제목: 그림자가 시간 알려주는 ‘앙부일구’ vs 원자핵으로 시간 재는 ‘핵시계’
출처: 동아사이언스 전하연 기자
링크: https://www.dongascience.com/ko/news/79638
요약: 조선 초기에는 서운관에서 일정한 간격으로 종을 치면 사람들은 종소리를 듣고 시간을 짐작했다. 세종은 조선의 과학자들과 해시계 ‘앙부일구’를 만들었다. 앙부일구는 ‘하늘을 우러러보는 가마솥 모양의 시계’라는 뜻이다. 시판 안쪽에는 시간선과 절기선이 새겨져 있고 시간선을 시간을, 절기선을 태양의 움직임에 따른 계절 변화인 절기를 나타낸다. 앙부일구는 조선 곳곳에 설치된 덕분에 백성들은 앙부일구를 보고 절기에 맞춰 농사를 지었고 시간을 맞추기 쉬웠다. 최근 중국과 유럽 연구팀이 각각 토륨-229 원자핵으로 시간을 재는 핵시계를 만들었고 세계 최초로 작동했다. 우리가 휴대전화나 인터넷에서 보는 시간은 원자시계를 기준으로 삼는다. 원자시계는 원자의 전자가 에너지 상태를 바꿀 때 나타나는 매우 일정한 진동을 이용해 시간을 측정하는 시계다. 현재 대부분의 원자 시계는 세슘을 기준으로 세슘의 전자가 에너지 상태를 바꿀 때 흡수하거나 내보내는 빛이 91억 9263만 1770번 진동하는 시간을 1초로 정의했다. 원자시계는 전자가 가볍고 원자 바깥쪽에서 움직여서 전자의 에너지 상태가 자기장이나 온도 변화에 쉽게 흔들린다는 한계가 있다. 그래서 과학자들은 원자시계를 진공 상태에 두거나 아주 낮은 온도로 냉각해서 바깥 환경의 영향을 줄인다. 핵시계는 원자핵을 이루는 양성자가 90개, 중성자가 139개인 원자, 토륨-229로 만들어졌다. 대부분의 원자와 달리 토륨-229는 약학 자외선 레이저만으로도 상태가 쉽게 변한다. 두 연구팀이 핵시계를 만든 원리는 비슷하다. 토륨-229를 불화칼슘 결정에 넣고 자외선 레이저를 쏜다. 토륨-229 원자핵이 레이저 빛을 흡수하면 에너지 상태가 변하고 연구팀은 레이저를 조절해 원자핵의 에너지 상태 변화를 매우 일정한 주기로 반복하도록 만드는 것이다. 두 핵시계의 오차는 300만 년에 1초 수준이지만 가장 정밀한 원자시계가 400억 년에 1초밖에 틀리지 않으니 핵시계는 아직 정밀도가 낮은 편이다. 그래도 핵시계는 외부 환경의 영향을 덜 받아 앞으로 복잡한 장치를 줄인 휴대하기 쉬운 핵시계를 개발할 수 있을 것이다.
한줄요약: 핵시계는 토륨-229를 불화칼슘 결정에 넣고 레이저를 조절해 쏴 원자핵의 에너지 상태 변화를 매우 일정한 주기로 반복하도록 만드는 원리이다. 하지만 아직 원자시계보다 정밀도가 낮지만 핵시계는 외부환경의 영향을 덜 받아 앞으로 복잡한 장치를 줄인 휴대하기 쉬운 핵시계를 개발할 수 있을 것이다.