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[2018 국제단위계 재정의 ④] 돌고 도는 단위, 마지막으로 합류한 ‘켈빈’

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[2018 국제단위계 재정의 ④] 돌고 도는 단위, 마지막으로 합류한 ‘켈빈’

2017.07.24 14:00

단위는 상호 보완적인 관계에 있다. 1m를 정의하기 위해서는 시간(초)이 필요하고, 시간(초)을 정의하기 위해서는 온도 기준이 필요하다(온도가 0K인 바닥 상태 세슘 원자가 필요). 또 온도를 정의하기 위해서는 볼츠만 상수가 필요한데(2018년 재정의 예정), 볼츠만 상수는 질량(㎏)과 길이(m), 시간(초), 온도(K)과 관련된 물리량이다. 따라서 볼츠만 상수를 결정하기 위해서는 질량(㎏)이…. 원숭이 엉덩이가 빨간 것에서 시작해 백두산까지 가는 것 마냥 단위들은 서로 연결되면서 영향을 준다.

 

표준과학자들이 국제단위계를 물리 상수를 이용해 정의하려 노력했지만 온도는 약간 논외에 있는 단위였다. 우선 온도의 정의가 다른 정의에 비해 명쾌했다. ‘열역학적 온도의 단위인 켈빈은 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/273.16이다’. 물의 삼중점은 기체와 액체, 고체가 동시에 존재하는 상태를 말한다. 나름 명쾌한 정의지만 ‘물’이 기준이라는 것이 문제다. 동위원소 비율에 따라 미묘하게 기준이 달라질 수 있다. 따라서 온도도 다른 단위(질량, 물질량, 전류)처럼 재정의 대상이 될 수밖에 없었다.

 

GIB 제공
GIB 제공

 

온도를 정의할 수 있는 상수는 ‘볼츠만 상수’다. 볼츠만 상수는 대략 1.38×10-23 ㎏‧m2‧s-2‧K-1 인 물리 상수로, 볼츠만 상수를 정확하게 측정한다면 켈빈(K)의 정의를 명확하게 내릴 수 있다. 다만 볼츠만 상수를 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지가 문제다. 상수가 정확하게 측정됐는지 확인하려면 서로 다른 방법으로 측정한 값이 거의 오차가 없이 동일해야 한다. 질량을 정의하는 플랑크 상수도 키블 저울과 아보가드로 프로젝트라는 두 가지 방법을 통해 검증했다.

 

온도를 정의할 볼츠만 상수는 소리의 속도가 온도에 비례하는 것을 이용하는 음향기체온도계와 기체마다 갖고 있는 고유의 상수값을 이용해 온도를 측정하는 유전상수기체온도계 등을 이용한다. 각 온도계로 측정한 볼츠만 상수의 값 오차가 3 ppm 보다 작을 때 비로소 정확한 볼츠만 상수라고 보고 정의에 사용할 수 있다. 볼츠만 상수 측정은 프랑스와 영국을 비롯해 4개 국가가 ‘볼츠만 프로젝트’라는 이름하에 15년 동안 진행하고 있었다. 문제는 프랑스와 영국의 측정 결과가 서로 달랐다. 이 때문에 하마터면 2018년 총회에서 온도는 재정의에 합류하지 못할 뻔 했다. 해결한 것은 우리나라. 양인석 한국표준과학연구원 책임연구원이 두 나라에서 사용한 아르곤 기체 질량이 서로 달랐다는 사실을 밝혀내면서 문제가 해결됐다.

 

이런 과정을 거쳐 결국 온도는 볼츠만 상수를 이용해 정의된다. 현재까지 정해진 볼츠만 상수(k)는 1.38065X × 10-23 ㎏‧m2‧s-2‧K-1. X로 표시된 마지막 한 자리는 7월이 지난 뒤 결정된다. 그동안 온도는 다른 단위와 동떨어져 있었다. 그러나 볼츠만 상수를 사용하게 되면서 온도도 다른 단위와 수학적으로 엮일 수 있게 됐다.

 

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※ 동아사이언스·한국표준과학연구원 공동 기획 

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