새로운 원자시계 시대가 열린다

과학기술

새로운 원자시계 시대가 열린다
국제도량형국, 시간 재측정 청사진 발표

2018.03.02 11:11 이강봉 객원기자

기존의 시계는 시계추, 평형 바퀴, 수정 결정판으로 구성된 시계 몸체 진동을 기반으로 움직인다. 그러나 그 몸체가 온도·압력·중력의 영향을 받기 때문에 오차가 발생할 수밖에 없다. 이 문제를 해결해주고 있는 것이 원자시계(Atomic Clock)이다.

원자 안에서 발생하고 있는 전자기파 진동수를 세어 시간을 측정하기 때문에 오차 없는 시간을 표시하는데 매우 적합하다. 이에 따라 국제 도량형총회(CGPM)는 지난 1967년 기본단위인 초를 원자시계를 통해 정의하기로 결정했다.

현재 사용되며 국제원자시의 기준이 되고 있는 원자시계는 세슘 원자로 만든 시계다. 정확성이 매우 높은데 1일 간에 늦어지거나 빨라지는 양의 정도(步道)가 0.0000001초 이다. 1000만 분의 1초 정도 오차가 발생한다고 보면 된다.

최근 원자시계 기술이 발전하면서 국제도량형국(BIPM)을 통해 초정밀 원자시계를 통한 시간 재정의 프로젝트가 시작됐다. 사진은 칩을 통해 시간을 측정하고 있는 원자시계. ⓒWikipedia

최근 원자시계 기술이 발전하면서 국제도량형국(BIPM)을 통해 초정밀 원자시계를 통한 시간 재정의 프로젝트가 진행되고 있다. 사진은 칩을 통해 시간을 측정하고 있는 원자시계. ⓒWikipedia

가시광선 주파수 활용, 새로운 원자시계 개발

그러나 도량형학자(metrologists) 들은 지금의 원자시계 정확도에 만족하지 않았다. 고주파 가시광선을 이용해 지금보다 더 정확한 원자시계를 개발해 우주선 항해 등 정밀한 시간 측정이 요구되는 과학실험에 적용하려는 노력을 기울여왔다.

2일 ‘사이언스’ 지에 따르면 프랑스 세브르 소재 국제도량형국(BIPM, International Bureau of Weights and Measures)은 지난달 새로운 시계를 개발하기 위한 전문가 팀을 구성했다. 그리고 시간을 재측정하기 위한 청사진을 발표했다.

가시광선의 주파수는 극초단파와 비교해 약 10만 배가 더 많다. 이는 기존의 원자시계와 비교해 약 10만 배가 더 정확한 원자시계를 만들 수 있다는 가능성을 말해주는 것이다. BIPM은 가시광선 주파수를 통해 새로운 원자시계를 개발하고 있는 중.

그동안 시간의 기준이 돼 왔던 것은 세슘 원자시계다. 그러나 정확한 시간 측정을 위해 안정적인 온도가 필요했다. 온도를 낮추고 안정적인 전자기파를 측정할 수 있어야 했다. 국제도량형국(BIPM)은 이를 위해 원자 온도를 낮출 수 있는 레이저 개발에 노력을 기울여왔다.

BIPM은 이 과정에서 가시광선 주파수를 이용, 새로운 원자시계를 개발, 초의 정의를 재정의할 가능성이 있음을 시사했다. 관련 논문은 세계적인 도량형 학술지 ‘메트롤로지아(Metrologia)’에 발표됐다.

1967년 당시 채택한 원자시계는 세슘-133(cesium-133)의 전자기파 진동을 활용해 제작한 것이다. 세슘 원자가 1초에 91억9263만1770번 진동하면 1초가 지나가고 또 다른 진동이 그만큼 이루어졌을 때 1초씩 추가된다는 의미다. 그러나 40여년이 지난 지금 놀라운 원자시계가 개발되고 있다.

BIPM 외에도 미국 국립표준기술연구소(NIST : National Institute of Standards and Technology)에서 유사한 프로젝트를 진행하고 있는 중이다. 2개의 차세대 원자 광 시계(optical clock)를 활용해 지금의 전자기파 시계보다 100배 더 정확한 이테르븀 원자시계를 제작하겠다는 것.

“초정밀 원자시계 시대 얼마 남지 않았다”

미 국립표준기술연구소(NIST)에서는 지난 2013년 더 정확한 원자시계를 개발했다고 발표한 바 있다. 이 원자시계는 세슘-133 대신 이테르븀(ytterbium, 원자기호 70)을 활용했다. 원자 번호 70, 원자량 173.04, 원소 기호 Yb, 란타넘족에 속하는 희토류 원소를 말한다.

초침 하나가 1 퀸틸리언(quintillion) 분의 2 정도 이내의 오차를 지니고 있다고 밝혔다. 퀸틸리언은 10의 18 승, 즉 10 억 X 10 억을 말한다. 한국식으로 100경을 말하는데 1퀸틸리언분의 2니까 50경 분의 1 정도의 오차를 말한다.

이 발표와 관련, 과학자들은 NIST에서 만든 원자시계로 1초의 오차가 발생하기 위해서는 2억 년의 시간이 소요된다고 보고 있다. 지난해에는 중국이 루비듐(원자번호 37)을 이용한 저온원자시계(CACS)를 선보였다. 10억 년에 1초 정도 오차가 있는 것으로 알려졌다.

중국은 400km 상공의 우주궤도를 돌고 있는 우주정거장 겸 우주실험실 ‘텐궁 2호’ 안에서 저주파 레이저를 사용, 루비듐 원자 온도를 0도 이하 저온으로 낮췄다. 이렇게 원자 움직임을 느리게 하면 오차가 날 확률이 줄어들기 때문.

중국과학원은 “세계 최고 수준의 정밀도를 자랑하는 광펌핑원자시계가 100억~200억 년에 1초의 오차가 나는 것보다는 정밀도가 떨어지지만 우주에 올라간 원자시계 가운데는 최고 정밀도를 자랑한다,”고 말했다

중국이 이처럼 초정밀 원자시계를 선보일 수 있었던 것은 원자 온도를 낮출 수 있는 레이저 기술이 개발됐기 때문이다. 미 국립표준기술연구소(NIST)에서 초정밀 이테르븀 원자시계를 만들 수 있었던 것도 레이저 기술을 활용할 수 있었기 때문이다.

NICS에서 개발한 ‘광학 격자 시계(optical lattice clock)’는 레이저빔으로 만든 상자 속에 이테르븀 원자를 가두고 다른 유형의 레이저파를 쏴 에너지 수준을 올리는 방식이다. 그러나 세계 도량형 학자들은 NIST 등의 연구 결과를 인정하지 않고 있는 중이다.

파리 천문대의 물리학자 제롬 로드윅(Jérôme Lodewyck) 박사는 “NIST 등에서 개발한 원자시계가 정확할 수도 있으나, 지속적으로 정확도를 유지할 수 있을지는 아직 증명되지 않았다.”며 도량형학자 차원의 입장을 설명했다.

이런 상황에서 국제도량형국(BIPM)에서 레이저 기술 등을 활용한 새로운 광 시계 개발에 나선 것은 새로운 시공간 시대가 다가오고 있음을 말해주고 있다. BIPM 관계자는 “초정밀 원자시계 개발이 얼마 남지 않았다.”고 말했다.

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