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스트론튬이 원자시계 속 스테이지 위에 올라서 칼 같은 동작으로 춤을 췄더니, 1초가 지나갔어. 이 친구는 정확한 시간을 측정할 수 있게 해주는 원자시계! 나, 과학마녀 일리가 만나고 왔어!

안녕하세요! 자기소개를 부탁드립니다. 

저는 세상에서 가장 정밀한 원자시계입니다. 원자시계는 정확한 시간을 측정하는데도 쓰이고, 중력의 변화에 따라 시간이 얼마나 느려지고 빨라지는지 탐지할 때도 쓰입니다. 2월 16일 미국 위스콘신매디슨대학교 물리학과 시몬 콜코위츠 교수팀은 세계에서 가장 성능이 뛰어난 원자시계를 공개했어요. 아쉽게도 같은 날 미국 콜로라도볼더대학교 JILA연구소 공동연구팀이 10배 더 정밀한 시계를 공개해 몇 시간 만에 1위를 빼앗겼지만요.

원자시계는 어떤 원리로 작동하나요?

원자시계는 원자의 진동수로 시간을 측정해요. 원자에 특정한 파장●의 빛을 비추면 원자 속 전자는 빛을 흡수해 들뜬 상태가 되며 원자에 진동을 일으켜요. 원자마다 1초 동안 진동하는 고유값이 있는데, 이를 고유 진동수라고 합니다. 원자가 몇 번 진동했는지를 세면 시간을 잴 수 있어요. 과학자들은 원자에 고유 진동수를 일으킬 수 있는 파장의 레이저를 쏘아서 원자시계를 만들어요. 이때 파장이 변하지 않는 정교한 레이저를 쏴야 해요.

두 연구팀은 정교한 레이저를 썼나요?

콜코위츠 교수팀은 하나의 진공 용기 안에 스트론튬 원자 여러 개를 넣어 6개의 시계처럼 작동하는 ‘다중시계’를 만들었지요. 연구팀은 두 다중시계를 중력의 크기가 다른 장소에 1cm만큼 떨어뜨려 놓고 진동수 차이를 측정했습니다. 시간이 중력의 크기에 따라 얼마나 다르게 흘러가는지 측정하려고 했죠. 3시간 넘게 두 시계의 진동수 차이를 측정해 시간 차이를 계산해서, 두 시계가 약 3000억 년 동안 1초만큼 시간 차이가 있다는 것을 측정해냈어요.

그런데 곧바로 더 정밀한 시계가 나왔군요?

JILA연구소 공동연구팀은 두 시계를 10배 더 가까운 거리인 1mm만큼 떨어뜨려 놓고 92시간 동안 측정했어요. 측정된 시간 차이는 약 90조 년 동안 1초였어요. 콜코위츠 교수는 “우리의 원자시계는 실험실에서 주로 사용하는 레이저를 썼기 때문에 더 잘 활용될 것”이라고 했습니다. 이어서 “정밀한 원자시계로 암흑물질 발견과 상대성이론 연구에 기여할 수 있을 것”이라고도 했답니다.