차세대 시간 측정 반영 - 원자시계 구동에는 진공이 필수적입니다

차세대 시간 측정 반영 - 원자시계 구동에는 진공이 필수적입니다

자유원자를 이용한 진공챔버가 오늘날 가장 정밀한 시간을 측정하게 하는 핵심기술입니다. 레이저 펄스는 최신식 원자 시계에서 타이밍을 생성하는 기능을 갖습니다. 레이저 펄스는 놀랄 정도로 정밀합니다.

시간이란 무엇일까요? 물리학자도, 철학자도 답하기 힘든 질문입니다. 하지만 사람들은 시간 간격을 최대한 정밀하게 나누고 측정하는 것을 중단하지 않습니다. 고대의 해시계나 중세의 기계식 시계탑과 같은 시간 측정 장치는 시간을 측정하는 방식에 있어 각 시대를 대변하는 지표입니다. 수학자이자 물리학자인 크리스티안 호이겐스(Christian Huygens)에 의하여 가장 진전이 되는 기술적 발전이 일어났습니다. 호이겐스는 처음으로 시간, 분, 초로 되는 진자시계를 소개했습니다. 이후 더 정밀한 측정 도구가 계속 개발되었습니다. 오늘날, 세슘 원자 시계가 세계 표준시의 기준이며, 오차는 3,000만 년마다 단 1초입니다.

세계 표준시의 기준인 세슘 원자 시계

이 현대적인 시계에는 진자나 시곗바늘이 없습니다. 대신, 세슘의 원자가 시간을 "측정"합니다. 저압에서는 원자가 서로 충돌하지 않고 고에너지 상태에서 챔버로 들어옵니다. 저압은 원자가 서로 충돌하지 않고 높은 에너지로 챔버를 통과하도록 합니다. 그 후 원자는 마이크로파 방사선에 노출됩니다. 물리학자들이 공진 주파수라고 부르는 특정 주파수에서 일부 원자가 에너지 상태가 바뀌어 여기 상태로 존재합니다. 원자는 "들뜬" 상태가 되고 검출기는 그러한 원자의 수를 셉니다.

세슘 원자가 가장 많이 여기상태로 변할때까지 마이크로파 주파수가 조정됩니다. 이는 9,192,631,770헤르츠에서 안정적으로 발생하며 초당 90억 회 이상의 진동이 발생합니다. 역으로, 이 수에 도달하면 1초가 지나갑니다. 그래서 세슘의 원자진동이 SI 국제단위 체계에서 1초의 길이를 정의하는 기준입니다.

레이저로 훨씬 정밀하게

세슘 방사능 시계뿐만 아니라 세슘 분수 시계도 오늘날 세계 표준시의 기준으로 사용합니다. 이 시계에서 세슘 원자는 마이크로파로 방사되기 전에 분수처럼 진공 챔버로 들어갑니다. 원자의 공진 주파수를 이러한 방식으로 훨씬 더 정밀하게 결정할 수 있기 때문에 분수 시계의 오차는 4천만 년에 고작 1초밖에 되지 않습니다. 

예를 들어, 스트론튬 또는 이터븀 원자를 사용하는 광학 원자 시계는 훨씬 더 정밀합니다. 마이크로파 대신 원자를 초고진공 상태에서 레이저를 쏘아 여기 상태로 만듭니다. 원자 1개의 에너지 상태가 변할 때 발생하는 빛의 주파수를 1초 길이에 대한 기준으로 사용합니다. 주파수가 더 높고 전자 전이 주파수가 더 빠른 경우에는 시간을 더 작은 간격으로 나눌 수 있습니다. 광학 시계는 세슘 시계보다 훨씬 더 빠르고 정확한 간격으로 시간을 "측정"합니다. 광학 시계가 세계 표준시의 기준이 되려면 우리가 초로 알고 있는 시간의 단위를 다시 정의해야 합니다. 프로세스와 관계없이 모든 종류의 원자 시계에는 기준 원자에 대한 진공 챔버가 필요합니다.


무선 제어 시계 및 기차역 시계의 시간을 설정하는 등 원자 시계가 일상생활의 리듬을 오랫동안 설정해 왔다는 사실을 알고 있는 사람은 거의 없습니다. 원자 시계가 없다면 GPS 시스템은 신뢰할 수 없는 내비게이션이 됩니다. 자동차의 내비게이션 시스템과 같은 GPS 수신기는 각각의 위치와 시간을 전송하는 GPS 위성에서 지속적으로 정보를 받기 때문입니다. 수신기는 3개 위성이 제공하는 데이터를 활용하여 신호의 송신과 수신 사이의 차이를 계산하여 정확한 위치를 찾습니다. 100만분의 1초 밖에 안 되는 편차가 300미터의 계기값 차이를 발생시킵니다.

또한, 원자 시계는 고속 데이터 네트워크의 동기화에도 필요합니다. 긴 광학 유리 섬유 전송선은 송수신이 매우 정확하게 조정되어야 데이터 혼란을 막을 수 있습니다.

고도의 정확한 시간 측정은 측지 응용 분야 및 기초 연구에도 필요합니다. 최신 원자 시계는 지구의 중력에 의해 시간이 어떻게 연장되는가에 대한 아인슈타인의 가설을 검증하거나 암흑 물질을 발견하는 데에도 도움을 줄 수 있습니다.


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