드디어 "1초"가 갱신될까? 광원자시계가 세계의 시간을 새롭게 바꾸는 날

1초는 이제 "세슘만으로"는 지탱할 수 없는가?

우리는 매일 시각을 의심 없이 사용하고 있다. 스마트폰의 시계, 교통·방송의 동기화, 금융 거래의 타임스탬프, 그리고 위성 측위. 그러나 그 "당연한 정확성"은 보이지 않는 곳에서 정비된 시간 인프라 위에 성립되어 있다.

그 시간 인프라가 가까운 장래에 "기준의 주역 교체"를 맞이할지도 모른다. 화제의 중심에 있는 것이 "빛"을 사용하는 차세대 원자 시계——광원자 시계(광학 원자 시계)다.

이번 Phys.org의 기사는, 광원자 시계가 "1초의 정의"를 대체하는 단계에 가까워지고 있으며, 시간 측정에 그치지 않는 용도까지 시야에 들어온 현황을 리뷰 논문을 중심으로 소개하고 있다.

원자 시계는 "원자의 반응"을 카운트하고 있다

원자 시계의 원리는, 대략적으로 말하면 "원자가 특정 조건에서 보이는 놀라울 정도로 안정된 반응(전이)을 카운트하는" 것에 있다. 현재의 "1초"는 세슘133 원자의 마이크로파 전이로 정의되어 있다. 이는 오랫동안 과학기술의 기반을 지탱해 온 "강한 표준"이었다.

그러나 광원자 시계는 더 높은 주파수 영역——즉 빛의 영역——의 전이를 사용한다. 주파수가 높을수록 같은 1초 안에 더 세밀한 "눈금"이 들어간다. 비유하자면, 거친 눈금의 자에서 극세의 눈금의 자로 바꾸는 것과 같다. 정확도를 높이는 길이 원리 수준에서 준비되어 있다.

기사에서는, 광원자 시계가 레이저 냉각된 이온이나 원자로 구성되어, 레이저로 반복적으로 탐색하면 "그 주파수에만 반응하는" 성질을 사용하여 정확한 "시간의 눈금"을 만든다고 설명된다.

"연구실의 괴물"에서 "현장으로 가져갈 수 있는 기기"로

광원자 시계라고 하면, 거대한 광학 테이블, 진공 장치, 복잡한 레이저 계——그런 "연구실의 괴물"을 떠올리기 쉽다. 그러나 기사가 강조하는 것은, 광원자 시계가 "연구실 밖"으로 나아가기 시작하고 있다는 점이다.

공동 연구팀에는, University of Adelaide, National Institute of Standards and Technology (NIST), National Physical Laboratory (NPL)이 이름을 올리고, 광원자 시계가 기존의 마이크로파 원자 시계보다 높은 정밀도를 가지며, 또한 "실험실 밖에서도 작동할 수 있다"고 말하고 있다.

이 "밖으로 나가는" 흐름은 단순한 소형화의 이야기가 아니다. 시간의 기준을 세계 표준으로 재정의하기 위해서는, "연구실에서 잠시만 최고 성능"으로는 부족하다. 멈추지 않고, 비교할 수 있고, 유지할 수 있고, 공급할 수 있는——즉 사회 인프라의 부품으로 성립할 필요가 있다. 기사가 제시하는 과제가 "연속 운용(많은 것이 단속적 운전)", "비교와 합의", "부품 공급망의 미성숙(고비용)"인 것은 그 필연이다.

"초"의 재정의는 기술만으로 결정되지 않는다

기사는, 광원자 시계의 진보가 현저하고, 조건이 갖춰지면 "수년 내에 금 표준으로"라는 기세를 전한다. 한편으로, 국제적인 "정의"의 갱신은 다른 시간 축으로 움직인다.

"초"를 관리하는 틀에서는, BIPM의 로드맵과 합의 형성이 진행되고 있다. FAQ에서는 국제도량형총회(CGPM)의 회합 주기에 연결된 형태로 "제안의 제시·검토의 최단이 2026년, 비준(새 정의의 성립)의 최단이 2030년"으로 정리되어 있다.
또한, 로드맵 페이지에서도 "2030년이 될 가능성"이 명기되어, 긴 프로세스로 갱신해가는 자세가 나타나 있다.

여기가 재미있는 부분이다. 기술은 "할 수 있다"에 가까워지고 있는데, 사회 구현을 위한 조건——연속 가동, 상호 비교, 세계 각지로의 전개, 법 제도와 이해관계자 설명——이 갖춰질 때까지, 국제 표준은 움직이지 않는다. 즉 "초의 재정의"는, 과학기술과 사회 제도가 정면 충돌하는 타입의 업데이트인 것이다.

시간을 측정하는 것만이 아니다: 중력을 "시계의 진행"으로 읽는다

광원자 시계가 재미있는 것은, 시간이 아닌 장치가 되어가고 있는 점에 있다.

일반 상대성 이론에 따르면, 중력이 강할수록 시간은 약간 늦어진다. 그렇다면, 극히 정밀한 시계끼리 비교하면, 장소마다의 중력 포텐셜 차이를 "시간의 차이"로서 측정할 수 있다. 기사는, 이 성질이 "해면 기준이 아닌 국제적인 높이 기준" 만들기에 도움이 될 가능성을 제시한다.

측지·지구 관측의 세계에서는, 표고나 기준면의 정합은 현실의 과제이며, 만약 "시계로 높이를 측정할 수 있는" 수준에 가까워지면, 지도나 인프라 관리의 사상까지 바뀔 수 있다.

암흑 물질 등 "기초 물리"의 검증기로도 된다

기사는 더 나아가, 광원자 시계가 암흑 물질 등의 기초 물리 검증에도 도움이 된다고 말한다.
여러 종류의 시계를 비교하여, 만약 기본 상수가 미세하게 흔들리는 현상이 있다면, 그것이 주파수 비의 변화로 나타날 가능성이 있다. 즉 광원자 시계는 "시각 배포 장치"뿐만 아니라, "우주를 조사하는 관측기"로도 되어가고 있다.

위성 장애의 "보험"으로서의 시간

우리가 일상적으로 받고 있는 정확한 시각은, 위성(측위)에도 크게 의존하고 있다. 기사는, 태양 폭풍 등에 의한 위성 장애나 악의 있는 공격으로 위성 인프라가 흔들릴 때, 광원자 시계가 지상 측의 "시간의 백업"이 될 수 있다고 언급하고 있다.

여기에는 연구실의 꿈 이야기로 끝나지 않는, 현실의 리스크 관리로서의 가치가 있다.

또한 기사는, 상업화의 움직임에도 언급하며, QuantX Labs와 같은 스핀아웃 기업에 대해 언급하고 있다.
정밀 시계가 "국가 연구의 상징"에서 "산업의 부품"으로 옮겨가는 조짐은, 보급의 속도를 더욱 끌어올릴지도 모른다.

그래도 남는 난문: "어느 시계로 초를 정할 것인가"

광원자 시계가 아무리 우수해도, "초의 정의"는 하나로 정해야 한다. 기사는, 재정의의 방식으로 "단일의 광원자 시계(단일종·단일 전이)로 갈 것인가", "복수 방식의 '그룹'(앙상블)으로 갈 것인가"라는 논점을 제기하고, 직접 비교가 필요하다고 말한다.

이 논점은, BIPM의 FAQ에서도, 선택지로서 "단일 전이를 정의 상수로 할 안"과 "복수의 광학 전이의 가중 평균을 정의로 할 안"이 정리되어 있다.

단일 방식은 운용이 단순해지기 쉬우나, 그 방식에 대한 의존이 강하다. 복수 방식은 견고성이 올라가지만, 합의나 운용이 어려워진다. 어느 쪽을 선택하든, 전 세계에서 "같은 초"를 배포할 수 있는 체계까지 세트로 완성해야 의미가 없다.

SNS의 반응: 뜨거워지는 "전문가", 당황하는 "일반", 꽂히는 "인프라 시선"

이 기사 주변의 화제는, SNS에서도 몇 개의 층에서 반응이 나뉘고 있다.

1) 연구·측정 커뮤니티(LinkedIn)

LinkedIn에서는, 연구 기관 계정이 "광원자 시계는 가까운 장래에 세계의 '1초'를 재정의한다"고 소개하면서, "현장에서 사용할 수 있는" 소형·견고화가 열쇠라는 문맥으로 이야기하고 있다. 실험실에서 현실 세계로, 라는 메시지가 강하다.
동종의 게시물에서는 "정밀한 시계는, 시간 자체를 과학 도구로 만든다"는 표현도 보이며, 중력이나 기초 물리에의 응용에 기대가 모인다.

2) 기술자 커뮤니티(Hacker News)

Hacker News에서는, 구현·운용 쪽의 의문이 두드러진다.
예를 들어 "그것은 '시계'인가, 아니면 '시계 신호(클럭)'인가?"라는 질문에서, 광시계는 단독으로 항상 연속적인 신호를 내기 어려우며, 레이저나 주파수 콤, 그리고 중복화(복수 대 운용)가 현실의 시각 생성에 영향을 미친다는 기술적 설명이 오가고 있다.
일반 대상 기사에서는 생략되기 쉬운 "연속 운용의 어려움"이 커뮤니티의 관심사로 전면에 드러나는 것이 인상적이다.

3) 일반층(SNS 전체의 분위기)

한편으로 일반층의 반응은, 대체로 다음의 두 종류로 나뉜다.

• "그런 정밀도, 일상에 필요해?"

• "하지만 GPS나 금융·통신의 뒷면이라면 중요할 것 같아"

이 온도 차이는 자연스럽다. 시계는 좋아질수록, 일상에서는 차이를 알아차리기 어렵다. 그래서 "초의 재정의"는, 로맨스와 실리를 모두 짊어지는 뉴스가 된다. 연구자에게는 세계를 바꾸는 사건이지만, 많은 사람에게는 "그래서, 뭐가 바뀌는 거야?"가 되기 쉽다.

하지만, 바뀌는 것은 스마트폰의 표시가 아니라, 사회의 저력이다. 측위, 통신, 전력, 금융, 과학 관측——"동기화"가 생명인 영역일수록, 시간의 정밀도는 조용히 영향을 미친다.

우리는 "초가 바뀐 날"을 알아차리지 못한다. 하지만, 세계는 확실히 변한다

세슘으로 정의된 1967년 이래의 "초"는, 반세기 이상 문명의 척추였다. 지금, 그 척추를 빛으로 바꾸려고 하고 있다.

그것은 단순한 시계의 개선이 아니다. 세계가 공유하는 규칙을 바꾸고, 동시에, 중력과 우주의 수수께끼에 발을 들여놓기 위한 측정 능력을 손에 넣는 것이기도 하다.

다음에 "초"가 업데이트되는 날, 우리의 시계는 아무 일 없이 계속 움직일 것이다. 하지만, 그 뒤에서, 인류는 또 한 단계, 자연을 "측정할 수 있는" 존재에 가까워지고 있다.

출처 URL

• 광원자 시계가 "초"의 재정의에 가까워지고