휴 데이비드 폴리처: 강한 상호작용을 다시 쓴 대학원생

1973년, 교수직과는 거리가 멀었던 하버드 대학의 한 대학원생은 양성자와 중성자를 구성하는 입자인 쿼크가 물리학자들의 예상과는 반대로 행동한다는 사실을 밝혀냈습니다. 즉, 쿼크는 서로 가까워질수록 그 사이의 힘이 약해진다는 것이었습니다. 이는 너무나 이상한 결과였기에 폴리처는 처음에 자신이 실수를 저질렀다고 걱정했습니다. 하지만 실수가 아니었고, 프린스턴 대학의 데이비드 그로스(David Gross)와 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)이 동시에 독립적으로 수행한 이 발견은 30년 후 세 사람 모두에게 노벨상을 안겨주었습니다.

브롱크스의 난민 가족의 아들

휴 데이비드 폴리처는 1949년 8월 31일 뉴욕시에서 태어났습니다. 그의 가족은 이주 역사를 가지고 있었는데, 부모님은 나치 점령 전인 1939년 체코슬로바키아에서 영국으로 탈출했고, 제2차 세계 대전 후 미국으로 이민했습니다. 그는 수많은 미국인 노벨상 수상자를 배출한 명문 공립학교인 브롱크스 과학 고등학교(Bronx High School of Science)에 다녔고 1966년에 졸업했습니다. 이후 미시간 대학교에서 물리학 학사 학위를 1969년에 마쳤고, 하버드 대학교 대학원으로 진학하여 이론 물리학자 시드니 콜먼(Sidney Coleman) 밑에서 연구하며 1974년에 박사 학위를 받았습니다.

쿼크 가둠을 설명한 계산

폴리처의 결정적인 기여는 박사 학위를 마치기도 전에 이루어졌습니다. 1973년, 대학원생이었던 그는 쿼크 사이의 거리가 줄어들 때 양성자와 중성자 내부에서 쿼크를 묶어주는 강한 핵력에 무슨 일이 일어나는지 계산했습니다. 전자기력이나 중력과 같은 힘에서 도출된 기존의 직관은 거리가 가까워질수록 상호작용이 강해져야 한다고 시사했습니다. 폴리처는 정반대의 사실을 발견했습니다. 쿼크가 가까워질수록 강한 힘은 실제로 약해지며, 이 성질은 '점근적 자유성'이라 불리게 되었습니다. 동시에 프린스턴 대학의 데이비드 그로스와 대학원생 프랭크 윌첵도 완전히 독립적으로 같은 결론에 도달했습니다. 폴리처가 발표한 논문은 그로스-윌첵의 연구와 함께 1973년 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 게재되었고, 입자 물리학의 진정한 역설을 해결했습니다. 이는 강한 힘이 어떻게 쿼크를 양성자와 같은 입자 내부에 영구적으로 가둘 수 있으면서도, 당시 물리학자들이 수행하던 고에너지 충돌 실험에서는 마치 존재하지 않는 것처럼 행동할 수 있는지를 설명했습니다. 왜냐하면 그러한 충돌에서 탐색되는 극도로 짧은 거리에서는 힘이 느슨해지기 때문입니다. 이 발견은 강한 상호작용을 설명하는 이론인 양자색역학의 기초가 되었습니다.

주니어 펠로우에서 칼텍 교수로

박사 학위를 마친 후 폴리처는 1974년부터 1977년까지 하버드 학회(Harvard Society of Fellows)의 주니어 펠로우로 3년을 보냈습니다. 이는 젊은 학자들이 교육 의무에서 벗어나 연구에 전념할 수 있도록 하는 매우 선별적인 박사후 과정입니다. 이후 캘리포니아 공과대학교(Caltech)로 옮겨 1975년 방문 부교수로 합류했고, 1976년 종신 재직권을 얻었으며 1979년 정교수로 승진했습니다. 그는 1986년부터 1988년까지 칼텍 물리학과 학과장을 역임했으며, 최종적으로 리처드 체이스 톨먼(Richard Chace Tolman) 이론 물리학 교수 직함을 가졌습니다. 점근적 자유성 외에도 폴리처는 토마스 아펠퀴스트(Thomas Appelquist)와 함께 참 쿼크와 반참 쿼크의 결합 상태인 차모늄과 관련된 이론적 예측을 연구하며 1970년대 쿼크 물리학 분야에 기여했습니다.

수십 년 후의 노벨상

2004년 노벨 물리학상은 폴리처, 데이비드 그로스, 프랭크 윌첵에게 '강한 상호작용 이론에서의 점근적 자유성 발견'으로 공동 수여되었습니다. 이는 세 사람이 30년도 더 전인 1973년에 완료한 연구를 인정한 것으로, 이론적 결과가 수십 년간의 실험적 검증을 견뎌냈음을 확인하기 위해 노벨 위원회가 때때로 얼마나 오래 기다리는지를 보여주는 사례입니다. 폴리처는 같은 연구로 1986년 사쿠라이 상(이론 입자 물리학 부문)과 2003년 유럽 물리학회의 고에너지 입자 물리학상을 포함한 이전의 인정을 받았으며, 2011년 미국 예술 과학 아카데미 회원으로 선출되었습니다.

남다른 길을 걷는 물리학자

입자 물리학 외의 폴리처의 관심사는 이론가로서는 이례적으로 대중에게 공개되었습니다. 그는 밴조를 연주하며 현악기의 물리학에 대한 연구를 수행했고, 전문적인 훈련을 취미에 적용했습니다. 1980년대에는 아원자 입자에 대한 언어 유희인 '프로페서 폴리처 앤 더 로 메손스(Professor Politzer and the Rho Mesons)'라는 재치 있는 이름의 밴드에서 리드 보컬을 맡기도 했습니다. 또한 1989년 맨해튼 프로젝트를 다룬 할리우드 영화 '팻 맨 앤 리틀 보이(Fat Man and Little Boy)'에 물리학자 로버트 서버(Robert Serber) 역으로 예상치 못한 스크린 출연을 하기도 했습니다. 이는 학문적 협력 거리와 영화 연기 협력 거리를 결합한 유머러스한 척도인 '에르되시-베이컨 수(Erdős–Bacon number)' 5를 그에게 안겨주었습니다.

휴가 천재라 불리는 이유

폴리처의 천재성은 그가 학생 시절 수행한 단 하나의, 매우 직관에 반하는 계산에 근거합니다. 이는 자연계의 다른 모든 힘이 물리학자들에게 기대하게 만들었던 물리적 직관에 정면으로 배치되는 것이었습니다. 짧은 거리에서 힘이 강해지는 것이 아니라 약해진다는 것을 발견하려면, 당시 아직 초기 단계였던 양자장론의 수학을 다루는 기술적 능력과, 언뜻 보기에는 틀린 것처럼 보이는 답을 신뢰할 수 있는 정신적 독립성이 모두 필요했습니다. 이 이야기의 가장 솔직한 복잡함은 이 발견이 그만의 것이 아니었다는 점입니다. 데이비드 그로스와 프랭크 윌첵도 독립적으로 거의 동시에 같은 결론에 도달했으며, 노벨 위원회가 상을 3등분하기로 한 결정은 폴리처의 연구를 폄하하는 것이 아니라 그 동시성을 반영한 것입니다. 그러한 거의 동시적인 발견은 물리학 분야가 아이디어를 받아들일 준비가 되었을 때 흔히 일어나는 일이며, 이는 업적을 지우는 것이 아니라 맥락화하는 것입니다. 폴리처의 통찰은 개인의 천재성에 의한 고립된 섬광이라기보다는, 양자색역학의 근간을 이루는 수학이 어떤 의미에서 누군가가 알아차리기를 기다리고 있었던 결론을 가장 날카롭고 빠르게 언어화한 것이었습니다.

유산

점근적 자유성은 입자 물리학 표준 모형의 핵심 아이디어 중 하나로 남아 있으며, 양성자, 중성자, 그리고 대형 강입자 충돌기와 같은 시설에서의 고에너지 입자 충돌 잔해 내부에서 쿼크와 글루온이 어떻게 행동하는지에 대한 현대적 계산의 기초가 되고 있습니다. 폴리처는 자신의 이름을 알린 발견 이후 수십 년 동안 칼텍에서 경력을 이어갔으며, 밴조 음향학부터 할리우드 맨해튼 프로젝트 드라마의 조연 역할까지, 이론 물리학 분야의 업적과 함께 이례적으로 다채로운 외부 활동의 족적을 남겼습니다.