1. 개요
原子時計 / Atomic clock원자시계는 원자의 고유진동주파수를 이용한 시계이다.
사진은 미국의 원자시계인 NIST-F1이며 은색관에 원자가 들어간다.
2. 원리
원자는 들뜸과 바닥상태를 반복하는데, 외부작용이 없으면 이 주기는 고유하다. 따라서 이 현상을 이용하면 매우 정밀하게 시간을 잴 수 있다.수정발진기에서 나온 전파는 원자가 흡수하는데 이 때 전파의 주파수와 원자의 고유진동주파수가 일치할 때 흡수정도가 최대가 된다. 이때를 고유진동주파수로 정하고 이 때의 진동주기를 측정하면 시간을 측정할 수 있다.
3. 안정도
원자시계는 지극히 안정된 시간 간격의 펄스를 발생시키는 주파수 발생기라고 할 수 있다. 이것만으로는 현재시간을 알 수는 없으므로 현재 시각이 몇시 몇분 몇초인지를 말해주는 벽시계와는 다르다. 그러므로 원자시계의 가장 중요한 성능은 시간 간격이 얼마나 일정한가 하는 안정도이다. 주파수 영역에서 보면 얼마나 주파수 폭이 좁으냐 또는 잡음이 얼마나 적으냐 하는 것이다. 극단적으로 예를 들어 원자시계가 실제 시간과 1분이 차이가 난다든가 매일 1초씩 더 늦어진다고 해도 그 1분이나 1초 차이나 지연이 1억년동안 1초 이하로 유지된다면 보정으로 정확한 시각을 알 수 있으므로 문제가 되지 않는다.최초의 원자시계인 암모니아-메이저 시계는 수만 년에 1초의 오차를 나타냈으며 이는 점차 정밀한 원자시계의 개발로 오차가 나아졌다.
국제 원자시를 구성하는 세슘 원자시계는 3000만 년에 1초의 오차를 나타낸다. 루비듐 원자시계는 세슘 원자시계보다 정확성이 약간 떨어지나 작게 만들수 있고 가격이 싸서 통신장비등에 많이 사용되며, 수소 원자시계는 가장 정확하지만 지속성이 떨어지는 단점이 있다. 이들 원자들은 다른 원자들보다 진동이 일정하기 때문에 쓰이고 있다.
최근에는 이터븀-광격자시계(광시계) 등[1] 좀 더 정밀한 시계들이 개발[2]되고 있다. 현재 기술로는 원자들의 광펌핑이나 양자얽힘 등을 이용해 우주의 나이보다 훨씬 많은 3000억년이 지나도 1초 밖에 오차가 나지않는 원자시계가 개발되었다.
이런 원자시계의 안정성을 제한하는 요소는 원자의 진동 자체의 불안정성이 아니다. 원자는 어떤 조건에서도 절대불변하는 일정한 진동수를 가지고 있다. 문제는 이를 측정을 하려고 하면 양자적인 불확정성이나 잡음이 들어가게 되고 이런 측정의 정밀도를 확률적으로 제한하고 이것이 주파수의 지터잡음 즉 흔들림으로 나타난다. 그러므로 원자시계의 안정성 향상은 이런 오차 확률구간과 잡음을 줄이는 것이다.
과거에는 이런 원자시계는 물리학 측정등 아주 특수한 용도로만 필요했지만 통신이나 측지 천문학 등 갈수록 안정도가 높은 시계의 필요성이 높아지고 있다.
4. 세계 표준시
국내에서는 한국표준과학연구원이 3대의 세슘원자시계와 1대의 수소-메이저 원자시계를 사용해서 대한민국 표준시를 정한다.또한 이 원자시계는 인공위성의 상대성 이론에 의해 생기는 시간 오차를 조정하는 데도 사용하고 있다. 그리고 GPS위성의 경우는 직접 원자시계가 탑재되어 있고, 위성 간 상호 보정하는 방식으로 보정한다.
오랫동안 휴대용으로는 못 만들 것으로 보였으나, 2013년에는 회중시계 버전이 등장했고 #[3] 2014년에는 손목시계 버전이 킥스타터에 올라왔다. # 보면 알겠지만, 배터리도 심하게 빨리 닳고 무엇보다 손목시계 치고 크게 거추장스러워 보인다. 그냥 최초의 손목시계형 원자시계라는 게 의의일 듯?
5. 세슘 원자시계
현재 1초의 길이는 세슘 원자를 이용해 정의한다. 다시 말해 세슘 원자시계는 사실 시계가 아니라 1초의 길이를 나타내는 표준기인 셈이다. 다른 원자를 이용한 시계도 만들 수 있지만, 세슘은 최외각(6s) 오비탈에 전자가 하나만 있어 시계용으로 편리하다.이 최외각 전자는 세슘 원자핵의 스핀에 순행할 수도 있고, 역행할 수도 있다. 핵 스핀에 순행하는 경우와 역행하는 경우 사이에는 에너지가 미세한 차이가 있다(0.000038 eV). 때문에 핵 스핀에 순행하던 최외각 전자가 역행으로 전환되는 경우 이만큼의 에너지(즉 광자)가 방출되거나 흡수되는데, 이 광자(빛)의 주파수는 9,192,631,770 헤르츠이다. 이 주파수는 동일 조건(온도, 중력 퍼텐셜 등)에서는 변화하지 않으므로, 이를 기준으로 1초의 길이를 정한다면 시대와 장소를 불문하고 동일한 1초의 표준으로 삼을 수 있을 것이다.
때문에 오늘날 1초는 절대영도 조건에서 세슘 원자(133-55Cs)가 방출하는 특정한 파장의 빛이 9,192,631,770번 진동하는 시간으로 정의된다.
6. 관련 문서
- 전파 시계 - 원자시계의 시각정보를 전파로 수신받아 자동으로 업데이트되는 시계.
- 핸드폰, 컴퓨터 - 핸드폰의 무선통신망이나 인터넷으로 표준시에 동기화시킬 수 있다. 윈도우를 사용한다면 시각 서버와 일정 시간마다 동기화가 이루어지고 UTCk같은 프로그램을 쓸 수도 있다. 전파시계와 핸드폰의 경우 이미 예전부터 표준시를 포터블로 이용하는 셈이므로 위의 휴대용 원자시계는 바로 우리가 쉽게 접해볼 수 있는 원자시계이다.
[1] 이론상 300억 년에 1초의 오차가 난다고 한다. 현재 개발된 것 중 가장 정확한 이터븀 광격자시계는 일본에서 제작된 것으로, 160억 년에 1초의 오차가 난다. 한국에는 2014년 2월 발표된 KRISS의 광격자시계가 있는데, 1억 년에 1초의 오차가 난다고 한다.[2] 이론상으로는 3조 년에 1초의 오차가 발생하는 중성자를 이용한 핵시계도 있다.[3] 원래 기사에서는 원자력 시계라고 되어 있었으나 원자 시계하고 원자력 시계도 구분 못하냐고 대판 까이고 나중에 원자시계로 수정되었다.