1초를 원자로 재는 시대, 원자시계는 어떻게 시간을 측정할까

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손목시계가 하루에 몇 초 정도 차이 난다고 해서 일상생활이 곧바로 큰 혼란에 빠지는 경우는 드물다. 약속 시간이나 출근 시간을 확인하는 정도라면 그렇게 극단적인 정밀도가 필요하지 않기 때문이다.

그런데 현대 사회에는 아주 작은 시간 차이도 중요하게 다뤄야 하는 분야가 있다.

인공위성을 이용해 위치를 계산하고, 통신망에서 데이터를 주고받으며, 여러 지역의 표준시간을 유지하는 일이 대표적이다. 이런 분야에서는 단순히 '대략 같은 시간'을 사용하는 것보다 서로 정확하게 맞춰진 시간 기준이 중요하다.

앞선 글에서 세계의 표준시와 시간대가 시간을 공유하기 위한 사회적 체계라는 점을 살펴봤다. 그렇다면 그 체계의 바탕이 되는 1초는 무엇으로 측정할까?

현대의 정밀한 시간 측정에서는 지구의 움직임만 바라보지 않는다.

원자의 물리적 특성을 이용한다.

과거의 1초는 지구와 밀접하게 연결되어 있었다

하루라는 시간 단위가 어디에서 나왔는지 생각해 보면 지구의 움직임을 빼놓을 수 없다.

낮과 밤이 반복되는 주기는 지구의 자전과 관련이 있다. 사람들은 오랫동안 하루를 여러 부분으로 나누면서 시간 단위를 발전시켰다.

하루를 24시간으로 나누고, 한 시간을 60분으로, 다시 1분을 60초로 나누면 하루는 86,400초가 된다.

이 방식에서는 자연스럽게 하루가 초를 정의하는 중요한 기준이 된다.

하지만 과학과 기술이 발전하면서 문제가 드러났다.

지구의 자전은 우리가 만든 완벽한 기계처럼 언제나 정확히 동일한 속도로 움직이는 것이 아니다. 여러 자연적 요인의 영향을 받아 미세한 변화가 나타날 수 있다.

일상생활에서는 거의 느낄 수 없는 수준이라도 정밀한 과학 측정의 기준으로 사용하려면 이야기가 달라진다.

측정 단위는 가능한 한 안정적으로 재현할 수 있어야 하기 때문이다.

그래서 과학자들은 지구의 자전보다 더 안정적으로 반복되는 물리적 현상을 시간의 기준으로 이용하는 방법을 발전시켰다.

그 과정에서 원자가 중요한 역할을 하게 된다.

원자시계는 원자가 움직이는 모습을 세는 기계일까

'원자시계'라는 이름을 처음 들으면 작은 원자 하나가 시계 안에서 진자처럼 흔들리고 있다고 상상하기 쉽다.

실제 원리는 조금 다르다.

원자는 특정한 에너지 상태 사이에서 전이할 때 매우 일정한 주파수의 전자기 복사와 상호작용한다. 원자시계는 이러한 원자의 특성을 안정적인 주파수 기준으로 이용한다.

쉽게 비교하면 쿼츠 시계와 비슷한 생각에서 출발할 수 있다.

쿼츠 시계에서는 수정 결정의 규칙적인 진동을 기준으로 시간을 나눈다. 원자시계에서는 원자의 특정한 전이에 해당하는 주파수를 훨씬 정밀한 기준으로 활용한다.

즉, 핵심은 매우 일정하게 재현할 수 있는 주파수를 시간의 자로 사용하는 것이다.

실제 원자시계는 원자만 들어 있는 단순한 상자가 아니다.

원자와 상호작용할 전자기파를 만들고 그 주파수를 조정하며, 원자의 반응을 관측하고 기준 주파수에 맞도록 제어하는 여러 장치가 함께 필요하다.

그래서 연구기관이나 표준기관에서 사용하는 고성능 원자시계는 우리가 손목에 차는 일반적인 시계와 모습부터 크게 다를 수 있다.

현대의 1초에는 세슘 원자가 등장한다

현재 국제단위계(SI)의 초는 세슘-133 원자를 기준으로 정의된다.

조금 더 정확히 말하면 세슘-133 원자의 바닥상태 초미세 전이에 해당하는 주파수를 이용한다. 이 주파수의 값은 정확히 9,192,631,770Hz​로 정의되어 있다.

따라서 1초는 이 세슘 전이에 해당하는 복사 주기의 9,192,631,770배와 연결된다.

숫자가 상당히 커 보이지만 중요한 의미가 있다.

과거처럼 특정 장소에서 하루의 길이를 관찰해 1초를 정하는 것이 아니라, 어디에서든 동일한 물리 법칙에 따라 재현할 수 있는 원자 수준의 현상을 기준으로 삼는 것이다.

1967년 국제적으로 초의 정의에 세슘 원자 기준이 채택되면서 현대적인 원자 시간의 기반이 확립됐다.

여기에서 한 가지 오해를 피할 필요가 있다.

원자시계가 '절대로 오차가 없는 시계'라는 뜻은 아니다.

현실의 측정 장치는 주변 환경과 장치의 특성 등 여러 요인의 영향을 받기 때문에 과학자들은 오차를 더욱 줄이고 불확도를 평가하기 위한 연구를 계속한다.

원자시계의 강점은 매우 안정적이고 재현 가능한 물리 현상을 이용해 극도로 정밀한 시간 기준을 만들 수 있다는 데 있다.

세계 표준시간은 원자시계 한 대로 정하지 않는다

세계가 사용하는 시간 기준을 어딘가에 있는 '세계에서 가장 정확한 원자시계 한 대'가 모두 결정한다고 생각할 수도 있다.

실제 체계는 그보다 복잡하다.

여러 국가의 표준기관과 연구기관에서 운영하는 원자시계들의 측정 결과를 종합해 국제적인 원자 시간 체계를 만든다.

대표적인 것이 국제원자시(TAI)​다.

국제도량형국(BIPM)은 세계 여러 기관의 원자시계 데이터를 활용해 국제적인 시간 척도를 계산한다.

그렇다면 앞선 글에서 살펴본 UTC와 TAI는 완전히 같은 것일까?

둘은 밀접하게 연결되어 있지만 목적에는 차이가 있다.

TAI는 원자시계를 기반으로 매우 안정적으로 이어지는 시간 척도다. 반면 우리가 국제적인 민간 표준시간으로 사용하는 UTC(협정 세계시)​는 원자 시간을 바탕으로 하면서 지구 자전에 따른 시간과의 관계도 고려해 운영되어 왔다.

이 때문에 시간의 역사에서는 '원자가 만드는 매우 균일한 시간'과 '지구의 회전을 바탕으로 한 천문학적 시간'을 어떻게 함께 사용할 것인가라는 흥미로운 문제가 등장한다.

평소 스마트폰에서 시간을 볼 때는 느끼기 어렵지만 그 배경에는 정밀 측정과 국제적인 협력이 존재한다.

GPS는 왜 정확한 시계가 필요할까

원자시계가 일상과 연결되는 대표적인 사례는 위성항법이다.

스마트폰 지도에서 현재 위치를 확인할 때 GPS 같은 위성항법 시스템의 도움을 받을 수 있다.

위성항법은 위성에서 보내는 신호가 수신기에 도착하는 시간을 이용해 거리를 계산하는 원리를 활용한다.

전파는 빛의 속도로 이동한다.

빛은 1초에 약 30만 km를 이동할 정도로 매우 빠르다. 따라서 시간 측정에 아주 작은 오차가 생겨도 거리 계산에서는 무시하기 어려운 차이로 이어질 수 있다.

예를 들어 빛은 1마이크로초, 즉 100만 분의 1초 동안 약 300m를 이동한다.

이 숫자를 보면 위성항법에서 정밀한 시간 관리가 왜 중요한지 감을 잡기 쉽다.

물론 실제 위치 계산은 여러 위성의 신호와 궤도 정보, 상대론적 보정 등 다양한 요소가 결합된 훨씬 복잡한 과정이다.

중요한 것은 스마트폰 지도에 나타나는 작은 위치 표시 뒤에도 매우 정확한 시간 측정 기술이 숨어 있다는 사실이다.

우리가 원자시계를 직접 가지고 다니지 않아도 원자시계의 정확성을 활용하는 대표적인 사례다.

통신과 컴퓨터도 같은 시간을 필요로 한다

정밀한 시간은 위치 측정에만 필요한 것이 아니다.

현대의 통신 시스템에서는 여러 장치가 일정한 시간 기준에 맞춰 데이터를 주고받아야 하는 경우가 많다.

컴퓨터 네트워크에서도 사건이 언제 발생했는지를 기록하는 타임스탬프가 중요하다.

서버가 한 대뿐이라면 비교적 단순할 수 있지만 여러 지역에 수많은 서버가 분산되어 있다면 시간 동기화의 중요성이 커진다.

어떤 데이터가 먼저 생성되었는지, 시스템에 언제 문제가 발생했는지, 기록의 순서가 어떻게 되는지 확인하려면 장치들의 시간이 크게 어긋나지 않아야 한다.

물론 모든 컴퓨터에 원자시계가 들어 있는 것은 아니다.

대신 정확한 기준시를 다양한 네트워크와 동기화 기술을 통해 전달받아 각 장치의 시계를 맞춘다.

이 구조는 시간 측정의 역사가 단순히 더 좋은 시계를 만드는 역사만은 아니라는 점을 다시 보여준다.

정확한 시간을 만드는 기술과 그 시간을 전달하는 기술이 함께 필요하다.

원자시계가 정확해질수록 새로운 현상도 보인다

원자시계의 정밀도는 흥미로운 과학적 측정에도 활용된다.

아인슈타인의 상대성이론에 따르면 시간의 흐름은 중력과 운동 상태의 영향을 받는다.

일상생활에서는 이런 차이를 거의 느끼지 못하지만 충분히 정밀한 시계를 사용하면 측정 가능한 문제가 된다.

예를 들어 위성은 지상의 수신기와 다른 속도로 움직이며 지구 중력장 안에서의 위치도 다르다. 위성항법 시스템에서는 이러한 상대론적 효과를 고려해야 정확한 위치 계산을 유지할 수 있다.

이 사실은 시간에 대한 우리의 직관을 조금 흔든다.

시계의 역사를 처음 살펴볼 때는 해가 뜨고 지는 것을 보고 하루를 나누는 이야기에서 시작했다.

그런데 측정 기술이 극도로 정밀해지자 이제는 중력과 상대성이 시간 측정에 미치는 영향까지 고려하게 됐다.

'몇 시인가'라는 단순해 보이는 질문 뒤에 천문학과 물리학, 전자공학, 국제 표준 체계가 모두 연결되어 있는 셈이다.

정확한 시간은 결국 우리의 주머니까지 전달된다

대부분의 사람은 원자시계를 직접 본 적이 없어도 생활하는 데 문제가 없다.

그런데 아침에 스마트폰 알람으로 일어나고, 지도 앱으로 길을 찾고, 컴퓨터와 인터넷 서비스를 사용하며, 다른 나라 사람과 정해진 시각에 온라인 회의를 하는 하루를 생각해 보면 이야기가 달라진다.

이런 생활을 안정적으로 유지하는 배경에는 표준화되고 동기화된 시간이 있다.

시간 측정 도구의 역사는 점점 사람에게 가까워지는 과정이기도 했다.

해시계는 태양을 바라봤고, 시계탑은 도시의 높은 곳에서 시간을 알렸다. 회중시계는 주머니로 들어왔고 손목시계는 몸에 착용됐다. 디지털 시계는 숫자로 시간을 보여줬다.

그리고 현대의 스마트폰에서는 시간을 맞추는 행동조차 상당 부분 자동화됐다.

기기가 통신망과 시간 정보를 이용해 현재 시각과 시간대를 조정하기 때문이다.

우리는 역사상 매우 정밀한 시간 체계의 혜택을 누리면서도 정작 시간을 맞추는 과정은 이전보다 덜 의식하게 된 셈이다.

다음 글에서는 이 시리즈의 마지막 주제로 스마트폰 시대의 시간 확인 방식을 살펴본다. 손목시계보다 스마트폰으로 시간을 보는 사람이 많아진 환경에서 시간 측정 도구가 어떻게 하나의 독립된 물건에서 디지털 기기의 기본 기능으로 변화했는지 정리해 본다.

FAQ

Q1. 원자시계 안에는 실제로 원자가 들어 있나요?

그렇다. 원자시계는 세슘이나 다른 특정 원자의 물리적 특성을 주파수 기준으로 활용한다. 다만 원자 하나가 시곗바늘을 직접 움직이는 구조는 아니다. 원자와 전자기파의 상호작용을 측정하고 기준 주파수에 맞추는 정교한 장치가 함께 사용된다.

Q2. 원자시계는 오차가 전혀 없나요?

아니다. 현실의 모든 측정에는 불확도가 존재한다. 고성능 원자시계는 매우 높은 정확도와 안정성을 제공하지만 주변 환경과 장치의 여러 영향을 평가하고 보정하는 과정이 필요하다. 더 정확한 원자시계를 만들기 위한 연구도 계속되고 있다.

Q3. 스마트폰에도 원자시계가 들어 있나요?

일반적인 스마트폰에 국가 표준기관에서 사용하는 것과 같은 원자시계가 들어 있는 것은 아니다. 스마트폰 내부에도 시간을 유지하는 전자식 시계가 있으며, 통신망이나 인터넷, 위성항법 등에서 제공되는 시간 정보를 이용해 시각을 동기화할 수 있다. 따라서 사용자는 원자시계를 직접 소유하지 않아도 정밀한 표준시간 체계의 혜택을 받을 수 있다.