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원자로 만든 시계- 세슘(Cs) - 목록

조회 : 6881 | 2012-04-17

해시계
인류는 오래전부터 지구의 공전과 자전을 기준으로 한 태양시를 사용했다. ‘공중에 걸쳐 있는 돌’이라는 뜻을 가진 영국의 고대 유적 스톤헨지(Stonehenge)도 해시계로 추정되고 있다. 스톤헨지는 높이 8 m, 무게 50 톤인 거대 석상 80여 개로 이루어져 있으며 세계 7대 불가사의로 손꼽히고 있다. 해시계는 간단하게 막대기를 지면에 꽂기만 하면 된다. 우리나라에서 태양의 그림자는 서쪽에서 정북을 거쳐 동쪽으로 진다. 따라서 정북에서 그림자의 거리로부터 시간을 알 수 있다. 이처럼 간단한 해시계의 원리로 인해 해시계는 세계 어디서나 발견된다. 우리나라의 해시계는 어떨까? 장영실(1400~1450) 등이 제작한 앙부일구는 그림자가 비치는 면이 가마솥과 같은 특이한 반구형의 해시계이다. ‘앙부’는 ‘하늘을 쳐다보고 있는 솥’, ‘일구’는 ‘해의 그림자’를 뜻한다. 시계 바늘에 해당하는 영침의 끝은 북극을 가리키며 적도와 수직을 이룬다. 24절기를 나타내는 가로줄인 위선과 시각을 나타내는 세로줄인 경선이 있어서 시각과 절기를 동시에 알 수 있다.










스톤헨지(CC)garethwiscombe 와 앙부일구(CC)Bernat / 위키백과(www.wikipedia.org)





그런데 왜 앙부일구처럼 오목하게 만들었을까? 바닥이 편평한 평면 해시계는 아침과 오후의 그림자가 길게 늘어지고 희미해서 시간이 정확하지 않다. 반면에 앙부일구는 영침의 그림자 길이가 항상 일정한 길이로 해당 절기의 눈금 선을 따라서 움직하기 때문에 시간을 정확하게 측정할 수 있는 것이다.




해시계는 부정확하다?
그러나 앙부일구로 시간을 측정하면 시계로 측정한 시간과 40~50분 정도 차이가 난다. 왜 그럴까? 첫째, 세계 표준시는 그리니치 천문대를 지나는 본초자오선을 기준으로 15도 간격으로 정하기 때문이다. 우리나라는 동경 135도 선을 표준시로 한다. 따라서 동경 127도 선에 위치한 서울의 시간은 실제보다 더 빠른 것이다. 둘째, 평균 태양시는 태양이 적도 위를 같은 속도로 회전한다는 가정 하에 결정된다. 그러나 지구는 태양의 둘레를 타원궤도로 회전하며 속도가 다르다. 따라서 하루는 정확히 24시간이 아니며, 날짜와 위치에 따라 약간의 차이가 난다. 따라서 앙부일구와 같은 해시계로 측정한 시간이 현재 위치에서의 정확한 태양시이지만, 측정한 장소에 따라 다르기 때문에 세계 표준시와 평균 태양시를 기준으로 정한 시간을 사용하고 있는 것이다.




세슘 원자시계
해시계는 밤에는 시간을 알 수 없다. 게다가 지구의 자전은 조석에 의한 마찰력 등에 의해 점차 느려지고 있다. 이전에는 이러한 약간의 오차가 큰 문제가 없었지만, 나날이 발전하는 과학 기술 문명은 정확한 시간 측정을 필요로 한다. 따라서 태양보다 더 규칙적이며 일정한 새로운 기준이 필요하다. 그것은 원자의 특성을 이용한 시계이다. 원자에 빛을 쪼여주면 원자들은 특정 파장만을 흡수한다. 따라서 이 파장을 이용하면 일정한 기준을 정할 수 있다. 세슘을 이용한 원자시계는 30만년에 1초 정도의 오차를 갖는다. 세슘 원자시계는 세슘, 주파수 발생기와 계수기로 이루어진다. 자명종은 시계추가 한 번 왕복하면 1초로 정의하듯이, 세슘 원자가 흡수하는 빛은 1초에 9,192,631,770 번 진동한다. 따라서 원자시계는 이 빛이 9,192,631,770 번 진동하는 시간을 1초로 정의한다. 즉, 원자시계는 원자의 진동수를 측정하여 시간을 표시하는 것이다. 1967년, 국제도량형총회에서 1초의 정의는 태양시에서 원자시로 바뀌었다.









다양한 시계
시계는 규칙적으로 반복되는 현상으로 시간을 측정한다. 어떤 현상들이 있을까? 심지어는 화학적인 변화도 이용되었다. 연소시계는 촛불이 연소될 때 그림자의 길이가 달라지는 것으로부터 시간을 측정한다. 오일시계도 오일이 연소될 때 남아있는 오일로부터 시간을 측정한다.










연소시계와 오일시계, 분동시계, 진자시계





분동시계는 드럼에 끈이 감겨있고, 그 끈에 추가 달려있다. 추의 무게로 인해 드럼이 회전하면서 기어를 움직여 시계가 작동한다. 진자시계는 갈릴레이가 발견한 진자의 규칙적인 운동을 이용하여 호이겐스(1629~1695)가 만들었다.










수정시계





수정시계는 수정의 압전(물질에 압력을 가하면 전기가 흐르거나 혹은 전기를 흘리면 진동하는 현상) 효과를 이용한다. 수정에 전류를 흘려주면 수정이 고유한 진동수로 진동한다. 이 진동으로 생긴 전기 신호로 시계가 작동한다. 손목시계, 탁상시계, 벽걸이시계 등은 대부분 수정시계이다.




휴대폰, 인터넷, GPS
왜 정확한 시간이 필요할까? 세계에서 가장 빠른 사람을 결정하는 100 m 육상 경기에서도 100분의 1초면 승부가 결정된다. 시간이 정확할수록 시간을 효과적으로 활용할 수 있다. 예를 들어 전화선을 2명에게 연결하려면 전화선은 2개, 3명은 3개, 4명은 6개로 가능하다. 100명을 연결하려면, 전화선은 4,950개로 급격하게 많아진다. 그러나 실제로는 전화선보다 사용자가 훨씬 많음에도 모두 전화와 인터넷을 사용하고 있다. 이것이 가능한 이유는 시간을 나누어 쓸 수 있기 때문이다. 즉, 시간이 정확할수록 더 많이 나눌 수 있어 더 많은 사람이 사용할 수 있게 된다. 예를 들어 0.1초까지 측정할 수 있다면 1초를 열 개로 나눌 수 있지만, 0.001초까지라면 1000개로 나눌 수 있는 것이다. 휴대전화로 통화를 하려면 기지국들 사이의 시간이 정확히 일치해야 한다. 따라서 기지국들은 백만분의 1초 이내로 시간을 맞춘다. 이보다 시간차이가 크면 데이터가 손실되거나 통화가 끊어질 수 있다. 또한 위성항법장치(GPS)는 여러 대의 인공위성이 보내는 신호가 도달하는 시간차로부터 위치를 파악한다. 즉, GPS의 전파가 출발점에서 도착점까지 걸리는 시간으로부터 거리를 측정한다. 인공위성은 매우 빠르기 때문에 시계가 단 백만분의 1초만 틀려도 실제의 위치는 수 백 m 차이가 난다. 이처럼 원자시계는 위성통신, 항법, 기초과학 등의 발전에 크게 기여하고 있는 것이다.




높은 곳에 살면
1초란 어디서나 항상 일정할까? 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 속도가 빠를수록 시간은 느려진다. 예를 들어 공이 바닥에서 천정에 닿을 때까지의 시간을 1초라 한다면 로켓이 정지해 있을 때보다 발사되었을 때 1초가 더 길어진다. 만일 로켓이 빛의 속도로 날면 1초는 거의 정지한 것과 같게 된다. 일반상대성이론에 의하면 중력이 셀수록 시간은 느리다. 무거운 물체 근처에서는 시간이 느리게 간다는 것이다. 1962년, 피사의 사탑 꼭대기와 바닥에 설치한 두 개의 정밀한 시계로 측정한 결과 중력을 많이 받는 아래쪽 시계가 느린 것이 확인되었다. 이 결과에 의하면 사람의 평균 수명을 80 세라면 지상에서 33 cm 높은 곳에 사는 사람은 1/900억 초만큼 더 나이가 많은 것이다.










속도와 중력에 따른 시간의 차이





이처럼 시간은 움직이는 속도나 관찰자의 위치에 따라 다르다. 마찬가지로 세슘 원자시계도 인공위성에서와 지상에서의 시간이 다르다. 인공위성에서는 중력이 작기 때문에 일반상대성 이론에 의해 하루에 45 μs 빨라진다. 반면에 특수상대성 이론에 의하면 초속 3.9 km로 회전하는 인공위성은 하루에 7 μs 느려진다. 따라서 인공위성의 시간은 38 μs 빨라지기 때문에 이 시간을 보정해야 한다. 이 차이를 무시하면 38 μs 동안 전파는 11 ㎞나 진행하기 때문에 무려 11 ㎞의 위치의 오차가 생겨 네비게이션은 쓸모가 없게 된다. 아인슈타인의 상대성이론은 우리와는 동떨어진 이론인 것 같지만, 일상생활에 깊숙이 자리잡고 있는 것이다.










상대성 이론에 의한 인공위성의 시간 보정




윤년, 윤달, 윤초
일 년은 지구가 태양의 주위를 도는 365.242일로서 약 365.25일이다. 따라서 4년에 하루가 늘어나기 때문에 달력을 만들 때 4년마다 2월에 하루를 더한다. 즉 4로 나누어지는 해의 2월은 29일이며 일 년은 366일이 된다. 29일이 있는 달을 윤달이라 한다. 또한 세월이 흐르면서 0.25일과 0.242일 간의 차이가 쌓이기 때문에 정확하게 100으로 나누어지는 해는 2월에 하루는 더하지 않고, 400으로 나누어지는 해에만 하루를 더했다. 이러한 해를 윤년이라 한다. 즉 1600과 2000년에는 2월이 29일까지 있지만, 1700, 1800, 1900년에는 윤달이 없는 것이다. 양력 윤달과는 달리 1년이 약 354일인 음력은 불규칙적이며 정해진 규칙이 없다. 이러한 11일의 차이를 해소하기 19년에 7번 정도 음력 윤달을 둔다. 이러한 해의 음력은 13개월이다. 윤초란 지구의 자전에 걸리는 시간이 몇 년에 걸쳐 1초씩 길어지는 것을 보정하기 위해 1초를 더하는 것이다. 1967년, 시간의 정의가 원자시로 바뀌면서 지구의 자전 및 공전의 속도가 일정치 않고 원자시와 태양시가 조금씩 다른 것이 알려졌다. 이에 1972년부터 거의 매년 1초의 윤초가 도입되고 있는 것이다.




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