제2차 세계대전이 끝나고 우리나라가 독립했을 때는 정말 가난했다. 설상가상으로 한국전쟁으로 인하여 국토가 많이 훼손되어 가난한 시절이 계속되었다.
필자는 1954년도에 서울대 물리학과에 입학했다. 졸업하고 미국 유학을 다녀와서 서울대 물리학과 교수가 되고 지금도 명예교수로서 일주일에 한두번은 서울대에 나가고 있다. 60년이 넘는 긴 세월동안 물리학이란 과학은 나에게 많은 것을 안겨 주었다. 교수 월급으로 생활을 했고, 더더욱 고마운 것은 물리학은 대한민국과학기술상 과학상(1993년도)과 과학기술최고 훈장인 창조장(2008년)까지 안겨주었다. 이렇게 나에게 물리학은 이 세상의 무엇보다 귀하고 고마운 존재이다. 하지만 이렇게 좋은 물리학이 이제 점점 외면당하는 느낌을 지울 수 없다.
이공계 가운데에서도 돈이 별로 안 된다고 생각되는 자연과학[수학 물리 화학 생명과학(동·식물 및 분자생물학 등) 그리고 천문, 기상 지질 및 계산과학] 은 외면당하고 있다. 물론 돈이 있어야 산다. 그러나 그보다 더 중요한 것은 사람과 사람들의 정이라고 생각한다. 너무 옆길로 흘렀는데, 시간 이야기로 돌아가자.
정확한 시계의 개발이 필요한 이유
그 옛날 우리가 알고 있는 시계는 벽시계였고, 이는 하루에 15초 정도 오차를 가지는 정확도를 가지고 있었다. 1920년이 되면서 수정(Quartz )의 진동수를 이용한 손목시계가 가능하다는 생각이 과학자들 사이에 떠올랐고, 1970년대(?)에는 실용화 되었다. Quarts 시계는 24시간에 1초 정도의 정확도를 가진다.
1950년경 과학계에서는 표준시계로써 원자의 진동을 이용하기 시작했다. 세슘(Cesium)원자 시계는 1000만년에 1초 정도 오차를 가지고 있다. 그런데 지난 4월 ‘네이처’(Nature Communication 21 April 2015)에 스트론튬(Strontium)원자 시계가 150억년에 1초 정도의 정확도를 달성했다는 연구결과가 발표됐다. 이는 430조 분의 1의 정확도를 가지는 시계라는 것이다. 무엇 때문에 이렇게 정확한 시계의 개발이 필요할까?
우선 떠오르는 것이 GPS(위성항법장치)이다. GPS를 이용한 자동차의 ‘내비게이션’은 위성과의 거리를 빛이 왕복하는데 걸리는 시간으로 재고 있다. 잘 알려져 있는 것처럼, 이 시간은 중력이 강할수록 늦어지고 속도가 빠르면 역시 늦어진다. 중력과 시간의 관계를 좀 더 설명하면 이렇다.
위 그림의 왼쪽에서 정지해 있는 로켓 속에서 빛이 왼쪽 벽에서 오른쪽 벽까지 가는 거리는 로켓 벽의 폭과 같다. 그런데 중력이 없는 우주공간에서 지구의 중력가속도와 맞먹는 힘으로 쏘아 올리면 빛의 행로는 오른쪽처럼 보일 것이다. 따라서 빛이 간 거리가 더 길어진다.
그런데 빛의 속도는 빛을 내는 물체나 또는 관측하는 사람의 운동에 아무 관계 없이 일정하다는 것이 그 유명한 마이켈슨-몰리 실험(Michelson-Morley experiment)에서 증명된 바 있다. 이들은 1907년 노벨물리학상을 수상하기도 했다. 정지해 있을 때보다 중력가속도로 올라가는 로켓 속에서의 빛의 행로가 더 긴데, 빛의 속도는 운동과의 관계가 없이 일정하므로 시간은(거리/속도 이므로) 더 길어진다. 즉, 가속도를 가지고 운동하는 로켓 속의 시간은 더 느리게 간다. 이해하기어려우면 그저 중력이 잡아당겨서 시간이 늘어난다고 생각하면 된다.
중력이 강한 곳에서는 시간이 늦게 흘러
이런 원리 때문에 중력이 강한 곳에서는 시간은 느리다. 그림에서 보는 것처럼 아주 정확한 시계는 옆에 있는 물체의 무게로 생기는 중력의 영향을 받아 늦게 간다. 얼마나 늦게 가는가를 가늠하면 물체의 무게를 계산할 수 있다. “무게는 몇 시입니까?”라는 말이 결코 모순된 말이 아닌 것이다.
시간을 정확히 측정하여 이런 원리에 따라 지하에 묻혀있는 광물의 위치를 알아내는 GPS가 개발되고 있고 지금은 상상조차 할 수 없는 과학적인 이용이 기다리고 있다. 이렇게 시간의 이용이 넓어지면서 전 세계의 연구소들이 더 정확한 시계의 개발에 나서고 있다. 현재는 세슘 원자시계를 표준시계로 쓰고 있지만 스트론튬, 알루미늄, 수은 및 수소를 사용하는 시계도 전 세계에서 경쟁적으로 연구하고 있다.
여담이지만 창세기에는 시간이 매우 늦게 갔다. 현재 우주의 질량이 티끌보다 작은 공간에 모여 있었다. 원자핵보다 작은 빅뱅(Big Bang)의 순간의 공간에서는 거리의 역자승에 비례하는 중력은 작은 공간이기 때문에 크고, 또 현재 우주의 전 질량이 모여 있었기 때문에 굉장히 중력이 강했다. 어려운 수식을 써서 계산해보면 창세기의 첫날은 오늘의 지구시간으로 환산하면 약 70억년이 된다. 이런 말을 믿는 독자가 과연 몇 명이 될지 궁금하기도 하다.
필자는 1954년도에 서울대 물리학과에 입학했다. 졸업하고 미국 유학을 다녀와서 서울대 물리학과 교수가 되고 지금도 명예교수로서 일주일에 한두번은 서울대에 나가고 있다. 60년이 넘는 긴 세월동안 물리학이란 과학은 나에게 많은 것을 안겨 주었다. 교수 월급으로 생활을 했고, 더더욱 고마운 것은 물리학은 대한민국과학기술상 과학상(1993년도)과 과학기술최고 훈장인 창조장(2008년)까지 안겨주었다. 이렇게 나에게 물리학은 이 세상의 무엇보다 귀하고 고마운 존재이다. 하지만 이렇게 좋은 물리학이 이제 점점 외면당하는 느낌을 지울 수 없다.
이공계 가운데에서도 돈이 별로 안 된다고 생각되는 자연과학[수학 물리 화학 생명과학(동·식물 및 분자생물학 등) 그리고 천문, 기상 지질 및 계산과학] 은 외면당하고 있다. 물론 돈이 있어야 산다. 그러나 그보다 더 중요한 것은 사람과 사람들의 정이라고 생각한다. 너무 옆길로 흘렀는데, 시간 이야기로 돌아가자.
정확한 시계의 개발이 필요한 이유
그 옛날 우리가 알고 있는 시계는 벽시계였고, 이는 하루에 15초 정도 오차를 가지는 정확도를 가지고 있었다. 1920년이 되면서 수정(Quartz )의 진동수를 이용한 손목시계가 가능하다는 생각이 과학자들 사이에 떠올랐고, 1970년대(?)에는 실용화 되었다. Quarts 시계는 24시간에 1초 정도의 정확도를 가진다.
1950년경 과학계에서는 표준시계로써 원자의 진동을 이용하기 시작했다. 세슘(Cesium)원자 시계는 1000만년에 1초 정도 오차를 가지고 있다. 그런데 지난 4월 ‘네이처’(Nature Communication 21 April 2015)에 스트론튬(Strontium)원자 시계가 150억년에 1초 정도의 정확도를 달성했다는 연구결과가 발표됐다. 이는 430조 분의 1의 정확도를 가지는 시계라는 것이다. 무엇 때문에 이렇게 정확한 시계의 개발이 필요할까?
우선 떠오르는 것이 GPS(위성항법장치)이다. GPS를 이용한 자동차의 ‘내비게이션’은 위성과의 거리를 빛이 왕복하는데 걸리는 시간으로 재고 있다. 잘 알려져 있는 것처럼, 이 시간은 중력이 강할수록 늦어지고 속도가 빠르면 역시 늦어진다. 중력과 시간의 관계를 좀 더 설명하면 이렇다.
빛의 궤적 ⓒ AIP
그런데 빛의 속도는 빛을 내는 물체나 또는 관측하는 사람의 운동에 아무 관계 없이 일정하다는 것이 그 유명한 마이켈슨-몰리 실험(Michelson-Morley experiment)에서 증명된 바 있다. 이들은 1907년 노벨물리학상을 수상하기도 했다. 정지해 있을 때보다 중력가속도로 올라가는 로켓 속에서의 빛의 행로가 더 긴데, 빛의 속도는 운동과의 관계가 없이 일정하므로 시간은(거리/속도 이므로) 더 길어진다. 즉, 가속도를 가지고 운동하는 로켓 속의 시간은 더 느리게 간다. 이해하기어려우면 그저 중력이 잡아당겨서 시간이 늘어난다고 생각하면 된다.
중력이 강한 곳에서는 시간이 늦게 흘러
이런 원리 때문에 중력이 강한 곳에서는 시간은 느리다. 그림에서 보는 것처럼 아주 정확한 시계는 옆에 있는 물체의 무게로 생기는 중력의 영향을 받아 늦게 간다. 얼마나 늦게 가는가를 가늠하면 물체의 무게를 계산할 수 있다. “무게는 몇 시입니까?”라는 말이 결코 모순된 말이 아닌 것이다.
무게는 몇 시입니까? ⓒ Holger Muler Lab, Berkley
여담이지만 창세기에는 시간이 매우 늦게 갔다. 현재 우주의 질량이 티끌보다 작은 공간에 모여 있었다. 원자핵보다 작은 빅뱅(Big Bang)의 순간의 공간에서는 거리의 역자승에 비례하는 중력은 작은 공간이기 때문에 크고, 또 현재 우주의 전 질량이 모여 있었기 때문에 굉장히 중력이 강했다. 어려운 수식을 써서 계산해보면 창세기의 첫날은 오늘의 지구시간으로 환산하면 약 70억년이 된다. 이런 말을 믿는 독자가 과연 몇 명이 될지 궁금하기도 하다.
430조 분의 1의 정확도를 가지는 시계. ⓒ NIST
- ScienceTimes
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