미국표준기술연구소(NIST)와 콜로라도주립대 볼더 캠퍼스가 합작해 설립한 물리학 연구소 JILA의 연구진이 아인슈타인의 일반 상대성이론이 예측한 대로 미세한 효과까지 측정할 수 있는 초정밀 빛 기반 원자시계를 개발했다고 NIST가 발표했다.

NIST 홈페이지에 실린 게시글에 따르면 제작된 시계는 1초를 보다 정확하게 나타내게 되며, 심지어는 새로운 지하 광물 매장지의 발견으로까지 이어질 수도 있다고 한다.

원자시계는 일반적으로 마이크로파를 사용해 1초의 길이를 결정한다. 이번 연구는 여기에서 발전한 것으로, 가시광선으로 원자를 비추면 광파의 주파수가 마이크로파보다 훨씬 높아 초를 더욱 정확하게 계산해 낸다. 빛 기반 광학 원자시계는 마이크로파 시계에 비해 더욱 정밀해 300억 년에 1초 정도의 오차가 생길 수 있다. 다만 이 정도의 정확도에 도달하려면 시계의 정밀도 역시 높아져야 한다. 즉 극히 정밀한 초까지 측정할 수 있어야 한다.

원자시계의 정밀도 향상

JILA 연구진은 가시광선을 사용하는 대신 광학 격자로 알려진 빛의 그물을 사용해 수만 개의 원자를 동시에 측정했다. 이는 원자시계에 초를 정확하게 측정할 수 있는 더 많은 데이터를 제공했다.

과거에는 광학 격자 접근 방식이 사용됐지만, JILA 연구진은 측정을 위해 상대적으로 더 부드러운 접근 방식을 사용했다. 이로 인해 레이저 자체가 원자를 측정하거나 원자가 서로 충돌하는 효과 등 두 가지 오류 가능성을 줄일 수 있었다.

 상대성과 그 이상의 효과 측정

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 시간에 영향을 미친다. 중력장이 강할수록 시간의 흐름이 느려진다. JILA가 개발한 시계는 밀리미터 미만 규모의 시간 기록에 대한 중력의 영향을 감지할 수 있을 만큼 민감하다.

JILA와 NIST의 물리학자인 준 예 교수는 이번 원자시계 제작과 관련, 시간 기록으로 가능한 한계를 돌파하고 있다면서 시계 설계가 측정을 넘어 양자 영역까지 확장됐다고 말했다.

양자 컴퓨터는 원자와 분자의 특성을 활용해 복잡한 계산을 수행한다. JILA 시계는 정밀한 측정이 가능하기 때문에, 일반 상대성이론과 양자역학 이론이 교차하는 미시적 영역에서 중력에 의한 시간 흐름의 왜곡까지 측정할 계획이다.

시계의 정확성은 과학자들이 매우 먼 거리에 떨어진 우주 공간에서도 정확한 시간을 유지하는 데 도움이 된다. 이와 관련, 예 교수는 "예컨대 정밀한 정확도로 화성에 우주선을 착륙시키려면 현재 GPS에 있는 것보다 훨씬 더 정확한 시계가 필요하다"고 덧붙였다.

보고서는 "과학은 측정 영역의 미개척지를 탐구하고 있다. 높은 수준의 정밀도로 사물을 측정할 수 있게 되면 지금까지 이론으로만 가능했던 현상이 실제로 보이기 시작한다"고 강조했다. 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)' 저널에 게재될 예정이다.