Make Dimensions Computable : Richard Ernst’s Development of NMR and Flexing Molecules = 차원을 컴퓨팅하기: 리하르트 에른스트의 NMR 개발과 꿈틀거리는 분자

국문 초록 (Abstract)

화학사학자들은 20세기 중반에 ‘기기 혁명’이라고 칭할 수 있는 화학 실천의 큰 변화가 있었다고 본다. 이 시기는 화학의 물리화, 기계화, 또는 컴퓨터화로 특징지어질 수 있다. 기기 혁명의 핵심에 있었던 기법인 핵자기공명(NMR)은 스핀을 가진 원자를 강력한 외부 자기장 안에 두었을 때 공명 에너지를 측정함으로써 샘플에 대한 정보를 추출한다. NMR은 1960년대-1970년대 스위스의 물리화학자 리하르트 에른스트 (Richard R. Ernst) 를 주축으로 한 기여를 통해 높은 재현성, 효율적인 측정, 낮은 가격을 확보하며 현재 거의 모든 화학 실험실의 일상적인 측정 기기가 되었다.
기존의 역사 서술은 NMR 연구의 범위와 도구를 결정한 복잡한 사회-기술적 네트워크를 드러냈다. 이 글은 그 기반 위에서 NMR 연구의 개념적 전환과 새 연구 질문들의 등장을 추적하면서 전자 컴퓨터의 역할을 강조한다. 컴퓨터의 접근 가능성이나 성능은 물론 사회-기술적 네트워크에 크게 의존했지만, 한 번 설치되고 나면 매우 빠르고 신뢰 가능한 데이터 변환을 보장했다. 컴퓨터 기술은 다양한 차원과 단위를 가진 변수들을 무차원화함으로써 생물학사가 라인베르거 (Hans-Jörg Rheinberger)가 제시한 개념인 표상공간 (spaces of representation) 사이의 연결을 매개했다. 에른스트의 사례를 설명하기 위해 나는 분자 내 원자의 위치를 표상하는 ‘유클리드 공간’과 분자의 가능한 에너지 상태를 표상하는 ‘푸리에 공간’이라는 두 표상공간을 제시했다.
나는 에른스트의 두 성취인 FT-NMR(1965)과 2D-NMR(1975)이 컴퓨터 기술을 사용해 각 표상공간 속 변수들을 썰고, 쌓고, 베는 수학적 조작을 가했으며, 이렇게 ‘숨은’ 변수들은 흥미롭게도 곧 방법론 개발의 다음 단계에서 새 연구 질문으로서 부활했다고 주장한다. 이 같은 차원의 숨바꼭질은 물리화학과 생화학의 진화를 추동했다. FT-NMR이 펄스 기법으로 시간을 ‘압축한’ 것은 화학 반응의 실시간 추적으로 이어졌다. 2D-NMR의 ‘쌓음 모드’를 베어 ‘등고선 모드’로 만든 것은 다차원 NMR로 이어졌다. 기기와 이론을 연결하는 “인간 인터페이스” 에른스트에 의해 가능했던 차원들의 예측 불가능한 숨바꼭질은 분자 운동론, 단백질 구조 결정, MRI 등 새로운 연구 분야를 개척했다.
나는 NMR 발전사 속 컴퓨터의 역할에 대한 본 논문의 주제에 대한 코다(coda)로서 ‘과학의 나무’ 와 ‘기기의 나무’라는 두 나무 메타포를 병렬함으로써 분석화학에서 인식과 기술의 공진화에 대한 폭넓은 이해를 도모했다. 또한 나는 에른스트의 사고방식을 그의 예술적 취향과의 연관 속에서 포착하려 했다. 어린 시절부터 이어진 클래식 음악 작곡에 대한 관심과 인생 후반기에 몰두한 티베트 탱화에의 열정은, 비록 그의 과학적 사유와 직결되지는 않더라도, 다양한 요소들을 정렬하여 주어진 시간 내에 임무를 완수하려 한다는 점에서 과학과 예술을 포괄하는 그의 ‘지휘자적’ 태도의 발현이었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Historians of chemistry view the mid-20th century as a period of a significant shift in chemical practice, termed the “Instrumentation Revolution,” characterized by the physicalization, mechanization, and computerization of chemistry. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, a technique central to this “Revolution”, measures the resonance of spin-containing atoms when they are placed in a strong external magnetic field. Swiss chemist Richard R. Ernst’s (1933-2021; Nobel Prize in Chemistry, 1991) contributions to enhancing sensitivity and reducing the cost of NMR have made it a routine instrument in nearly every chemistry laboratory today.
While the existing historical narrative presents a complex socio-technical network that conditioned NMR scientists’ scope and research tools, this paper focuses on the conceptual turns and the emergence of new research questions in NMR history, revealing the role of electronic computers. Although the availability and capacity of usable computers were largely affected by socioeconomic factors, once implemented, they enabled automatic, reliable data processing at speeds that human researchers could only imagine. Computer technique de-dimensionalized any variable into numbers without unit, thereby connecting spaces of representation (Hans-Jörg Rheinberger’s term), which are, in my words, “Euclid space” representing atomic positions and “Fourier space” representing the possible energy states.
I argue that Ernst's two technical achievements, FT-NMR (1965) and 2D-NMR (1975), both used the most recent computer technology to chop, stack, or slice the variables in Euclid and Fourier spaces to exert mathematical transformations, and interestingly, these variables hidden by these transformations soon reappeared in a chemist’s research question at the next stage of development. I call this a hide-and-seek of dimensions that propels the evolution of physical and biological chemistry. Introducing the pulse technique to compress the measurement time variable in FT-NMR enabled real-time tracking of chemical reactions. Slicing the stacked-mode 2D-NMR spectra into flat contour-mode led to three and more-dimensional NMR techniques. These contingent and unpredictable dimensions, intertwined with the evolution of instruments through the “human interface,” Ernst, led to new research fields such as molecular dynamics, protein structure determination, and MRI.
As a coda to the story of computers in NMR evolution and a broader understanding of coevolutionary growth between epistemic and technical facets in analytical chemistry, I juxtapose two tree metaphors — Ernst's Tree of Science from his later years and the Tree of Instruments drawn by the instrument firm Varian Associates. In addition, I seek to capture Ernst's mindset, aligning computers and devices to achieve goals within given limitations, in relation to his artistic tastes. Ernst's lifelong interest in classical music and his later passion for Tibetan thangka paintings, though not directly linked to his scientific thinking, were manifestations of his attitude as a conductor that spanned both science and art.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1. New Methods of Chemistry, Unexpected Arena of Research 1
• 1.2. NMR Spectra, Spaces of Representation, and Computers 5
• 1.3. Richard R. Ernst, a “Nobel Prize Winner from Winterthur” 10
• 1.4. Aim and Structure 14
• 2. Prelude: Synchronizing Two Spaces of Representation 17
• 2.1. Stanford Model, Harvard Model, and Fourier Transform 17
• 2.2. NMR in the 50s — This is NMR at Work 19
• 2.3. Using Computers in Spectroscopy 22
• 3. Digitizing Time: Ernst at Varian and FT-NMR 27
• 3.1. Go West to America 27
• 3.2. A-60 and the Rotating Dial 29
• 3.3. Do the Fourier Transform — But How? 33
• 3.4. Bridging by Chopping 38
• 3.5. Reappearing Time Dimension 45
• 4. View from the Top: Ernst Back at ETH and 2D-NMR 50
• 4.1. Go West to Home 50
• 4.2. From Emerged Peaks to Merged Peaks 55
• 4.3. Double Fourier Transforms 59
• 4.4. Bridging by Stacking 62
• 4.5. Flexing Molecules’ States 69
• 5. Coda: A Man of Many Dimensions 78
• 5.1. Trees and Ladders: Instrument-Model Co-evolution 78
• 5.2. Conductor of the Instruments 83
• 6. Conclusion 88
• Bibliography 92
• Primary Material Archives 92
• Primary Source 92
• Secondary Source 93
• Patents (United States and Germany) 95
• Presentations, Websites, and Videos 95
• Abstract in Korean 97