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[표지로 읽는 과학] 세상에서 가장 정확한 시계 탄생 초읽기

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[표지로 읽는 과학] 세상에서 가장 정확한 시계 탄생 초읽기

2019.09.14 06:00
네이처 제공
네이처 제공

인류의 목표 중 하나는 '세상에서 가장 정확한 시계'를 만드는 것이다. 정확하다는 말은 수천 수만 년 이상 긴 시간이 지나도 1초의 오차도 없이 시간이 똑같이 흘러간다는 뜻이다. 국제학술지 '네이처'는 이달 12일 세상에서 가장 정확한 시계인 '원자핵시계(nuclear clock)'의 모습을 표지로 실었다.

 

일상에서는 지구가 한 바퀴 자전하는 시간을 1일로 생각한다. 이것을 잘게 분할해 시간과 분, 초를 정했다. 하지만 지구 자전속도는 시간에 따라 변하므로 시간에 오차가 생긴다. 과학자들은 영원불변한 기준인 '세슘원자의 고유진동수'를 이용한 원자시계를 개발했다. 현재 국제도량형총회에서 정한 1초의 정의는 '세슘133 원자가 91억 9263번 1770번 진동하는 데 걸리는 시간'이다. 하지만 세슘 원자시계 역시 3000년에 1초 정도 오차가 난다. 

 

원자시계가 세슘 원자가 바닥상태에서 들뜬 상태로 변하게  될때 나타나는 특정 전파 진동수를 기준으로 사용하는 반면 핵시계는 원자핵의 상태간 전이를 바탕으로 하고 있다. 미국과 독일, 러시아, 호주, 일본 과학자들은 이 현상을 이용해 이보다 훨씬 정확하게 시간을 재는 핵시계를 개발하고 있다. 

 

네이처에는 핵시계의 실현이 점점 가까워지고 있음을 알리는 연구 결과 2개가 실렸다. 두 연구팀은 원자력 시계를 만드는 재료로 토륨 229를 사용했다. 토륨 229는 매우 낮은 에너지 상태(수 eV)에서 유일하게 최초의 들뜬 상태(빛을 쬔 원자가 에너지를 흡수해 전자의 에너지 준위가 높아진 상태)를 나타낸다. 레이저를 이용해 제어할 수 있다.  

 

독일 뮌헨대와 막스플랑크연구소, 오스트리아 비엔나공대 등 공동 연구팀은 토륨 229 원자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 바뀌는 과정에서 에너지가 어떻게 변화하는지 관찰했다. 그리고 이 결과를 토대로 광학레이저를 활용해 토륨 229를 제어하는 방법을 만들었다. 연구팀은 이미 2016년 최초로 토륨 229을 사용한 핵시계 기술을 개발했다. 당시만 해도 토륨229의 에너지를 측정하거나 반감기를 측정하는 수준이었다. 

 

일본 오카야마대 학제간과학연구소 연구팀은 X선을 이용하면 토륨 229를 쉽게 들뜬 상태로 만들 수 있다는 사실을 알아냈다. 네이처는 이번에 실린 두 연구결과를 토대로 핵시계를 실제 산업 분야에서 활용하게 될 날을 앞당길 수 있을 것으로 전망했다. 

 

핵시계는 원자시계보다도 이론상 100배나 더 정확하다. 핵시계는 우주 나이인 약 138억 년이 흐르는 동안 단 수십 분의 1초 정도만의 오차가 난다.

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