[과학] ‘1초’ 시간이 재정의된다

일전, 《닛케이 신문》에 따르면 과학 연구와 일상생활의 핵심인 ‘1초’의 시간길이를 재정의 하는 노벨상 수상급 기술인 ‘광격자시계(光晶格钟)’가 큰 주목을 받고 있다. 시간 단위 등의 규칙을 담당하는 기구인 국제도량형총회(国际计量大会)는 9월 18일부터 19일까지 빠리 교외에서 회의를 열어 ‘광격자시계’를 포함한 약 6가지 후보 기술을 론의했다. 국제도량형총회는 2026년 가을에 최종 후보 기술을 공식 확정하고 2030년까지 ‘1초’의 시간 길이 재정의를 완료할 계획이다.

현재 ‘1초’의 시간 길이는 1967년 채택된 ‘세시움원자시계(铯原子钟)’를 기반으로 정의한다. 이 방법은 10의 마이너스 16승 초까지 정확도를 보장하지만 더 짧은 시간 단위내에서 발생하는 현상을 정확하게 기록하지 못해 최첨단 과학 연구에 영향을 미칠 수 있다.

이에 국제도량형총회는 2030년을 목표로 ‘1초’의 시간 길이를 재정의할 계획이다. 이 중 도꾜대학 교수 가도리 히데토시(香取秀俊)가 발명한 ‘광격자시계’와 유럽 및 미국이 적극 추진하는 연구인 ‘단일 이온 광시계(单离子光学时钟)’가 두가지 유력한 후보 기술로 꼽힌다. 두 기술 모두 ‘세시움원자시계’보다 100배 더 정확한 정확도를 보장할 수 있다.

‘광격자시계’는 10의 마이너스 18승 초까지 정확도를 보장하며 이 발명은 노벨 물리학상 후보에로도 거론되고 있다. 기술은 지구 각 지역의 중력 차이로 인한 미세한 시간 흐름 차이를 감지할 수 있으며 고도계 및 위치측정 시스템 적용 연구도 진행 중이다.

시마즈 제작소(岛津制作所)는 이미 2025년 3월부터 한대당 5억엔(약 340만딸라)에 ‘광격자시계’ 판매를 시작했다. 일본전자통신전화회사(NTT)는 일본 전국에 ‘광격자시계’를 배치하고 광섬유로 련결하여 이동통신 기지국의 시계 동기화 및 높이 측정에 활용할 계획이다.

이번 회의에서는 두 종류의 ‘광격자시계’와 네 종류의 ‘단일 이온 광시계’, 총 여섯가지 기술이 론의되였다. 국제도량형총회는 2026년 가을에 최종 후보 기술을 확정하고 2030년 총회에서 ‘1초’의 시간 길이를 재정의하는 데 사용할 구체적 수단을 표결로 통과시킬 예정이다.

국제도량형총회는 현재 두가지 방안을 론의 중인 것으로 알려졌다. 하나는 한가지 시계를 선택하는 것이고 다른 하나는 여러 시계의 평균값을 취하는 것이다. 최종 결론은 2034년 총회로 연기될 것으로 예상된다. 만약 ‘광격자시계’가 ‘1초’ 시간 길이의 재정의 수단으로 채택된다면 일상에서 사용되는 ‘협정 세계시(协调世界时)’를 관리하는 각국 연구 기관 등이 관련 기술을 도입할 것으로 예상된다.

시간 측정 기술은 력사와 함께 발전해왔다. 고대 애급에서는 해시계를 발명했고 전세계적으로 물시계와 모래시계도 사용되였었다. 근대 이후로는 추시계(摆钟)와 수정 진동자(石英晶体振动机制)를 리용한 손목시계가 등장했다.

수정 손목시계는 수정 진동자가 초당 3만 2,768번 진동하는 특성을 리용하며 오차는 하루에 수초(数秒) 정도인 것으로 알려져 있다.

이후 등장한 ‘원자시계’(광격자시계 포함)는 공간에서 진동으로 전파되는 전자기파의 주기성을 리용한다. 1949년 미국 국립표준기술연구소(国家标准局)에서 처음으로 원자시계를 시험 제작했으며 1967년 ‘세시움원자시계’가 ‘1초’의 시간 길이를 정의하는 방법으로 되였다. 이후 등장한 ‘광격자시계’와 ‘단일 이온 광시계’는 더 높은 주파수의 전자기파를 리용하여 더 많은 진동 수를 계산함으로써 오차를 줄인다.

‘광격자시계’는 과학 연구에도 적용되기 시작했다. 도꾜대학은 시마즈 제작소와 협력하여 소형 ‘광격자시계’를 개발했으며 2018년 도꾜 스카이트리(晴空塔)의 지상층과 지상 450 메터 전망대에 각각 한대씩 설치했다.

두 지점의 시간 흐름 속도를 비교한 결과 전망대의 ‘광격자시계’ 시간이 지상층보다 하루에 4나노초(纳秒) 더 빨리 간다는 것을 발견했다. 이는 물리학자 아인슈타인이 제안한 ‘중력이 강할수록 시간이 더 느리게 간다.’는 일반 상대성 리론을 입증한 것이다.

국제도량형총회(CGPM)는 1875년 〈미터 조약(米制公约)〉에 따라 설립되여 통일된 측정 기준을 확립하기 위해 노력해왔다. 1889년 첫 총회를 개최한 이후 약 4년에 한번씩 총회를 열어왔으며 지금까지 27회의 총회가 개최되였다. 각국과 지역마다 본유의 다른 단위를 통일함으로써 상업 무역과 과학 연구의 원활한 진행을 촉진해왔다.

그러나 미국은 여전히 야드파운드법(英制单位)을 고수하고 있어 국제도량형총회가 제정한 단위가 항상 완전히 보편화되는 것은 아니다. 때로는 미터법과 야드파운드법 단위 변환 오류로 인한 혼란도 발생하는데 례를 들어 미국은 이로 인해 화성 탐사선 착륙 실패 사례가 있다.

/참고소식

编辑：최화