어니스트 로런스
사이클로트론의 개발

로런스를 국제적인 명성을 가지게 만들어준 사이클로트론은 종이 냅킨 한 장에 그려진 스케치로부터 시작된다. 뉴턴의 사과와 같은 느낌을 주는 이러한 일화는 그가 1929년 도서관에 앉아 롤프 비데뢰에의 논문을 보면서 시작된다. 그 논문에는 한 다이어그램이 있었는데, 연쇄적인 작은 "밀기"들을 통해 고에너지 입자를 만드는 장치에 대한 것이었는데, 직선형의 그 장치는 높은 에너지를 만들기 위해서는 너무나도 긴 전극이 필요했다. 그 당시는 1919년에 어니스트 러더퍼드의 원자핵 발견이 이루어진 이후였고, 원자핵에 대한 연구가 시작되려고 하고 있었다. 하지만 원자핵을 연구하기 위해서는 원자핵을 부술 필요가 있었고, 양전하를 가지고 단단히 결합되어 있는 원자핵을 부수기 위해서는 전자기력을 이겨내고 원자핵을 부술 정도로 큰 운동에너지를 가지도록 입자를 가속시켜 충돌시킬 필요가 있었다.
비데뢰에의 논문에 나와있는 장치를 가지고는 수백만 볼트의 전압과 연구실에 들어가지도 않을 정도로 긴 전극이 필요하였고, 로런스는 이를 직선형으로 가속하는 것이 아니라 입자가 원운동을 하면서 가속이 가능하게 한다면 적은 전압과 작은 장치로도 충분히 가속된 양전자를 만들 수 있을 것이라는 생각을 하게 되었다. 로런스는 원형 챔버에 두 개의 전극을 장치하여 교류로 전압을 걸어주었고, 자기장을 걸어 전하를 띈 입자가 원 궤도를 돌게 하였다. 양전자가 나선 궤도를 돌다가 전극 사이에 도달하면 그 구간에서 가속이 되는데, 이러한 과정을 반복하면서 높은 에너지의 입자를 만드는 원리이다. 나선 궤도를 도는 이유는  {\vec {F}}=q({\vec {E}}+{\vec {v}}\times {\vec {B}})의 식으로 정의되는 로런츠 힘에 의해 자기장 내에서 양전자가 운동방향에 수직인 방향(원형 챔버의 중심 방향)으로 힘을 받게 되는데, 이로 인해서 나선 궤도를 돌게 되어 비데뢰에가 구상한 선형 가속기와 달리 작은 장치로도 충분히 큰 에너지를 얻을 수 있게 되었다.
그 당시에 이와 유사한 생각을 한 사람은 로런스 뿐만이 아니었지만 이를 개발하기 위해 적극적으로 행동한 것은 로런스가 유일했다. 로런스는 이러한 아이디어를 발전시켜 동료들과 함께 개발을 시작했다. 그는 닐스 에들렙센과 장치를 만드는 것을 시작하였고, 그들의 첫 번째 사이클로트론은 놋쇠, 전선, 봉랍으로 이루어진 4 인치의 작은 장치였으며, 이를 제작하기 위해 25 달러를 사용했다고 한다.
이후 에들렙센이 조교수 직을 위해서 떠난 이후에 로런스에게 필요한 것은 같이 아이디어를 발전시켜나갈 졸업생들이었다. 이때 로런스는 데이비드 슬론과 스탠리 리빙스턴을 받아들였는데, 그는 이들을 각자 비데뢰에의 가속기와 에들렙센의 사이클로트론을 발전시키도록 하였다. 둘 모두 기술적인 발전을 거듭하였고, 슬론의 선형 가속기는 1 메가 전자볼트까지의 가속에 성공하였다. 리빙스턴의 경우 더 큰 성과를 거두었는데, 그가 만든 11 인치 사이클로트론에 3000 볼트의 전압을 가해 1.22 메가 전자볼트까지 가속 시키는 것에 성공하는데, 이는 그의 박사 논문에서의 설계 수치보다 성공적인 수치였다.
1932년 초에 로런스는 27인지 사이클로트론의 설계를 마쳤고, 그해 4월에 캐번디시 연구소의 존 콕크로프트와 어니스트 월턴이 성공적으로 리튬을 양성자를 이용해 붕괴시켜 헬륨을 만드는 것을 성공한 사실을 알게 된다(이 둘은 이 업적으로 노벨 물리학상을 수상함). 로런스는 이를 위해 필요한 에너지가 11 인치 사이클로트론으로도 충분하다는 사실을 알게 되고, 이를 검증하려고 한다. 하지만 사이클로트론은 있어도 감지 장치가 부족했기 때문에 이를 위해 그의 팀은 반 년이 지난 후에야 검증을 수행할 수 있었다. 이처럼 로런스의 실험실은 중요한 발견들을 진행하기는 했지만, 이러한 과학적인 사용 보다는 사이클로트론의 발전에 더 초점을 맞추었다. 이러한 노력 덕분에 로런스는 고에너지 물리학에 필요한 가장 중요한 장치를 제공할 수 있게 되었다.
로런스는 그의 사이클로트론을 둘러싸고 핵 물리학 연구에 새로운 장을 열게 되는 연구소를 세웠다. 이렇게 건설된 연구소는 1936년 로런스가 캘리포니아 대학교의 총장에게 받은 제안을 수락하면서 캘리포니아 대학교의 공식 부서가 되었고, 로런스는 연구소장이 되어 매년 연구 활동비로 20000 달러를 지원받게 되었다. 그는 물리학과의 구성원들, 어떤 것이든 하기를 원하는 새로운 박사들, 아무 조건도 없이 연구소를 지원해 줄 회원들 및 부유한 손님들과 함께 그의 연구소를 구성할 것이라고 하였다. 이러한 그의 비즈니스 모델 덕분에 연구소는 활발히 연구를 진행할 수 있었다.
로런스가 새롭게 건설한 27 인치 사이클로트론을 이용하여 버클리에 있는 연구 팀은 중수소가 모든 원소와 충돌할 때 일정한 영역 대의 에너지를 방출한다는 사실을 알게 된다. 그들은 지금까지 알려지지 않은 새로운 입자가 이 제한된 에너지를 설명할 수 있을 것이라고 추측했다. 이후 로런스는 콕크로프트의 초대로 1933년 솔베 회의에 참여하게 된다. 솔베 회의는 세계 최고의 물리학자들이 모이는 회의로, 대부분 유럽 출신이었지만 로버트 밀리컨이나 아서 콤프턴과 같은 매우 뛰어난 미국 과학자들도 참여하였다. 로런스가 이러한 회의에 참여하게 된 것은 그의 업적이 세계적으로 인정받을 만한 것이었다는 뜻이며, 이 회의에서 로런스는 사이클로트론에 대한 발표를 요청받았다.
하지만 로런스의 버클리 연구 팀에서 발견한 제한된 에너지는 솔베 회의에서 캐번디시 연구소의 제임스 채드윅에 의해 회의적인 시선을 받게 된다. 채드윅은 로렌스의 연구 팀이 발견한 것이 실험 장치의 오염 때문이라고 주장했다. 회의 이후에 로런스는 버클리로 돌아와서 채드윅을 설득할 충분한 증거를 찾기 위한 실험을 하는데, 결과적으로 채드윅의 의견이 맞았으며, 거기에 더해서 그들은 핵분열이라는 다른 새로운 발견도 지나치게 되었다. 로런스의 반응은 그저 더 큰 사이클로트론이 필요하다는 것이었고, 27 인치 사이클로트론은 1937년에 37 인치로, 1939년에 60 인치로 증설되었다. 이를 이용하여 첫 번째 인공 방사성 동위원소가 생성되었다.
핵 물리학 연구를 위해서 기금을 모집하는 것보다 의학적인 용도로 기금을 모집하는 것이 더 쉬웠기 때문에 로런스는 사이클로트론을 특히 암 치료의 용도로 사용하기 위한 연구를 진행했다. 그의 동생인 존과 캘리포니아 대학교 생리학과의 이스라엘 라이언 차이코프와 함께 일하면서 방사성 동위원소의 의학적인 효과에 대해서 연구했다. 그 결과로 존은 사이클로트론에서 쉽게 생산할 수 있는 인-32를 진성 다혈구증이라는 혈액병을 치료하는 데에 사용하였다. 또한 방사성 인이 암세포와 같은 빠르게 성장하는 세포들에 집중되는 것을 발견하여 암 치료의 가능성을 보여주었다. 로런스는 중성자의 의학적인 사용에 대해 희망적이었는데, 이는 나중에 중성자 치료라는 분야로 성장하게 된다.
1939년 11월에, 로런스는 높은 에너지를 얻는 첫 번째 입자 가속기인 사이클로트론에 대한 그의 업적으로 노벨 물리학상을 받게 된다. 그는 입자 가속기로 노벨상을 받은 두 사람 중 한 사람인데, 나머지 한 사람은 시몬 판 데르 미에르이다. 그는 버클리에서 최초의 노벨상 수상자일 뿐만 아니라, 주립 대학교에서 나온 첫 번째 수상자였다. 노벨상 수여식은 1940년 2월 29일 제 2차 세계 대전 때문에 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 윌러 홀의 강당에서 로런스가 그의 메달을 스웨덴 총영사인 칼 월러스테드에게 수여 받으며 이루어졌다. 이듬해인 1940년에는 아서 컴프턴, 반네바르 부시, 제임스 코난트, 카를 컴프턴, 알프레드 리 루미스가 버클리로 찾아와 로런스의 184 인치 사이클로트론과 4500 톤 자석에 대한 제안서에 대해 토의하였고, 록펠러 재단이 115 만 달러를 지원하면서 프로젝트가 시작되었다.