d라이브러리

에헴. 들었지? 이렇게 훌륭한 세슘 님을 단 1초도 못 쉬게 하다니. 지구인들은 분명 땅을 치고 후회할거야. 클락. 네가 지구인 대표로 이 세슘님의 위대함을 잘 듣고, 지구인들에게 잘 전해줘. 다들 내가 필요하다고 싹싹 빌면‘얼른가숑’ 제트기를 타고 팬서비스 차원에서 일 년에 한 번 정도는 들러줄 테니까. 세슘원자시계를 제대로 이해하려면 우선 원자의 성질을 이해해야 해. 원자는 일정한 진동수를 가지는 *전자파를 흡수하거나 방출하는 성질이 있어. 이러한 현상을 공진현상이라고 해. 원자 속에는 전자가 있고, 전자의 상태를 변화시켜야 에너지를 만들 수 있거든.

원자시계는 특정한 원자 속 전자가 전자파를 흡수하면서 생기는 에너지를 사용해. 이때 전자가 흡수하는 전자파는 고유한 진동수를 갖고, 이 진동수를 잘 세면 1초를 측정할 수 있지. 이 고유한 진동수를 공진 주파수라고 부르고, 공진주파수는 잘 변하지 않아. 그래서 1초의 기준이 될 수 있는 거지.

세슘-133원자에는 여러 종류의 공진주파수가 존재하는데, 그중 하나가 1초에 91억 9263만 1770번 진동하는 전자파야. 이것이 현재 사용하는 1초의 정의지.

 

흥. 세슘. 나도 진동수를 이용해 만들어졌어. 너만 진동하는게 아니니, 이제 잘난 척은 그만하시지.

클락. 내 이야기도 좀 들어봐. 나를 발명해낸 주인님(프랑스의 과학자 피에르 퀴리)은 시계를 만드는 재료로 처음 ‘전기’를 사용하셨어. 물론 전기는 새로운 것은 아니었지만, 발상 자체는 매우 새로운 것이었지. 1880년쯤 주인님은 동생(자크 퀴리)과 함께 전기를 이용한 시계연구를 시작했어. 그러다 수정에 전기를 통하면 수정이 일정한 속도로 진동한다는 사실을 발견했지. 전기 자극으로 일정한 속도로 반응하는 진동은 그 당시엔 시계로 사용하기 적합한 재료가 됐던 거야.

하지만 수정의 진동수를 발견했다고 해서 단번에 뚝딱 시계를 만들어낼 수는 없었어. 주변 온도나 압력에 의해서 수정의 진동수가 변하기도 했거든. 그래서 오랜 연구 끝에 1초에 10만 번 정도의 같은 속도로 진동하는 수정시계를 발명해냈지. 그러다 지금은 더 발전해서 1초에 3만 번정도 진동하는 수정을 이용하고, 1년에 생기는 오차는 1초 이내야. 나도 오차를 많이 줄이긴 했지만 세슘이의 오차가 가장 작은 건 사실이지.

너희가 가지고 있는 시계 뒤를 열어본다고해서 아름다운 나(수정)의 진동모습을 볼수 있는 건 아냐. 성능이 아주 좋은 현미경을 이용해야 진동을 관찰할 수 있지.

훗~. 이놈의 인기는…. 수정시계와의 차이를 세슘원자시계의 원리그림을 보고 자세히 설명해 줄게.

정확한 시계를 만들려면 일반 전자파에서 아까 말했던 세슘원자의 고유한 진동수만가지는 전자파만 골라내는 작업이 필요해. 일반 전자파에서 필요한 전자파만 골라내는 것을 분주라고 하는데, 분주기를 통해 골라낸 전자파의 진동수로 정확한 ‘1초’의 기준을 맞추는 거지.
 

세슘원자를 터널 모양의 장치에 모아 놓고 거기에 레이저를 쏜 다음 세슘원자가 흡수한 전자파만을 골라내는 작업을 하는 거야. 이땐 전자파의 진동수를 측정해 주는 장치(공진기)의 역할도 매우 중요하지.

이런 원리로 만들어진 세슘원자시계는 우리나라 시간의 정확한 기준이 되고 있어. 아직 모든 기업에서 대한민국 표준시를 사용하진 않아. 일부 방송국과 은행, 통신사만 사용하고 있어서 가끔 인터넷 뱅킹이나 티켓을 예매할 때 오차가 발생하기도 해.

 

대한민국 1차 표준기 국제 등록
 

현재 대한민국 표준시는 한국표준과학연구원에서 개발한 원자시계 KRISS-1(사진)로 알 수 있다. KRISS-1은 2009년 2월, 1차 주파수표준기로 국제도량형국(BIPM)에 정식으로 등록됐다. 1차 주파수표준기는 국제도량형국이 전 세계의 원자시계 300여 대의 시간정보를 모아 국제협정시(UTC)를 만들 수 있도록 도움을 준다. 대한민국 표준시는 국제협정시와 정확하게 9시간 차이를 두고 50나노초(1나노초=10억 분의 1초) 이내로 일치한다. KRISS-1은 세계에서 인정받는 ‘시계 중의 시계’로, 1차 주파수표준기로 등록된 원자시계는 현재 미국, 독일, 프랑스와 같은 선진국 몇 곳에만 있다.

​
Tip 현재 우리가 쓰고 있는 ‘1초’란?

1967년부터 현재까지 사용되고 있는 1초의 정의는 원자시(atomic time)이다. 이는 원자가 흡수하고 방출하는 전자파 연구(원자분광학)를 이용해 원자들의 진동수를 측정해 1초를 정의했다. 이때 1초는 세슘-133원자가 91억 9263만 1770번 진동하는 시간을 말한다.

*전자파
전자기파라고도 하는데, 주로 일상생활에서 사용하는 라디오, 텔레비전, 휴대전화 등에서 신호를 전달하는 역할을 하는 전파다. 얼마 전, 휴대전화에서 전자파가 많이 나온다고 해 사회적인 문제가 되기도 했다.


▼관련기사를 계속 보시려면?

2011 클락스토리 시계들의 반란을 잠재우다
Intro. 클락, 이러다 클나!
Part 1-1. 1초의 위대함, 오차 0에 도전!
Part 1-2.대한민국 시계, 세계에 우뚝 서다!
Part 2-1. 째깍째깍, 수학으로 가는 시계 
Part 2-2. 지금의 시계가 있기까지
Part 3-1. 도전! 나만의 시계 만들기
Part 3-2. 특명, 시계를 지구로 모두 소환하라!