30000000년에 딱 1초 오차 … 초정밀 원자 시계 각국 개발 경쟁

중앙일보

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지구 상공 396㎞에 지금 한창 건설되고 있는 국제우주정거장(ISS)에는 2008년 지구에서 가장 정밀한 시계 두 대가 설치될 예정이다. 3000만 년에 1초 틀릴까 말까 한 원자시계다. 미국은 미 항공우주국 주도로 콜로라도대학.제트추진연구소.NIST가 참여하고 있고, 유럽은 프랑스와 스위스가 주도해 한 대씩 개발 중이다. 미국과 유럽의 자존심을 건 최정밀 시계 개발 경쟁이다. 국제우주정거장과는 무관하게 우리나라와 일본.영국.중국 등도 이 수준의 정밀도를 갖는 원자시계 개발에 나서고 있다. 원자시계의 정밀도는 그 나라의 기술 수준을 평가하는 하나의 척도가 될 정도로 첨단 기술이 들어가기 때문에 치열한 경쟁을 벌이고 있는 것이다. 앞으로 몇 년 안에 우리나라도 원자시계 선진국 대열에 낄 수 있을 전망이다.

◆기존 시계보다 10~100배 정밀=국제우주정거장용으로 개발 중인 원자시계는 보통 사용하는 원자시계보다 10~100배 정밀하다. 각국이 표준시를 알려줄 때 사용하는 시계의 경우는 30만~300만 년에 1초 틀릴까 말까 한 정밀도를 갖고 있다. 디지털 손목시계와는 격이 다르다. 이런 시간을 만드는 원자시계는 부속 장치를 포함할 경우 작은 방 하나를 차지할 정도로 크다. 원자시계는 말 그대로 금속의 원자를 활용한다. 금속의 원자는 금속 종류에 따라 각각 스스로 다른 횟수의 진동을 한다. 원자의 진동은 지금까지 인간이 만든 어떤 진자보다 더 정밀하게 주기적인 운동을 한다. 원자시계는 이런 원자의 진동이 1초에 몇 번 일어나는가를 측정해 시간으로 표시하는 방식이다. 시계 추가 한 번 왔다가면 '1초'라고 하듯이, 세슘 원자가 약 92억 번(정확하게는 91억9263만1770번) 진동하면 1초라고 하는 식이다. 현재 세슘 원자 이외에 시계로 사용하기 적당한 원자로 류비듐 원자, 수소 원자가 꼽히고 있다. 그 원자들은 시간이 지나도 진동이 다른 금속 원자에 비해 상대적으로 일정하기 때문이다.

한국표준과학연구원 이호성 박사는 "세슘원자 시계는 몇 달 또는 몇 년이 지나도 원자의 진동이 안정적으로 발생하는 데 비해 수소 원자는 며칠 동안의 성능은 가장 뛰어나지만 시간이 지날수록 불안정해진다"고 말했다. 루비듐 원자는 성능이 떨어지긴 하지만 가격이 훨씬 싸 산업현장에서 많이 사용하고 있다는 것이다. 수소 원자 시계는 표준기관이나 천문대 등 극히 정밀한 시간을 필요로 하는 곳에서 사용하며, 가장 비싸다.

이 때문에 국제우주정거장용으로 개발 중인 것도 세슘 원자를 이용한 세슘원자분수시계다.

◆세슘원자 분수 시계=진공 상태로 만든 원통 속에 원자를 분수처럼 위로 쏘아 올린 뒤 그 진동을 측정하는 시계를 말한다. 이렇게 하는 것은 원자의 속도를 최대로 낮춰 원자 검출기가 원자의 진동을 아주 정확하게 측정할 수 있게 하려는 것이다. 기차도 속도가 빠르면 창문을 정확하게 볼 수 없지만 속도가 낮으면 그렇지 않은 것이나 마찬가지다. 원자의 속도는 레이저로 조절한다. 원자를 볼링공에 비유하면 거기에 탁구공 격인 레이저 빛을 계속 쪼여 부딪치게 하면 점차 속도가 줄어든다. 원자가 처음 금속판에서 떨어져 나올 때는 초당 300m 속도지만 레이저로 조절하면 초당 1m의 속도로 낮아진다.

원자분수시계는 약 92억분의 1초를 측정할 수 있을 정도로 정확한 원자시계의 개발을 가능케 한다.

◆원자 진동 어떻게 알아내나=원자의 진동은 너무 미약해 웬만한 기기로는 파악조차 할 수 없다. 세슘 원자를 예를 들면, 진공 용기 안에 있는 세슘이 달궈지면 자연적으로 원자가 공중으로 떠다닌다. 이 원자를 정렬시켜 시간 측정용으로 쓸 원자만 골라낸다. 거기에 원자의 진동이 크게 보이도록 하기 위해 전파를 쏜다. 마치 물결이 이는 호수에 돌을 던질 경우 두 개의 물결이 합해지는 곳에서는 첫 물결보다 더 높아지는 것과 같은 원리를 이용한다. 그렇게 커진 진동을 잡아내 디지털 시간으로 표시하는 것이다.

◆그렇게 정밀한 시계 필요하나=3000만 년에 1초 틀릴까 말까 한 시계는 현재 표준시로 사용하는 시계를 바로잡는 데 필요하다. 보정용은 더 정밀해야 하기 때문이다. 또 위성위치확인시스템(GPS)과 같은 장비의 정확도를 높일 수 있다. 이외에 아인슈타인의 이론을 검증하는 등 기초 과학용으로도 아주 중요한 역할을 할 것으로 과학자들은 보고 있다.

박방주 과학전문기자