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세상에서 가장 정확한 ‘이터븀 원자시계’

  • 2014.04.16.
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때때로 시간을 되돌릴 수 없는 것이 큰 축복이란 생각이 듭니다. 만일 시간을 되돌릴 수 있다면, 세상은 아마도 이전의 잘못을 바로잡느라 수없는 반복과 혼란을 거듭할지도 모르니 말입니다. 시간과 관련한 이야기가 나오니 얼마 전에 끝난 드라마 ‘별에서 온 그대’가 생각납니다. 윔홀을 통해 고향 행성으로 돌아갔던 외계인 도민준이 천송이 앞에 순간순간 나타났던 장면, 지구에서 천송이와 사람들을 구하기 위해 시간을 정지시켰던 그가 고향 행성에서는 천송이를 보기 위해 지구로 텔레포트를 시도했다는 이야기는 참 신선하게 마음을 흔들어놓았습니다.

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그런데 ‘시간’이라는 개념은 어느 순간부터 인식된 것일까요? 정확한 것은 알 수 없지만 시간의 구분은 태고적 원시인들이 깜깜하면 밤,
환하면 낮이라 부르며 시작되었을 것 같습니다. 인류는 이렇게 낮 동안 해의 움직임을 통해 시간을 측정해왔고, 모래나 물의 흐름을 통해 시간을 측정하는 시계들을 만들었습니다. 해시계와 물시계의 기준이 되는 지구의 자전 속도나 물의 유속은 정확한 시간을 측정하기에는 한계가 있습니다. 이런 점을 보완하기 위해 만들어진 것이 등장한 것이 최근까지 쓰이던 태엽시계였고, 요즘엔 정밀한 시간측정을 위해 원자시계가 사용되고 있습니다. 원자시계는 각각 일정한 진동수를 가지고 있는 원자의 진동수를 이용해 시간을 측정하는 원리로 만들어져 수십년 째 쓰이고 있습니다. 그런데 최근 한국표준과학연구원에서 1억년에 1초의 오차를 보이는, 기존의 원자시계의 정확도를 훨씬 능가하는 새로운 원자시계를 개발해 비상한 관심을 모으고 있습니다. 새롭게 개발된 이 원자시계’에 대해 알아보겠습니다.

 

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현재 정확한 시간측정을 위해 ‘세슘133’가 원자시계에 사용됩니다. 이 시계는 세슘133 원자가 1초에 91억 9,263만 1,770번 진동하는 시간을 기준으로 시간단위를 측정하고 있습니다. 미국은 1949년 24GHz의 저압 가스 암모늄 분자로 동기화되는 수정 진동자(쿼츠) 시계를 제작했고, 영국은 1955년 루이 에센이라는 물리학자의 활약으로 세계 최초의 세슘 시계를 개발했습니다.
그런데 약 60년간 세계에서 가장 정확한 시계라는 명성을 누려온 세슘 시계 보다 더 정확한 시계가 나타난 것입니다. 고유 진동수가 높은 ‘이터븀 원자’를 이용한 이터븀 원자 광격자 시계가 바로 그 주인공입니다. 이터븀 원자는 고유 진동수가 1초에 518조 2,958억 3,659만 865번으로, 세슘보다 무려 5만 6,000배 이상 정밀하다고 합니다. 518조? @.@

얼마 전까지만 해도 이터븀 원자시계를 만들어낸 것은 미국과 일본 두 나라뿐이었습니다. 그런데 최근 한국표준과학연구원(KRISS)이 세계 세 번째로 바로 이 이터븀 원자시계를 만들어낸 것입니다. 우리나라가 이터븀 원자시계 제작에 성공한 것은 개발 착수 11년만이라고 합니다. 이터븀 원자시계는 주파수를 측정할 때 레이저를 이용해 원자의 진동을 측정하기 때문에 ‘광격자 시계’라 부르기도 합니다. 한국표준과학연구원에 의하면 이터븀 원자시계의 오차는 1초에 2.9×10의 -16승 초로, 1억년에 약 0.91초라고 합니다. 1억년 뒤에도 도민준이 살고 있을까요? (-,-a)

 

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GPS 위성에는 일반적으로 세슘, 루비듐 원자시계가 탑재되어 있습니다. GPS는 최소 3개의 위성이 보내는 신호가 수신기로 전달되는 시간을 계산해 위치를 확인하는 시스템으로 되어 있습니다. 시간의 오차가 생기면 위치정보의 정확도가 떨어질 수밖에 없다고 합니다. 그러니 이터븀 원자시계를 탑재하면 GPS가 그만큼 더 정확한 위치정보를 얻을 수 있게 되는 것입니다. 이동통신망을 구축하는 데도 이런 정밀시계가 쓰입니다. 이동통신망을 구축하는데 사용되는 시분할다중접속과 주파수분할다중접속 기술인데, 이것들은 정확한 시간정보를 바탕으로 시간, 주파수를 쪼개 여러 사용자가 데이터를 동시에 송수신할 수 있게 해줍니다. 그리고 얼마 전 발견된 우주배경복사의 중력파 패턴도 시간을 최대로 쪼개주는 원자시계 덕분에 얻어낸 결과라고 합니다.

이터븀 원자시계의 진동수를 보니 1초간 ‘시간정지’를 사용했던 도민준의 능력이 대단한 것이라는 생각이 드는데요, 우리는 외계에서 온 도민준처럼 시간을 정지시킬 능력은 없지만, 이터븀 원자시계가 정밀하게 분할해주는 1초, 1초를 최대한 아껴 쓰는 지혜는 가지고 있을 것입니다. 그렇게 따지면 우리도 도민준 만큼은 아니지만 무척 대단한 존재라고 할 수 있지 않을까요?

 

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