과학이야기

아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 중력이 강한 장소는 시간과 공간이 휘어져 시간이 흐름이 느려진다고 한다. 하지만 그것의 효과는 작아서 사람들은 일상생활에서 감지할 수 없다. 하지만 일상생활 속에서 시간의 흐름이 느려지는 것을 실제로 들어나게할 수 있는 시계가 있다. 일본 도쿄 대학의 가토리 히데토시 박사가 발명한 이 시계는 노벨 물리학상 후보로도 거론되고 있다.

100경분의 1초를 측정하는 '광격자 시계'

원래 시계의 1초의 길이는 어떻게 측정되었을까? 20세기 초반까지는 1일의 길이(24시간=86400초)중에서 1/86400 초라고 정해져 있었지만 하루의 길이 즉 자전 주기가 일정하지 않다는 것이 알려지면서 1956년에 지구가 태양 둘레를 1년에 일주하는 공전 주기가 1초의 기준이 된다. 그러나 공전 주기에 근거한 1초도 변한다. 그리하여 천문학적인 측정 방식에 따르지 않고 시간을 정의하는 방법을 찾았다.

세슘 원자시계? 광격자 시계?

영국의 물리학자 루이 에센(Louis Essen)이 아주 정밀도가 높은 시계인 세슘 원자시계를 개발하였다. 1967년부터 50년 이상을 세슘 원자시계에 근거하여 1초를 측정하고 정의하였다. 15자릿수의 정밀도란 1000조분의 1초까지도 정확하게 측정할 수 있다는 것이다. 또한 더욱 정밀도가 높은 시계의 연구 개발이 진행되어 10년 안에 1초에 대한 측정이 다시 결정될 것으로 보인다. 이중에 가장 유력한 것이 '광격자 시계'다. 광격자 시계는 18자리 숫자(100경분의1)까지 정밀하게 측정할 수 있는데 세슘 원자시계보다 1000배 이상 정밀하다.

1초를 정의하는 세슘 원자시계

현재의 1초를 정의하는 것에 사용하는 세슘 원자시계의 메커니즘을 살펴보면 원자시계란 물질의 근원이 되는 원자의 성질을 이용한 시계다. 원자에 특정 주파수의 전자기파를 비추면 원자는 전자기파의 에너지를 흡수하여 이보다 큰 에너지를 갖는 상태로 변하는데 이러한 현상을 들뜸(Excitation)이라 한다.

들뜸(Excitation)은 각각의 원자에 고유 주파수의 전자기파를 비출때 일어난다. 그 원리는 원자의 들뜸 전에 에너지와 들뜸 후에 에너지의 크기가 정해져 있기 때문에 이 둘 사이의 에너지 차이와 정확히 일치하는 크기의 에너지를 가진 전자기파만을 원자가 흡수하기 때문이다. 전자기파의 에너지의 크기는 주파수로 결정되었기 때문에 특정 원자가 흡수하는 전자기파의 주파수는 항상 일정하다. 이러한 주파수를 공명 주파수라고 한다.

원자시계로 유명한 '단일 이온 광시계'

세슘 원자시계는 일상생활면에서는 정밀하다고 할 수 있다. 하지만 물리학의 세계에서는 짧은 시간에 일어나는 현상을 보기 때문에 더욱 정밀한 원자시계 연구가 진행됬었다. 세슘 133보다 더욱 큰 공명 주파수를 가진 원자를 이용할 수 있다면 1초를 더욱 세밀하게 분할할 수 있어 1초에 대한 정의를 더욱 세밀하게 측정할 수 있다. 그리하여 빛의 영역에 고명 주파수를 가진 원자시계인 광시계의 연구 개발이 세계적으로 개발중이다. 이 후보중에서 주목받는 것중 하나는 1980년대에 미국의 물리학자 한스 데멜트(Hans Georg Dehmelt)가 발명한 '단일 이온 광시계'이다.

한스 데멜트(Hans Georg Dehmelt)는 사중극 이온 트랩을 사용하여 이온을 고정시키는 방법을 생각했다. 사중극 이온 트랩이란 1950년대에 독일의 물리학자 볼프강 파울(Wolfgang Paul)이 발명했던 기술로 두쌍의 전극을 이용하여 전기적인 작용으로 이온을 진공의 공간 속에 고정시키는 기술이다. 이것은 전기를 띠는 이온이기 때문에 적용할 수 있는 방법이다.

노벨 물리학상 수상

한스 데멜트(Hans Georg Dehmelt)는 이 방법을 이용하면 18자릿수의 정밀도를 가진 단일 이온 광시계를 만들 수 있다고 생각했다. 그리고 이후에 미국의 물리학자 데이비드 와인랜드(David jeffrey Winelnad)가 이것을 실현시켰다. 이 업적을 인정받아서 볼프강 파울(Wolfgang Paul)과 한스 데멜트(Hans Georg Dehmelt)는 1989년에 노벨 물리학상을 받고, 데이비드 와인랜드(David jeffrey Winelnad)는 2012년에 노벨 물리학상을 받았다.

광격자 시계를 사용하면 지하자원을 알 수 있다?

일본 도쿄 대학의 가토리 히데토시 박사가 광격자 시계의 아이디어를 발표한 시기는 2001년이다. 그리고 스트론튬 원자를 사용한 광격자 시계의 실험에 성공한 것은 2003년이었다. 2006년에는 국제도량형국의 국제도량형위원회가 광격자 시계로 측정한 1초를 초의 2차 표현의 하나인 후보로 채택되었다.

일본 도쿄 대학의 가토리 히데토시 박사는 지금도 실험연구를 진행하고 있고 2014년에는 18자릿수 정밀도의 광격자 시계의 개발에 성공하였다. 그래서 300억 년에 1초의 오차밖에 생기지 않는 시계를 발명했다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력이 강할수록 시간의 흐름이 느려진다. 지구에서 지하의 구조나 물질의 밀도 등의 차이에 의하여 중력이 강도가 조금 변하는 것으로 알려져 있었다.

1초를 18자릿수의 정밀도로 측정할 수 있는 광격자 시계를 사용한다면 중력 차이에 의해서 시간의 흐름차이까지 측정 할 수 있어서 지하의 자원이나 화산 분화 예측과 지진 관측이 가능해질 것이다. 또한 광격자 시계를 이용하여 일반 상대성 이론의 약점을 발견할 수 있다고도 한다.