가장 정확한 원자시계 나왔다…"3000억년에 1초 오차"

암흑물질, 중력파 탐지에 사용

레이저로 원자의 진동수를 세어 정밀한 시간을 측정하는 ‘원자시계’가 다시 한번 업그레이드됐다.

미국 위스콘신대학 연구팀이 스트론튬 원자를 활용해 3000억년마다 1초의 오차가 나는 높은 정확도의 원자시계를 개발했다고 스페이스닷컴 등 외신들이 최근 보도했다.

NIST와 JILA 공동 연구진이 개발한 원자시계 (사진=NIST)

해당 연구를 이끈 시몬 콜코위츠 위스콘신대학 물리학 교수는 "광격자 시계는 이미 세계 최고의 시계이며, 아무도 본 적이 없는 수준의 성능을 얻을 수 있다"며, "우리는 성능을 개선하고 이 향상된 성능으로 지원되는 새로운 애플리케이션을 개발하기 위해 노력하고 있다"고 밝혔다. 이 원자시계는 중력파, 암흑물질 등 물리학 현상을 보다 정확히 측정할 수 있을 것으로 보인다. 

원자 시계는 레이저를 사용해 원자 주위의 전자에 대응하는 주파수를 활용해 시간을 측정한다. 정밀함으로 인해 원자시계는 세계시간의 기본 표준인 협정 세계시로 쓰이며, 물리학에서 정밀한 시간 측정을 위해 사용된다. 가장 널리 사용되는 것은 세슘 기반의 원자시계이며, 이번에 개발된 원자시계는 스트론튬을 이용한 원자시계로 광격자시계라고도 한다.

또, 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 미국 실험철체물리학합동연구소(JILA) 공동 연구진이 현존하는 최고의 원자시계보다 50배 이상 더 정확한 원자시계를 개발했다고 밝혔다. 

연구진은 이번에 개발된 원자시계로 1915년 아인슈타인의 일반 상대성이론에서 제시된 중력에 따른 시간지연(time dilation) 효과를 확인했다고 설명했다.

일반 상대성이론은 중력이 다른 환경에 놓인 두 시계가 다른 속도로 움직인다고 제시하고 있다. 중력에 따라 시간이 다르게 간다는 것이다. 

JILA이 2017년 개발한 또 다른 원자시계의 모습 (사진=JILA)

연구팀은 과거에도 원자시계를 이용해 상대성이론을 여러 차례 확인했지만, 이번에는 더 정확한 측정을 위해 스트론튬 기반의 광격자시계를 사용했고 그 결과 상대성 이론이 제시한 값과 일치한 결과를 얻었다고 밝혔다.

외신들은 정확도로만 보면, 결과값으로맘 보면 JILA 연구진이 개발한 원자시계가 앞서 언급된 위스콘신 매디슨대의 원자시계보다 10배 더 정확한 것으로 알려졌다.

하지만, 위스콘신대학 연구팀은 “자신들이 사용한 레이저가 훨씬 안 좋은 것이었지만, JILA 원자시계와 유사한 성능을 보였다”며 “우리가 사용한 레이저가 일반 현장에서 사용되는 것과 유사해 더 많이 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이 두 연구결과는 최근 과학학술지 네이처에 나란히 발표됐다.