Who decides how long a second is? - John Kitching

번역: Yujin Son 검토: DK Kim

In 1967, researchers from around the world

1967년, 전 세계의 연구자들이

gathered to answer a long-running scientific question—

오랜 시간 과학계에서 풀리지 않았던 문제의 답을 내기 위해 모였습니다.

just how long is a second?

1초의 길이는 얼마나 긴가?

It might seem obvious at first.

처음에는 무슨 당연한 걸 물어보냐고 느낄지도 모릅니다.

A second is the tick of a clock,

1초는 시계의 초침이 한 번 똑딱이는 시간이며,

the swing of a pendulum, the time it takes to count to one.

시계추가 한 번 흔들리는 시간이며, 1을 세는 데에 걸리는 시간이죠.

But how precise are those measurements?

그런데 그 측정이 얼마나 정확할까요?

What is that length based on?

그 길이는 무엇이 기준이죠?

And how can we scientifically define this fundamental unit of time?

이 기본적인 시간 단위를 어떻게 과학적으로 정의할 수 있을까요?

For most of human history, ancient civilizations

거의 모든 역사에서

고대 문명에서는 독특한 달력으로 시간을 재며

measured time with unique calendars

that tracked the steady march of the night sky.

밤하늘의 규칙적인 움직임을 관찰해왔습니다.

In fact, the second as we know it wasn’t introduced until the late 1500’s,

사실, 우리가 아는 초라는 개념은

1500년대 후반에야 나온 것이고,

when the Gregorian calendar began to spread across the globe

그레고리력이 전 세계에 퍼져나갔을 즈음입니다.

alongside British colonialism.

영국의 식민주의와 함께요.

The Gregorian calendar defined a day as a single revolution of the Earth

그레고리력은 하루를 지구가 한 번 회전하는 시간으로 정의합니다.

about its axis.

지축을 중심으로 말이죠.

Each day could be divided into 24 hours, each hour into 60 minutes,

하루는 24시간으로 나눌 수 있고,

1시간은 60분으로,

and each minute into 60 seconds.

1분은 60초로 나눌 수 있습니다.

However, when it was first defined,

하지만 초가 처음 정의되었을 때,

the second was more of a mathematical idea than a useful unit of time.

초는 시간의 유용한 단위라기보다는 수학적인 개념에 가까웠습니다.

Measuring days and hours was sufficient for most tasks in pastoral communities.

농경 사회에서 일을 할 때에는 요일과 몇 시인지만 알면 됐거든요.

It wasn’t until society became interconnected

사회가 상호 관계적으로 변하고 빠른 철도가 생기고 나서야

through fast-moving railways that cities needed to agree on exact timekeeping.

정확한 시간 측정이 필요해졌습니다.

By the 1950’s, numerous global systems required every second

1950년에는 전 세계 수많은 시스템들이

정밀한 초 단위까지 있어야

to be perfectly accounted for, with as much precision as possible.

가능한 한 정밀하게 측정할 수 있었습니다.

And what could be more precise than the atomic scale?

원자 규모보다 정밀한 게 또 있을까요?

As early as 1955, researchers began to develop atomic clocks,

1955년에 이미 연구자들은 원자 시계를 개발하기 시작했고,

which relied on the unchanging laws of physics

이들은 물리학의 불변하는 법칙을 사용해서

to establish a new foundation for timekeeping.

시간 측정의 새로운 기초를 만들었습니다.

An atom consists of negatively charged electrons

원자는 음전하를 띤 전자들이

orbiting a positively charged nucleus at a consistent frequency.

양전하를 띤 핵의 주위를 일정한 주기로 돌고 있습니다.

The laws of quantum mechanics keep these electrons in place,

양자 역학의 법칙은 이 전자들이 제자리에 머물러있게끔 하지만

but if you expose an atom to an electromagnetic field

원자를 전자기장에 노출시키면,

such as light or radio waves,

빛이나 전파같은 것 말입니다,

you can slightly disturb an electron’s orientation.

전자의 방향을 살짝 비틀 수 있습니다.

And if you briefly tweak an electron at just the right frequency,

만약 적당한 주파수로 전자를 살짝 건드리면,

you can create a vibration that resembles a ticking pendulum.

똑딱거리는 진자와 비슷한 진동을 만들어낼 수 있습니다.

Unlike regular pendulums that quickly lose energy, electrons can tick for centuries.

에너지를 빨리 잃는 보통 진자와 달리,

전자는 몇백 년이고 진동합니다.

To maintain consistency and make ticks easier to measure,

일관성을 유지하고 똑딱임을 더 쉽게 측정하기 위해,

researchers vaporize the atoms,

연구자들은 원자들을 기화시켜

converting them to a less interactive and volatile state.

상호작용이 더 적고 더 안정적인 상태로 바꿉니다.

But this process doesn’t slow down the atom’s remarkably fast ticking.

그런다고 해서 원자의 극히 빠른 똑딱임의 속도가 느려지진 않습니다.

Some atoms can oscillate over nine billion times per second,

어떤 원자들은 초당 90억 번 이상 진동할 수 있고,

giving atomic clocks an unparalleled resolution for measuring time.

원자 시계가 시간을 측정하는 데에 견줄 데 없는 정확도를 제공합니다.

And since every atom of a given elemental isotope is identical,

특정한 원소의 동위원소는 모든 원자가 동일하기 때문에,

two researchers using the same element and the same electromagnetic wave

같은 원소와 같은 전자파를 사용하기만 한다면

should produce perfectly consistent clocks.

완벽히 일관된 시계를 제작할 수 있을 것입니다.

But before timekeeping could go fully atomic,

하지만 시간을 완전히 원자로 측정하기 전에

countries had to decide which atom would work best.

국가들은 어느 원자가 가장 적합할지 결정해야 했습니다.

This was the discussion in 1967,

이 논의는 1967년,

at the Thirteenth General Conference of the International Committee

제 13차 국제 도량형 총회에서

for Weights and Measures.

이루어졌습니다.

There are 118 elements on the periodic table,

주기율표에는 원소가 118개 있는데,

each with their own unique properties.

각각의 원소는 고유한 성질이 있죠.

For this task, the researchers were looking for several things.

이 문제를 해결하기 위해, 연구자들은 여러 기준을 세웠습니다.

The element needed to have long-lived

일단 이 원소는 수명이 길고

and high frequency electron oscillation for precise, long-term timekeeping.

고주파의 전자 진동을 해야

정확하고 장기적인 시간 측정을 할 수 있습니다.

To easily track this oscillation,

이 진동을 쉽게 측정하기 위해서는

it also needed to have a reliably measurable quantum spin—

안정적으로 측정 가능한 양자 스핀도 필요한데

meaning the orientation of the axis about which the electron rotates—

이는 전자가 회전하는 축의 방향을 의미합니다.

as well as a simple energy level structure—

그뿐 아니라 단순한 에너지 준위 구조도 필요한데

meaning the active electrons are few and their state is simple to identify.

활성 전자의 수가 적고 식별하기 쉬운 상태라는 뜻이죠.

Finally, it needed to be easy to vaporize.

마지막으로, 이 원소는 기화하기 쉬워야 합니다.

The winning atom? Cesium-133.

뽑힌 원소는 바로 세슘 133입니다.

Cesium was already a popular element for atomic clock research,

세슘은 원자 시계 연구계에선 이미 자주 활용하는 원소였고,

and by 1968, some cesium clocks were even commercially available.

1968년에는 세슘으로 만든 시계가 시중에 나오기까지 했습니다.

All that was left was to determine how many ticks of a cesium atom

이제 알아내야 할 것은

세슘 원자의 똑딱임이 몇 번 있어야 1초가 되느냐하는 것이었죠.

were in a second.

The conference used the most precise astronomical measurement

총회에서는 가장 정밀한 천문학적 측정 방법을 사용했습니다.

of a second available at the time—

그때 당시의 기술력을 기준으로요.

beginning with the number of days in a year and dividing down.

1년에 속한 날의 수부터 시작해서 세세하게 나눠갔습니다.

When compared to the atom’s ticking rate,

원자의 똑딱이는 속도에 빗대어,

the results formally defined one second

공식적으로 정의된 1초의 길이는

as exactly 9,192,631,770 ticks of a cesium-133 atom.

세슘 133 원자가 정확히

9,192,631,770번

똑딱이는 시간이었습니다.

Today, atomic clocks are used all over the Earth— and beyond it.

오늘날 원자 시계는 지구 상 모든 곳, 그리고 우주에서까지 사용되고 있죠.

From radio signal transmitters to satellites

무선 신호 송신기에서 시작하여

for global positioning systems,

GPS 인공위성들까지,

these devices have been synchronized

이 모든 장치들은 동기화가 되어

to help us maintain a globally consistent time—

세계적으로 동일한 시간을 유지하도록 도와줍니다.

with precision that’s second to none.

둘째가라면 서러울 만한 정밀도로 말이죠.