현재 시간을 정의하는 슈퍼 시계

우리는 어떻게 시간을... 정확히 알 수 있습니까? 이 질문은 처음 나타나는 것보다 더 복잡하다고  말합니다. 나는 런던의 한 연구실 안에 있는 경고 표지판을 보고 있습니다. "메이저를 만지지 마십시오"라고 쓰여 있습니다. 강철 보호 케이스에 장착된 바퀴가 달린 키가 큰 블랙 박스에 부착되어 있습니다.

그것은 꽤 중요한 상자라는 것이 밝혀졌고, 그 표시가 거기에 이유가 있습니다. 위험하지는 않지만, 장치에 손을 대면 시간 자체를 방해할 수 있습니다.

이것은 런던 남서부에 있는 국립 물리 ​​연구소( National Physical Laboratory )에서 개최되는 몇 안 되는 장치 중 하나로서 세계가 초, 분, 시간에 대한 정확한 공유 감각을 갖도록 돕습니다. 그들은 수소 메이저라고 불리며 매우 중요한 원자 시계입니다. 전 세계에 배치된 약 400명의 다른 사람들과 함께 이들은 현재 시간을 나노초 단위로 세계가 정의하는 데 도움을 줍니다. 이 시계와 그 주변의 사람, 기술 및 절차가 없으면 현대 세계는 서서히 혼돈 속으로 빠져들 것입니다. 위성 항법에서 휴대폰에 이르기까지 우리가 의존하는 많은 산업과 기술에서 시간은 "숨겨진 유틸리티"입니다.

그렇다면, 우리는 처음에 어떻게 이 공유된 시간 기록 시스템에 도달하게 되었고, 어떻게 정확하게 유지되며, 미래에는 어떻게 발전할 수 있을까요? 답은 문자판 너머로 실제로 시간이 몇 시인지 알아보는 것과 관련이 있습니다. 조금 더 깊이 파고들면 시간이 처음 나타나는 것보다 더 인간적인 구성이라는 것을 곧 알게 될 것입니다.

 

세상의 모든 사람이 항상 같은 시간을 지킨 것은 아닙니다. 수세기 동안 그것은 불가능했으며 시간은 가장 가까운 시계에 의해서만 지역적으로 정의될 수 있었습니다. 어떤 곳은 정오였지만 길을 따라가면 12시 15분이었다. 1800년대까지만 해도 미국은 도시와 지역 철도 관리자가 정의한 수백 가지의 다른 시간 표준 으로 운영되었습니다.

그 이유 중 일부는 지구를 가로질러는 고사하고 한 국가의 모든 시계를 동기화할 수 있는 실행 가능한 방법이 없었기 때문입니다. 인류 역사의 많은 부분에서 이것은 중요하지 않았습니다. 사람들은 필요할 때 일하고 멀리 여행하지 않았으며 시간을 알고 싶다면 가까운 해시계, 도시 시계를 확인하거나 교회에 귀를 기울이면 알 수 있습니다. 종, 또는 기도에 대한 부름.

Greenwich에서 떨어지는 빨간 공은 매일 13:00 런던 전역에 시간을 전파하는 데 사용되었으며 Shepherd Gate Clock은 GMT를 대중에게 직접 보여주었습니다 (Credit: Alamy)

그러나 산업화 시대가 도래하면서 이러한 상황은 계속될 수 없다는 것이 분명해졌습니다. 어떤 경우에는 치명적이었습니다. 예를 들어, 1800년대 중반 뉴잉글랜드에서 두 열차가 정면으로 충돌하여 14명이 사망했습니다. 차장 중 한 명이 동료의 시계와 맞지 않는 " 불량 빌린 시계 "를 사용하고 있었기 때문입니다.

효율적으로 운영하기 위해 성장하는 경제는 정확한 시간에 대한 더 나은 공유 감각이 필요했습니다. 즉, 공장이 동일한 시간에 인력을 고용하고 기차가 예정된 시간에 출발 및 도착하고 은행가가 금융 거래에 타임스탬프를 찍을 수 있도록 하기 위함입니다.

산업혁명의 가장 중요한 기계는 증기기관이 아니라 시계였다

역사가 루이스 멈포드(Lewis Mumford)가 한 번 언급했듯이 산업 혁명의 가장 중요한 기계는 증기 기관이 아니라 시계였습니다. 증기 엔진은 공장과 운송에 동력을 제공했지만 사람과 활동을 동기화할 수 없었습니다.

한동안 이 새로운 공유 시간의 최고 중재자는 런던의 그리니치였습니다. 그곳에 보관된 고급 기계식 시계 는 "실제" 시간인 그리니치 표준시(GMT)를 보여주었습니다. 1833년에 계시원은 런던의 왕립 그리니치 천문대에서 돛대에 공을 추가했습니다. 매일 13:00에 떨어지므로 상인, 공장 및 은행이 표류하는 시계를 다시 조정할 수 있습니다.

몇 년 후 GMT는 전보를 통해 전국적으로 "철도 시간"으로 배포되어 전체 영국 기차 네트워크가 정렬되도록 했습니다. 1880년대에 그리니치 시간 신호는 해저 케이블을 통해 대서양을 건너 매사추세츠주 케임브리지에 있는 하버드로 전송되었습니다. 그리고 워싱턴 DC에서 열린 국제 자오선 회의(International Meridian Conference)에서 25개 이상의 국가에서 GMT를 국제 표준시로 지정하기로 결정했습니다.

그러나 수십 년이 지나면서 시간을 동기화하는 더 나은 방법이 필요하다는 것이 분명해졌습니다. 그리니치의 계시원은 세계에서 가장 정확한 시계를 작동한다고 주장했지만 신뢰할 수 없는 기준, 즉 지구가 한 바퀴 자전하는 데 걸리는 시간을 기반으로 계산했습니다.

정확한 시간을 전달하기 위해 모든 시계는 진동하는 진자든 수정 수정의 전자 진동이든 간에 주기적으로 반복되는 프로세스가 필요합니다. 그리니치의 시계는 하루 후에 태양이 하늘에서 같은 위치에 도달하는 데 걸리는 시간을 사용하여 보정되었습니다. 따라서 그들의 진자는 겉보기에 예측 가능한 속도로 회전하는 지구 그 자체였습니다. (이것은 1928년 GMT를 대체한 세계시에도 적용되었습니다.) 

그러나 20세기에 과학자들은 달, 태양 및 기타 행성의 중력 효과, 핵과 맨틀 내의 지질학적 이동, 심지어 해양 및 기후 변화로 인해 우리 행성의 자전 속도가 빨라졌다 느려 졌다는 것을 깨달았습니다. 1900년에는 21세기 전환기에 비해 평균적으로 거의 4밀리초 더 느리게 회전했습니다. 따라서 세계 최고의 계시원은 평균적인 시계나 할아버지 시계보다 정확도가 더 높다고 주장할 수 있지만 "진정한" 시간에 대해서는 그들 자신이 틀렸습니다.

 

원자 시간

같은 시기에 양자 물리학자들은 원자가 지구의 자전보다 훨씬 더 나은 시간 측정 방법을 포함할 수 있다고 제안했습니다. 특정 주파수의 전자기 복사를 원자에 적용하면 에너지 준위가 변경됩니다. 전자 카운터를 사용하여 이러한 전환을 추적할 수 있습니다. 흔들리는 진자처럼 이것은 시간 척도를 계산하는 안정적인 주기적 프로세스를 만듭니다. 그것은 "원자 시계"의 기초가 될 것입니다. 

원자 시계는 지구의 자전을 기반으로 하는 어떤 시계보다 훨씬 더 정확하게 시간을 유지합니다. 사실 너무 정확하여 세계가 원자 시계를 기반으로 하면 결국 시간이 밤과 낮에서 출발하여 태양이 18:00에 뜰 것입니다. 저녁. 이것이 바로 세계의 타임키퍼가 윤초 를 아주 자주 추가하는 이유입니다.

1950년대 중반의 초기 원자시계 "메이저"(제공: Getty Images)

런던 NPL에 있는 수소 메이저는 세계에서 가장 중요한 원자 시계 중 하나입니다. 국가 계측 기관에서 운영하는 전 세계적으로 수백 개가 더 있으며 그들은 우리 모두에게 새로운 시간 중재자입니다. 그러나 시간을 읽는 것만큼 간단하지 않습니다. 국소 중력 효과 또는 전자 장치 간의 차이와 같은 이유로 완벽한 원자 시계는 없습니다.

따라서 계측 전문가는 이러한 불완전성을 제거해야 합니다. 작동 방식은 다음과 같습니다. NPL과 같은 연구소는 원자 시계 뱅크(수소 메이저)에서 타이밍 정보를 기록하고 개선합니다. 시계가 표류하는 것처럼 보이면 이따금 수정을 적용합니다(계측학자는 이것을 "조향"이라고 부르며 별도의 장비를 사용하여 수행합니다. 초의 길이를 정의하는 데 사용됩니다. 나중에 다시 설명하겠습니다.) 

그런 다음 NPL은 이를 파리의 국제도량형국(BIPM)에 보냅니다. BIPM의 계시원은 이러한 모든 측정의 평균을 생성하여 더 나은 성능의 시계에 추가 가중치를 부여합니다. 추가 조정이 이루어지며 결국 이 프로세스는 국제 원자 시간(TAI - Temps Atomique International)이라고 하는 시간을 표시합니다.

한 달에 한 번 BIPM은 "Circular-T"라는 매우 중요한 문서에서 TAI를 보냅니다( 최신 문서는 여기에서 다운로드할 수 있습니다 .) 이 문서를 통해 국립 연구소는 시계를 다시 조정하고 결정적으로 정확한 시간을 그것을 필요로 하는 산업. 영국의 경우 NPL이 하는 일이지만 미국의 경우 국립 표준 기술 연구소(National Institute of Standards and Technology )이며 전 세계적으로 더 많은 곳이 있습니다. Circular-T는 본질적으로 그리니치에서 공을 떨어뜨리는 것과 같은 현대의 정보를 제공합니다.

고주파 거래로 금융 시장은 이제 매우 정확한 시간에 의존합니다(Credit: Alamy)

대부분의 사람들은 나노초까지 시간을 알 필요가 없지만 많은 산업과 기술에서는 알 필요가 있습니다. NPL의 측량학자 Patrick Gill은 "위성 탐색은 아마도 가장 보편적인 고정밀 요구 사항 중 하나이지만 다른 요구 사항도 있습니다."라고 말합니다. "통신 동기화, 에너지 분배 및 금융 거래 모두 고정밀 시간이 필요합니다." 새로운 기술은 또한 추가 요구 사항을 가져옵니다. 예를 들어 자율 주행 차량을 안내하는 내비게이션 기술과 같이 5G 네트워크는 정밀한 동기화를 기반으로 구축됩니다.

그러나 문제는 TAI가 여전히 가상의 "진정한" 시계 시간의 구성물이라는 점입니다. 즉, 세계가 단지 유지하기로 동의한 측정값입니다. 그것은 단지 많은 다른 원자 시계의 가중 평균이기 때문만은 아닙니다. 각각은 약간 다른 판독값을 제공합니다. 또 다른 이유가 있으며 근본적인 질문으로 귀결됩니다. 정확히 초가 무엇입니까? 수년에 걸쳐 이 SI 단위의 정의가 변경되었으며 따라서 시간에 대한 정의도 변경되었습니다. 게다가 조만간 또 바뀔 수도 있다.

 

두 번째 재정의

 

초는 평균 태양일의 1/86,400으로 정의되었습니다. 즉, 태양이 정오에 하늘의 같은 지점에 도달하는 데 걸리는 평균 시간으로 약 24시간이 걸립니다. 다시 말해서, 그것은 우리가 지금 알고 있는 불규칙한 지구의 자전을 기반으로 했습니다. 따라서 이 정의에 따르면 두 번째는 행성의 평균 자전이 더 빨랐던 1930년보다 1900년에 더 길었을 것입니다. (도량형학자들은 한때 킬로그램에 대해 비슷한 문제를 겪었습니다. 그것은 파리의 금고에 보관된 금속 블록을 기반으로 했지만 시간이 지남에 따라 설명할 수 없이 변할 것이기 때문에 모든 사람의 킬로그램 정의도 마찬가지였습니다.)

20세기 중반에 도량형학자들은 이것이 불가능하다고 결정했습니다. 그래서 그들은 시간에 대한 새로운 정의를 만들었습니다 . 1967년에 두 번째는 교란되지 않은 세슘 바닥 상태 초미세 전이의 고정된 수치 값을 대신 기반으로 해야 한다고 결정되었습니다. Gill은 "조금 한 입입니다."라고 인정합니다. 그래서, 그것은 무엇을 의미합니까?

기본적으로 모든 시간 기록의 기초인 또 다른 주기적 반복 프로세스입니다. 세슘 원자를 마이크로파에 담그면 원자 내의 에너지 수준에 따라 달라지는 특정 주파수로 더 많은 전자기 복사를 방출합니다. 진자 스윙을 세는 것과 같이 이 주파수를 측정하여 시간 경과를 측정할 수 있습니다.

국립물리연구소 원자시계가 작동하는 방 내부(출처: Alamy)

 

NPL의 과학자들은 이것을 세슘 분수라고 합니다. "우리는 빛을 사용하여 원자를 공기 중으로 약 0.5미터 높이 던지고 중력에 의해 다시 떨어집니다. 그런 다음 조정 가능한 마이크로파를 사용하여 분수를 조사할 수 있습니다."라고 Gill은 설명합니다. 분수 설정이 필요한 이유는 "가능한 한 방해받지 않고 원자를 만들고 싶기 때문입니다. 전기와 같은 다른 수단으로 원자를 잡고 있거나 빛을 사용하여 고정하면 주파수가 변경됩니다."

이 정의는 세슘이 동위원소로 신뢰할 수 있기 때문에 선택되었습니다. 샘플의 거의 모든 원자는 동일한 방식으로 전자기 복사에 반응합니다. 또한 20세기에는 마이크로파 주파수가 전자기 스펙트럼의 더 높은 주파수보다 더 정확하고 안정적으로 측정될 수 있었습니다. 그것은 아마도 스톱워치로 자신의 심장 박동을 측정하는 방법과 유사하지만 파리의 날개 주파수를 측정하려면 더 고급 기술이 필요합니다.

수십 년 동안 이 정의는 굳건히 유지되었습니다. Gill은 "표준이 5분마다 바뀌지 않는다는 것을 의미하기 때문에 이는 매우 좋은 것이며, 이는 계측에서 중요합니다."라고 말합니다. 그리고 NPL 및 BIPM에서 Circular-T와 같은 문서에 대한 계산을 뒷받침하는 데 사용됩니다.

그러나 과학이 발전하고 새로운 기술에 보다 정확한 시간이 요구됨에 따라 도량형학자들은 두 번째에 대한 새로운 정의를 고려하기 시작했습니다. 2030년대에 하룻밤 사이에 일어나지는 않겠지만 1960년대 이후로 공유 시간 기록에 가장 큰 변화를 가져올 것입니다.

NPL의 물리학자 Anne Curtis는 "두 번째가 세슘의 마이크로파 전이로 정의되었을 때에도 광학 주파수로 이동하면 더 나은 클럭을 만들 수 있다는 것을 이미 이해했습니다."라고 설명합니다. "광 주파수는 수백 테라헤르츠에서 훨씬 더 빠르게 진동합니다. 초당 수십조 개의 진동입니다."

높은 주파수가 더 좋은 이유는 무엇입니까? Curtis는 "왜 그것이 중요한지 생각할 수 있는 방법은 유한한 수의 선이 있는 자를 생각하는 것입니다."라고 설명합니다. 따라서 표준 눈금자에는 밀리미터가 표시되지만 예를 들어 마이크로미터는 표시되지 않습니다. "선의 수를 4배 늘리면 분명히 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있습니다."

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시간의 폭정

어떤 사람들에게는 시계 시간이 어두운 면을 가지고 있습니다 . 시계에 맞춰 생활하면 동반자가 아니라 주인이 된다고 합니다. 사회학자 Barbara Adam 은 산업이 시간을 통제할 때 시간은 "조작, 관리 및 통제가 가능하고 상품화, 할당, 사용 및 남용의 대상이 되는 정량화 가능한 자원"이 되었다고 주장했습니다. 비산업 문화는 종종 시간을 다르게 생각합니다. 누군가에게는 오르막으로 흐르고 누군가 에게는 선보다 호수 에 더 가깝고 누군가에게는 미래 가 뒤에  있고 과거가 앞에 있습니다. 시간은 "사용"하거나 "낭비"할 수 있는 상품으로 간주되지 않습니다.

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NPL은 중성 스트론튬 원자를 기반으로 한 광학 시계를 레이저로 개발 중입니다. (Credit: NPL)

따라서 NPL과 같은 실험실에서 과학자들은 현재 새로운 광학 기술을 실험하고 있으며 앞으로 10년 정도 이내에 두 번째 기술이 새로운 정의를 얻게 될 것이라는 희망을 품고 있습니다.

훨씬 더 많은 테스트가 먼저 필요합니다. Curtis는 "사용 가능하고 실용적이며 전 세계의 모든 국가 계측 연구소에서 실현 가능한 정의를 만들어야 합니다."라고 말합니다. "따라서 한 그룹만이 할 수 있는 맞춤식 일이 될 수 없습니다. 그리고 그들이 정말로 잘한다면, 우리는 보편적으로 재정의라고 부를 수 있는 것이어야 합니다."

 

구성으로서의 시간

 

그렇다면 나머지 우리는 이 모든 것을 어떻게 해야 할까요? 하나는 놀라운 진실을 보여줍니다. 지구에는 완벽하게 안정적이거나 정확한 속도로 작동할 수 있는 시계는 없습니다. 이것은 사람들이 해시계를 사용했을 때 사실이었고 오늘날에도 여전히 사실입니다. 심지어 원자 시계를 사용하는 경우에도 마찬가지입니다.

예를 들어, 두 번째는 우리가 사용할 수 있는 기술과 결정을 내리는 데 책임이 있는 도량형 전문가 그룹에 따라 정의됩니다. 원자 시계는 아무리 정확하더라도 여전히 "조향"이 필요합니다. 그리고 도량형 학자들이 시간 척도에 윤초를 추가하는 것과 같은 작업을 수행할 때, 그들은 인간의 필요에 따라 시간을 조정하는 것입니다. 즉, 아침에 일출을 즐기는 것과 같은 일부 항목이 동일하게 유지되도록 하기 위해서입니다.

시계 시간은 우리가 동의 하는 것입니다 . 그것은 진정한 시간이 아닙니다.

그러나 이 합의는 현대 사회에서 살아가고 일하기 위해 반드시 필요한 것입니다. 모든 시간이 현지에서 정의되던 시절로 돌아간다면 우리 기술의 많은 부분이 작동을 멈추고 기차가 추락하고 금융 시장이 붕괴될 것입니다. 좋든 싫든 세상은 시계 시간을 기반으로 합니다.

그러나 이 구성의 기초가 실제로 무엇인지 고려하는 것은 밝을 수 있습니다. 도량형학자처럼 시간에 대해 생각하면 시간은 완전히 달라집니다.

NPL로 돌아가서 "메이저를 만지지 마십시오"라는 표시를 읽으면서 나는 주변을 보여주는 한 과학자에게 그가 시간을 잘 지키는지 물어봅니다. 예를 들어 그가 개인적으로 시간을 엄수합니까? "오, 나는 나노초 단위로 생각합니다." 그가 대답합니다.