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2024-11-22 (금)

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[퓨처 Eyes(50)] 핵시계, 초정밀 시간 측정의 새로운 지평을 열다

상상을 초월하는 정확성, 10억년에 단 1초의 오차도 허용하지 않는 시계가 현실로 다가왔다. 과학자들이 기존 원자시계를 뛰어넘는 핵시계 개발에 성공하며, GPS, 인터넷 동기화, 금융 거래 등 다양한 분야에 혁신을 예고했다. 미국 물리과학 연구기관인 JILA와 국립표준기술원(NIST) 펠로우이자 콜로라도 볼더 대학교 물리학 교수인 준 예(Jun Ye)와 그의 팀이 이끄는 국제 연구팀이 핵시계로 알려진 획기적인 시간 측정 장치를 개발했다. 원자시계 넘어 핵시계로, 시간 측정의 새로운 지평 현재 가장 정확한 시계는 원자시계다. 원자시계는 원자 내 전자의 에너지 변화를 이용해 1초를 정의하고, 1초에 수십억 번 진동하는 신호를 통해 시간을 측정한다. 이번에 개발된 핵시계는 원자핵 내부의 에너지 변화를 이용한다는 점에서 원자시계와 차별화되는 새로운 유형의 시간 측정 장치다. 핵시계는 원자 전체가 아닌 원자핵의 진동을 측정한다. 원자핵은 원자보다 훨씬 작지만, 더 많은 '틱(tick)'을 가지고 있어 더 정확한 시간 측정이 가능하며, 전자기장과 같은 외부 교란에도 안정적이다. 새로운 연구에서 JILA와 그의 연구팀은 핵시계의 모든 필수 부품을 만들었다. 즉 시계의 '틱(tick)'을 제공하는 토륨-229 핵전이, 핵의 개별 양자 상태 사이에 정밀한 에너지 점프를 생성하는 레이저, 이러한 '틱'을 직접 측정하는 주파수 빗 등이다. 연구팀은 이러한 노력으로 이전 파장 기반 측정기보다 100만배 높은 수준의 정밀도를 달성했다. 또한 연구팀은 자외선 주파수를 세계에서 가장 정확한 스트론튬 원자시계 중 하나에 사용되는 광학 주파수와 직접 비교해 핵 전이와 원자시계 사이의 직접적인 주파수를 연결하는데 최초로 성공했다. 이러한 직접적인 주파수 연결과 정밀도 향상은 핵시계를 개발하고 기존 시간 유지 시스템과 통합하는 데 있어 매우 중요한 단계다. 더 작지만 더 강력한 핵시계, 정확성의 한계를 뛰어넘다 원자시계는 수십억 년에 몇 초의 오차만 발생할 정도로 정확하지만, 외부 환경의 영향을 받을 수 있다. 반면, 핵시계는 원자핵의 안정성 덕분에 외부 간섭에 덜 민감하고, 더 높은 주파수에서 진동하여 더 정밀한 시간 측정이 가능하다. JILA 연구팀은 토륨-229 원자핵에 자외선 레이저를 쏘아 핵입자를 여기시키고 '광 주파수 빗' 기술로 핵의 에너지 펄스 주파수를 측정하는 데 성공했다. 이는 일반 시계의 추가 진자 운동을 하는 것과 유사한 원리로, 1초당 더 많은 파동 사이클을 측정하여 더욱 정확한 시간 측정을 가능하게 한다. 이번 연구 결과는 지난 9월 4일자 세계적인 학술지 "네이처' 표지 기사에 게재됐다. 연구팀에는 JILA, 비엔나 양자 과학 기술 센터, IMRA America Inc.의 연구자들이 포함됐다. 물리학의 획기적인 발전, 핵시계 현실화에 한 걸음 더 이번 연구는 핵시계 개발에 중요한 이정표를 세웠다. 1976년 토륨 핵의 저에너지 특성을 발견, 2003년 토륨-299 핵시계 활용 가능성 제시, 2023년 토륨-229 결정 삽입 기술 개발 등 오랜 연구 끝에 마침내 핵시계 프로토타입이 탄생한 것이다. 특히 연구팀은 토륨-229 핵의 에너지 변화를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 생성된 신호를 높은 정확도로 측정하는 데 성공했다. 이는 핵시계의 실현 가능성을 입증하는 중요한 성과로 평가받는다. 핵시계, 시간 측정 넘어 과학 혁신 이끌 것 핵시계는 아직 초기 단계지만 상용화될 경우 공식 국제시간 측정뿐만아니라 물리학 연구, 우주 탐사 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 특히 암흑 물질 탐색, 자연 상수 검증 등 기본 물리학, GPS 정확도 향상, 통신 네트워크 안정화 등에도 활용될 수 있다. 연구팀은 "이번 연구는 핵시계의 가능성을 보여주는 중요한 발검음"이라며 "레이저 정렬 및 주파수 조정 등을 통해 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것"이라고 밝혔다. 또한 "2~3년 안에 핵시계가 원자시계의 정확성을 능가할 것"이라고 전망했다. 핵시계는 휴대성과 안정성도 뛰어나 통신, 인터넷, GPS 등 일상생활에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 물리학 전문가들은 "핵시계는 시간 측정의 새로운 패러다임을 제시하는 혁신적인 기술"이라며 "기초과학 연구부터 첨단 기술 개발까지 다양한 분야에 파급 효과를 가져올 것"이라고 평가했다. 핵시계, 미래를 향한 새로운 추 원자시계는 이미 지진, 중력장, 시공간 연구에 중요한 도구로 활용되고 있다. 핵시계는 이러한 분야에 더 큰 발전을 가져올 수 있으며, 휴대성과 사용 편의성도 높을 것으로 예상된다. 핵시계와 원자시계를 함께 사용하면 기본 물리 상수의 변화 여부를 확인하고 암흑 물질 연구에도 새로운 가능성을 열 수 있다. JILA와 NIST 물리학자 준 예는 "수십억년 동안 켜두어도 1초도 잃지 않는 손목시계를 상상해보라"며 "아직은 그 수준에 이르지 못했지만 이 연구를 통해 그 수준의 정밀도에 더 가까워졌다"고 말했다. 더 정확하고 안정적인 시간 측정을 향한 인류의 도전은 끝없이 계속된다. 핵시계 기술의 발전은 단순히 시간 측정의 정확성을 높이는 것을 넘어, 더 빠른 인터넷 속도, 더 안정적인 네트워크 연결, 더 안전한 디지털 통신을 제공할 수 있다. 또한 대규모 입자 가속기 없이 입자 물리학 이론을 검증할 수 있으며, 우주 구조 탐사 등 우리가 우주와 자연을 이해하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 잠재력을 지니고 있다.
- 포커스온
2024-09-12
미국 NIST-콜로라도주립대 JILA, 역대 최고 초정밀 원자시계 개발

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.
- IT/바이오
2024-07-04
지구 온난화로 극지방 얼음 녹아 지구 자전 속도 변화

기후 변화로 극지방 얼음이 녹으면서 지구의 자전 속도에 영향을 미친다는 연구 결과가 나왔다. CNN은 지난 27일(현지시간) 앞으로 몇 년 안에 1초를 잃는 음의 윤초 현상이 나타나게 될 것이라며 북극의 얼음이 녹으면 자구의 자전 속도가 바뀌고 그로 인해 시간 자체가 바뀐다는 새로운 연구가 나왔다고 보도했다. 이날 학술 저널 '네이처(Nature)' 저널에 발표된 연구에 따르면 지구 온난화의 영향으로 윤초가 나타날 가능성이 크다. 보고서는 북극 얼음이 녹으면서 윤초가 3년 늦어져 2026년에서 2029년으로 늦춰진다고 밝혔다. 하루를 결정하는 시간과 분은 지구의 자전에 의해 결정된다. 그러나 그 회전은 일정하지 않아서, 지구 표면과 중심의 핵에서 일어나는 현상에 따라 조금씩 변할 수 있다. 거의 눈에 띄지 않는 이같은 시간의 변화는 세계의 시계를 때때로 '윤초(1초를 더하거나 빼는 것)'로 조정해야 함을 의미하며, 이는 컴퓨팅 시스템에 큰 영향을 미칠 수 있다. 실제로 2017년은 365일하고도 1초가 더 있는 해였다. 한국 시간으로 2017년 1월 1일에 1초가 추가됐다. 세계협정시(UTC)는 세슘 원자의 진동수를 기준으로 측정하기 때문에 오차(3000년에 1초)가 거의 없다. 원자시에 따르면 하루는 정확히 8만6400초다. 그런데 온난화 영향으로 인류는 처음으로 1초를 빼야할 위기에 처한 것. 1972년부터 26초의 윤초가 추가됐고 2017년 1월에 추가된 윤초는 27번째였다. 지금까지 음의 윤초가 실시된 적은 없다. 사상 첫 '음의 윤초' 도입할 수도 1972년부터 지금까지 윤초로 인해 27초가 추가됐으며 오랜 기간 둔화 추세를 보인 끝에 지구 중심 핵의 변화로 인해 지구의 자전 속도가 이제 빨라지고 있다. 그로 인해 음의 윤초를 실시해야 할 때가 다가온다는 지적이다. 프랑스 국제 도량형국 시간 부서의 일원인 파트리샤 타벨라(Patrizia Tavella)는 연구에 첨부된 글에서 "음의 윤초는 추가되거나 테스트된 적이 없으므로 이로 인해 발생할 수 있는 문제는 전례가 없다"라고 적었다. 캘리포니아 대학교 샌디에고 지구물리학 교수이자 이번 연구의 저자인 던컨 애그뉴(Duncan Agnew)는 "지구 시간을 측정하는 과정에서 예상되는 변화들을 파악하는 것은 지구 온난화가 미치는 영향을 이해하는 데 달려 있다"고 말했다. 1960년대 후반부터 전 세계는 세계협정시(UTC)를 사용해 시간대를 설정하기 시작했다. UTC는 원자시계의 정확성에 기반하지만 지구의 자전 속도도 반영한다. 그러나 지구 자전의 불규칙성으로 인해 UTC와 지구 자전 기반의 시간 차이에 미묘한 차이가 발생한다. 이 차이를 조정하기 위해 때때로 '윤초'를 추가해야 한다. 장기적으로 보면, 지구의 자전 속도 변화는 주로 해저의 조수 마찰에 의해 영향을 받아 왔으며 이는 자전 속도의 저하로 이어졌다. 애그뉴 교수는 최근 인간이 화석 연료 사용으로 인한 열이 북극 얼음이 녹는 것에 커다란 영향을 미쳤으며, 이 현상은 지구의 자전 속도에 중대한 영향을 미치고 있다고 지적했다. 얼음이 바다로 녹아내리면, 이 녹은 물이 극지방에서 적도 쪽으로 이동하면서 지구의 자전 속도가 더욱 느려진다는 설명이다. 그는 극지방의 얼음이 녹는 현상이 지구의 회전에 전례 없는 방식으로 영향을 미쳤다며 "인간 활동이 지구의 자전을 변화시킬 수 있다는 사실이 정말 놀랍다"고 말했다. 그러나 보고서에 따르면 얼음이 녹아 지구의 자전 속도가 느려질 수 있지만 지구의 핵과 같은 다른 요소도 세계의 시간 측정에 영향을 미치고 있다. 이는 지구 자전 속도 변화의 복합적인 원인을 시사한다. 지구의 핵, 외부 지각과 독립적으로 회전 액체상태인 지구의 핵은 단단한 외부 지각과 독립적으로 회전한다. 애그뉴는 지구 핵의 회전 속도가 느려지면 단단한 지각의 속도가 상대적으로 증가해 전체적인 추진력이 유지된다고 설명했다.그리고 이것이 바로 현재 발생하고 있는 현상이라고 지적했다. 지구 표면 아래 약 2897km(약 1800마일)에서 발생하는 현상에 대해서는 거의 알려진 바가 거의 없으며 핵의 회전 속도 변화 원인 역시 분명하지 않다. 애그뉴는 이에 대해 "근본적으로 예측이 불가능하다"고 말했다. 연구 결과 분명한 것은 극지방의 얼음이 녹는 것이 지구 자전 속도를 늦추는 영향에도 불구하고 전반적인 지구의 자전 속도는 빨라지고 있다는 것이다. 이는 세계가 음의 윤초, 즉 1초를 제거해야 하는 상황에 처음으로 직면해야 할 수도 있음을 의미한다. 1초는 짧은 시간처럼 보일 수 있지만 증권 거래와 같은 민감한 활동을 위해 설계된 컴퓨팅 시스템은 1000분의 1초까지의 정확성을 요구한다. 대부분의 컴퓨터 시스템은 1초를 추가할 수 있는 소프트웨어가 있지만 1초를 제거할 수 있는 기능을 갖춘 시스템은 드물다. 음의 윤초가 도입되면 많은 시스템이 새로운 프로그래밍을 필요로 하게 되며, 이는 오류를 유발할 가능성이 있다. 애그뉴 교수는 "지구의 자전 속도가 윤초를 제거해야 할 정도로 빨라질 것이라고 예상한 사람은 거의 없다"고 말했다. 콜로라도 대학교 볼더 빙하학자인 스캄보스(Scambos) 박사는 이 연구에서 주목할 점으로 "지난 10년 간 지구의 핵 변화가 극지방의 증가하는 얼음 손실 추세보다 더욱 두드러진 경향을 보이고 있다"고 지적했다. 애그뉴는 "얼음이 지금처럼 많이 녹아 지구의 자전 변화가 실제로 측정할 수 있는 수준에 이르렀으면 '이건 정말 심각한 문제다'라고 느껴질 것"이라고 말했다. 극소용돌이 궤도 변화 한편, 지난 27일 라이브사이언스에 따르면 3월 초, 대기권의 기습적인 온난화로 인해 북극의 극소용돌이의 궤도가 변경됐다. 이는 최근 발생한 가장 극단적인 대기권 변화 중 하나로 기록됐다. 라이브사이언스는 차가운 공기를 담은 극소용돌이가 잘못된 방향으로 회전하고 있으며, 이로 인해 발생하는 '오존 급증'이 전 세계 기상 패턴에 영향을 미칠 수 있다고 전했다. 과거, 북극을 둘러싼 차가운 공기의 회전 덩어리인 극소용돌이의 붕괴는 미국의 전역에 걸쳐 극심한 추위와 폭풍을 초래했다. 극소용돌이의 방향이 갑자기 바뀌면서 북극 상공에서는 기록적인 '오존 증가' 현상이 관측됐다. 극소용돌이는 주로 겨울철에 가장 두드러지며 지표면에서 약 50km(약 30마일) 위까지 대기의 두 번째 층인 성층권까지 확장된다. 영국 기상청에 따르면, 이 소용돌이는 시계 반대 방향으로 회전하며 최대 풍속은 약 250km/h로, 5등급 허리케인과 비슷한 속도다. 유사한 극소용돌이 현상은 남반구의 겨울 동안에 남극 주변에서 발생한다. 기상청은 극소용돌이는 때때로 일시적으로 방향을 바꾼다고 설명했다. 이러한 현상은 갑작스러운 성층권 온난화(SSW)에 의해 발생할 수 있으며, 이때 성층권의 온도가 화씨 90도(섭씨 50도)만큼 상승할 수 있으며 짧게는 며칠, 몇 주 또는 길게는 몇 달 동안 지속될 수 있다. 음의 윤초 도입에 앞서 지속 가능한 방식으로 온실 가스 배출을 줄이고, 기후 변화에 대응하기 위한 국제적인 노력이 더욱 시급한 때라고 할 수 있다.
- IT/바이오
2024-03-29