과연 이것은 무엇일까? 이것은 세상에 오직 하나밖에 없다. 이것은 프랑스 파리 근교의 한 건물의 지하 깊숙한 곳에 매우 안전하게 보관되어 있다. 전쟁이 일어나 폭탄이 떨어져도 어떤 손상을 입지 않을 정도로 말이다.

이것에 대한 보안은 이게 다가 아니다. 이것은 먼지조차도 접근을 허락하지 않을 뿐 아니라 이를 둘러싼 공기의 습도와 온도 역시 철저하게 일정한 상태를 유지하도록 되어 있다. 이를 위해 이것은 높이와 너비가 39.17밀리미터가 되는, 끝이 둥근 원형 유리관 속에 또 다른 작은 원형 유리관 여러 개에 겹겹이 둘러싸여 있다. 이것은 세상과 공기도 섞지 않을 정도로 철저하게 격리되어 있는 것이다.

지난 120년 동안 이것이 저장실 밖으로 나온 것은 고작 3번뿐. 이것을 실제로 본 사람은 극소수로, 일반인은 그 누구도 이것에 접근할 수 없다.

1킬로그램 쇳덩어리가 과학의 최고 보물인 이유

▲ 1킬로그램은 얼마인가 하는 질문의 답은 국제 킬로그램 원기이다. 국제 킬로그램 원기는 세상의 질량의 표준이다.

과연 어떤 보물이기에 이토록 애지중지하는 걸까? 세상에서 가장 값어치가 많이 나가는 귀한 보석이라도 되는 걸까? 하지만 아무리 귀한 보석이라고 해도 이렇게까지 철저하게 보관하는 이유는 뭘까?

그런데 사람들이 이것을 본다면 도무지 이해하기 힘들 것이다. 아무리 봐도 귀한 보물로 보일 만큼 특별한 구석이라곤 눈 씻고 찾아봐도 볼 수 없기 때문이다. 백금과 이리듐이 각각 9대1 비율로 이루어진 데다 흔하디 흔한 둥근 기둥 모양을 하고 있어 전혀 색다를 게 없는 지극히 평범한 쇳덩어리일 뿐이니 말이다.

그럼에도 불구하고 이것이 이 세상에서 가장 귀한 대접을 받는 이유는 과연 뭘까? 그건 바로 이것이 이 세상의 모든 물질을 재는 질량의 표준이기 때문이다.

이것은 ‘국제 킬로그램 원기’(International Prototype kilogram, IPK). 전 세계에서 공통으로 사용하는 질량의 표준 단위는 킬로그램인데, 이것이 바로 1킬로그램이다.

국제 킬로그램 원기는 이 세상의 모든 1킬로그램의 어머니와 같다. 세상의 모든 1킬로그램은 바로 이 원기를 바탕으로 만들어진 것이기 때문이다. 세상의 모든 물질이 질량이 얼마나 나가는지는 바로 이 국제 킬로그램 원기에 의해 정해진다. 정확하게 1킬로그램이란 게 얼마나 되는 거냐는 질문의 답은 바로 이 국제 킬로그램 원기인 것이다.

그럴 일은 없겠지만, 만약 국제 킬로그램 원기가 지금보다 질량이 더 나간다면, 어떻게 하면 좀 뺄 수 없나 하는 우리의 몸무게는 아무 노력을 하지 않아도 자동적으로 줄어들게 된다.

영국 파운드 표준 분동, 화재로 손상

우리의 일상생활은 여러 가지 표준 단위 속에서 이루어진다. 우리의 키가 얼마인지, 몸무게가 얼마나 나가는지, 현재 시각은 몇 시인지, 우리 집의 한 달 전기 사용량은 얼마나 되는지 등등으로 말이다.

일상생활에서 사용하는 수많은 단위들 가운데 가장 기본이 되는 것이 7가지 있다. 길이의 단위 미터(m), 질량의 단위 킬로그램(kg), 시간의 단위 초(s), 전류의 단위 암페어(A), 온도의 단위 캘빈(K), 광도의 단위 칸델라(cd), 물질량의 단위 몰(mole)이 여기에 속한다. 이 7가지 단위를 국제표준계(SI)의 기본단위라고 한다.

질량의 기본단위인 킬로그램은 이 7가지 단위 중에서 19세기에 만들어진 정의가 여전히 사용되는 유일한 단위이다. 또한 국제 킬로그램 원기라는 물리적인 대상을 표준으로 삼는 유일한 단위이기도 하다.

그래서 국제 킬로그램 원기는 표준을 연구하는 과학자들에겐 일종의 수치이다. 최첨단 과학기술의 시대에도 여전히 1킬로그램이 얼마인지는 전적으로 이 구닥다리 물건에 달려 있기 때문이다. 언제 없어지거나 손상될지도 모를 이런 물건이 바로 질량이라는 건 과학을 비웃음거리로 만들기에 딱 좋은 예다. 독일의 한 표준 과학자는 “킬로그램은 측정과학계에서 하얀 재킷에 묻어 있는 얼룩과도 같다”고 말했다.

국제 킬로그램 원기는 지금으로부터 130년 전인 1879년 영국에서 만들어졌다. 그리고 1889년 제1최 국제도량형총회 이후로 이 원기는 질량의 표준단위로서 군림해왔다. 하지만 언제까지 이 원기가 질량의 표준단위로서 지위를 유지할지는 의문이다.

그럴 만도 한 게 과거에 질량의 표준단위가 되는 물질이 파괴되는 사건이 있었다. 질량 단위로 파운드를 쓰는 영국은 국제 킬로그램 원기와 같은 역할을 하는 파운드 표준 분동을 만든 적이 있다. 국제 킬로그램 원기가 출현하기 전인 1758년에 만들어진 이 분동은 1760년 대영제국의 파운드 원기가 되었다.

그런데 영국에 단 하나밖에 없는 이 파운드 표준 분동은 수명이 그리 오래가지 못했다. 1834년 10월 16일 영국 국회의사당에 화재가 발생하면서 여기에 보관되어 있던 파운드 분동은 손상되고 말았다.

위기에 처한 1킬로그램

▲ 국제 킬로그램 원기가 직접 쓰이는 일은 거의 없다. 대신에 이 원기의 복사본들이 질량 교정용으로 쓰인다. 사진은 국제 킬로그램 원기의 보조 원기들이다.

이런 일이 또 일어나지 말란 법은 없다. 그러니 과학자들은 원시적인 국제 킬로그램 원기를 퇴출시킬 방법을 고심할 수밖에 없다. 그런데 국제 킬로그램 원기를 더 이상 놔두고 볼 수 없는 일이 벌어지면서 과학자들의 행보는 점점 빨라지고 있다.

국제 킬로그램 원기가 이제까지 외출을 고작 3번밖에 안 한 이유는 미세한 질량 변화도 용납할 수 없기 때문이다. 킬로그램의 교정에는 국제 킬로그램 원기 대신 복사본들이 사용된다. 국제 킬로그램 원기의 1세대 자손들라고 할 수 있는 복사본들은 그 이후에 만들어진 킬로그램 분동의 질량을 제대로 잡아주는 데 쓰이는 것이다.

그런데 국제 킬로그램 원기가 가장 최근에 외출했을 때 과학자들은 곤혹스런 점을 발견했다. 국제 킬로그램 원기와 복사본들 간에 질량이 차이가 난다는 것이었다. 국제 킬로그램 원기가 복사본들에 비해 최대 100마이크로그램(1킬로그램의 1억분의 1) 정도 덜 나갔다. 이 정도는 설탕 결정의 반 정도가 나가는 질량으로, 질량을 재는 데 큰 문제를 일으키는 정도는 아니다.

그러나 미세한 질량 차이긴 해도 한치의 오차도 허락하길 원하지 않는 과학자들이 이를 묵과할 순 없다. 그렇다면 왜 이런 일이 벌어진 것일까? 국제 킬로그램 원기를 보관하는 용기 속 기체가 조금씩 빠져나감으로써 국제 킬로그램 원기의 질량이 줄어든 것일까? 아니면 사용하면서 조금씩 공기 중의 미세먼지가 붙어서 복사본들의 질량이 더 나가는 것일까? 아쉽게도 현재 과학자들은 왜 이런 차이가 생겨났는지 그 이유를 밝혀내지 못하고 있다.

2011년 새로운 질량 표준 등장할 전망

문제는 앞으로다. 국제 킬로그램 원기와 복사본 간의 질량 차가 더 벌어지지 말라는 법이 없으니 말이다. 이제 과학자들은 질량에 대한 이 같은 원시적인 방법을 가만히 놔둘 수 있는 처지가 아니다.

▲ 국제 킬로그램 원기(K)와 여러 개의 보조 원기들 간에 질량 차가 있다. 비록 미세한 질량 차이긴 하지만 표준 과학계는 이 점에 곤혹스러워하고 있다.

2011년이면 제24회 국제도량형 총회가 열린다. 과학자들은 이 자리에서 1킬로그램에 대해 새로운 표준이 결정될 것으로 기대하고 있다. 이를 위해 이 분야의 과학자들은 여러 가지 가능성을 두고 경합을 벌이며 연구 중이다.

그렇다면 차세대 질량 표준의 후보에는 어떤 것들이 있을까? 그 이야기는 다음에 계속된다.