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Nikkei X-TECH_2021.1.29

노벨상 후보인 초고정밀도 시계
일본의 기술로 세계의 견해가 바뀔까？

작년 노벨 물리학상 후보로서 기대를 받은 일본의 기술이 있다. 300억년에 불과 1초밖에 오차가 발생하지 않는 초고정밀도 ‘광격자 시계’다. 광격자 시계의 임팩트는 다음 1초의 기준을 결정하는 유력 방식만이 아니다. 정밀도에 따라 우리들이 생활하는 일상 공간의 시간의 흐름이 동일하지 않다는 것을 측정할 수 있게 되었다. 광격자 시계는 기존 세계의 견해를 바꾼 망원경이나 현미경의 발명에 필적하는 사회적인 임팩트를 초래할지도 모른다.

“광격자 시계는 시간에 대한 망원경이나 현미경과 같은 존재가 될지도 모른다”. 광격자 시계를 발명한 도쿄대학의 가토리(香取) 교수는 이렇게 말한다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 동력의 영향이 크면 클수록 시간의 흐름은 늦어진다. 이론적으로는 상공보다도 지상이 지구의 중력이 강하기 때문에 지상 쪽이 시간도 아주 미세하지만 천천히 흐른다.

그러나 현재 1초의 기준을 결정하고 있는 세슘을 이용한 원자 시계의 정밀도로는 이러한 일상생활에서의 중력에 의한 시간의 흐름 차이를 측정하는 것이 어렵다. 세슘을 이용한 원자 시계는 현재, 3000만년에 1초의 오차가 발생하는 10의 -15승의 정밀도를 갖는다. 이 정밀도의 경우는 수십 미터의 고저 차가 있어야 비로서 중력에 의한 미세한 시간의 흐름 차이를 관측할 수 있다고 한다.

가토리 교수가 발명한 광격자 시계는 시계의 정밀도를 실제로 10의 -18승, 300억년에 1초 정도의 오차가 발생하는 정밀도까지 높였다. 이렇게까지 높은 정밀도를 실현함으로써, 일상생활의 불과 수 cm의 고저 차라도 중력에 의한 시간의 흐름의 차이를 관측할 수 있게 되었다.

예를 들면 가토리 교수 연구팀이 실시한 2020년의 광격자 시계 실험에서는 일상공간이 중력에 의해 일그러져 있다는 사실을 실제로 계측해서 보였다. 도쿄 스카이트리의 지상 460m 전망대와 지상 층에 각각 광격자 시계를 설치. 전망대에서는 지상 층과 비교해 하루에 4나노초(ns) 시간이 빠르게 흐르고 있다는 것을 알았다. 광격자 시계가 초래한 초고정밀로 인해 시계는 단순히 시간을 새기는 역할을 초월한, 시공간의 일그러짐을 관측한다는 새로운 역할도 담당하게 된다.

-- 계측 시간, 10일에서 3시간으로 --
가토리 교수가 그런 광격자 시계의 아이디어를 고안한 것은 2001년이다. 광격자 시계는 현재의 고정밀도 시계의 바탕이 된 원자 시계의 일종이다. 원자 시계는 원자 주위를 도는 전자가 궤도를 이동할 때 흡수하는 원자 고유의 에너지(진동수)를 레이저로 계측. 진동수는 주기의 역수이기 때문에 그것을 기준으로 극히 정확한 초를 결정한다. 현재 세슘을 이용한 원자 시계에서는 10의 -15승 정도의 정밀도를 갖는다.

그러나 지금까지 원자 시계는 정밀도를 높이기 위해서는 여러 번 반복해서 계측해야만 하는 과제가 있었다. 현재의 최고 정밀도 원자 시계는 100만 회의 계측이 필요하며, 그를 위해서는 10일 정도의 시간이 걸린다고 한다.

가토리 교수가 고안한 광격자 시계는 ‘100만 개의 원자를 동시에 관측한다’는 아이디어로, 시계의 정밀도를 비약적으로 높였다. 다수의 원자를 레이저광으로 가둬두고, 외부의 영향을 받지 않는 상태로 만들어 진동수를 계측한다. 가토리 교수는 “100만개의 원자를 동시에 관측하면 10의 -18승의 정밀도 계측을 1초에 가능하게 될 것이다”라고 말한다. 현재는 1,000~2,000개의 원자를 동시에 관측해, 3시간에서 반나절에 10의 -18승의 정밀도를 계측하게 되었다고 한다.

-- 망원경 발명에 필적 --
일상적으로 시공간의 일그러짐을 관측할 수 있는 광격자 시계는 예전의 망원경의 발명∙발전처럼 세계의 견해를 바꿀지도 모른다. 17세기 초 갈릴레오는 망원경을 개량해 천체 관측의 정밀도를 비약적으로 높였다. 갈릴레오가 발견한 목성 위성은 지금까지 이단으로 여겨왔던 지동설을 확립하는 계기가 되면서 세계의 견해를 일변시켰다.

광격자 시계도 마찬가지로 지금까지의 상식을 초월한 세계상을 인류에게 초래할지도 모른다. 중력에 의한 미세한 시간의 오차를 관측할 수 있다는 것은, 그 시간의 차이로 아주 미세한 고저 차를 관측하는 것도 가능하다는 것이다. 예를 들면, 산 정상과 기슭에 설치한 광격자 시계의 시간 흐름의 차이를 계측함으로써 수 cm 단위의 표고 차를 계측할 수 있다. 지금까지 고저 차는 수준점을 기준으로 조사하는 일이 많은 측량에는 시간이 걸렸었다. 광격자 시계를 사용함으로써 단시간에 측량이 가능하다. 예를 들면 지하의 마그마에 의한 미세한 지표 상승 등을 조사함으로써 지진이나 화산 예측 등에 활용할 수 있는 가능성이 있다.

가토리 교수와 NTT 등은 공동으로 일본 각지에 광격자 시계를 설치해, 중력의 영향 차이로 측지하는 ‘상대론적 측지’라는 새로운 실험에 착수할 계획이다. 20년에는 우선 240km의 광파이버를 이용해 광격자 시계를 링크할 수 있다는 것을 실증했다.

이러한 광격자 시계의 응용 사례는 현단계에서 보이는 상정에 불과하다. “GPS와 같은 기술이 스마트폰에 탑재되고, 그것을 손에 쥐고 이용할 수 있게 되리라고는 발명 당초에는 상정하지 못했을 것이다. 광격자 시계는 이에 필적하는 새로운 산업의 확대를 창출할지도 모른다”(가토리 교수).

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