인류는 오래전부터 세상을 정확히 측정하는 방법을 탐구해 왔습니다. 측정 기술과 단위 체계는 건축, 상거래, 그리고 기본 물리학 원리를 정립하는 데 필수적인 역할을 담당하고 있습니다.
측정의 본질은 특정 기준과 비교하는 과정이며, 이 기준은 안정적이고 변함이 없어야 합니다. 시간 측정의 경우, 일반적으로 주파수를 기준으로 삼는데, 현재는 원자 시계를 통해 이를 정밀하게 설정하고 있습니다.
진자와 같은 왕복 운동을 하는 대상은 일정한 주기를 기준으로 시간 단위를 정합니다. 예를 들어, 1Hz의 주파수로 진동하는 경우, 1회의 왕복 운동이 걸리는 시간은 정확히 1초가 됩니다.
원자 시계의 원리
원자 시계는 원자 내 전자가 특정한 에너지를 유지한다는 원리를 이용합니다. 전자가 한 에너지 상태에서 다른 상태로 전환될 때, 특정한 양의 에너지가 광양자(빛의 입자) 형태로 방출되거나 흡수됩니다.
양자역학에 따르면, 주파수와 에너지는 밀접한 관계가 있습니다. 빛은 특정 주파수를 가지며, 세슘-133 원자의 경우, 전자가 에너지 상태를 바꿀 때 방출되는 빛의 주파수는 정확히 9,192,631,770Hz입니다. 이를 기준으로 1초가 정의되는데 즉, 세슘 원자가 방출한 9,192,631,770개의 파동이 감지기에 도달하는 시간을 1초로 설정하는 것입니다.
레이저를 이용해 전자의 에너지 변화를 관측하고, 이를 통해 시간 측정에 활용할 수 있습니다.
원자 시계의 한계와 원자핵 시계
원자 시계는 전자의 에너지 상태가 일정하게 유지될 때만 정확성을 보장할 수 있습니다. 하지만 전자는 외부 전자기장의 영향을 받을 가능성이 있어, 측정 오차가 발생할 수 있습니다. 비록 환경 영향을 최소화하는 장치가 사용되지만, 원자 시계의 정확성에는 근본적인 한계가 존재합니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 것이 원자핵 시계입니다. 최근 과학자들은 희귀 동위원소인 토륨-229를 이용한 연구를 진행하며 큰 주목을 받고 있습니다.
원자핵은 원자 전체 크기에 비해 매우 작으며, 전자 구름보다 약 10만 배 작은 크기를 가지고 있습니다. 이로 인해 원자핵은 외부 전자기장의 영향을 훨씬 덜 받습니다. 따라서 원자핵의 에너지 상태를 이용하면 보다 안정적이고 정밀한 시계를 만들 수 있습니다.
미국 콜로라도대학교와 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 과학자들은 원자핵 시계의 핵심 요소를 개발하는 데 성공했습니다. 토륨-229를 이용한 실험 결과, 실제 고체 형태의 원자핵 시계를 제작할 가능성이 제시되었으며, 이는 투명한 수정 내부에 보관할 수 있는 방식으로 연구되고 있습니다.
이 혁신적인 기술이 완성된다면, 현재의 원자 시계를 뛰어넘는 극한의 정밀도를 가진 시간 측정 장치가 등장할 것으로 기대되고 있습니다.