시간 거리 무게의 미터법 정의와 유래

시간 거리 무게의 미터법 정의와 유래

시간 단위 초(s)

초(s)

초(秒, 기호 s)는 시간의 단위로, 국제단위계의 기본단위 중 하나이다. 절대 영도에서 세슘-133 원자의 바닥 상태 (6S1/2) 에 있는 두 개의 초미세 에너지준위 (F=4, F=3)의 주파수 차이를 9,192,631,770 Hz로 정의하고 그 역수를 통해 초를 정의하고 있다.  

즉, 세슘 133이라는 원자에 어떤 특정 주파수의 전파를 쬐면 세슘 원자가 바닥상태에서 들뜬 상태로 변하게 되는데 이 특정 전파의 진동수를 세고 그 진동수가 9,192,631,770가 되면 1초로 하는 것이다. 

영국의 물리학자 루이 에센(1908~1997)이 1955년에 처음 이론을 냈다. 1초는 1/60 분이고 1/3600 시간, 1/86400 일이다.

초(s)의 역사및 유래

예전에 1초는 지구의 자전에 의한 평균 태양일의 1/86,400 로 정의되었다. 그러나 지구의 자전은 불규칙하므로 시간의 정확도를 보장할 수 없었다. 

1956년, 시간의 단위를 좀 더 엄밀하게 하기 위해 태양년을 기초로 새로운 표준을 정의하였다. 1초는 1900년 1월 0일 12시 기준으로 태양년의 '1/31556925.9747'로 했다. 지구의 자전에서 공전으로 기준이 바뀐 셈이었다. 여기서 사용한 시각과 태양년의 길이는 천문 표를 바탕으로 만들어졌기 때문에 이를 ‘역표시’(ephemeris time)라 한다.

원자 시계가 발명된 이후 이를 이용해서 시간의 단위를 새롭게 정하게 되었다. 에너지 준위의 전이에 기초한 시간과 역표시 간의 관계를 정확히 측정하여 기준을 바꿨다. 1967년 제13차 CGPM의 회의에서 시간의 정의를 세슘-133 원자의 복사를 기준으로 한 표준으로 바꾸었다. 1997년에는 절대 온도 기준을 추가하여 현재의 정의가 되었다. 

2004년에 열린 제16차 시간주파수 자문위원회(CCTF)에서는 시간의 단위인 초의 정의로서 세슘 원자 외에 루비듐 원자를 이용할 수 있다는 권고안이 채택되었다. 세슘원자의 바닥상태에 있는 두 개의 초미세 에너지준위 사이의 주파수는 정의된 것이기 때문에 불확도가 0이었으나 세슘원자를 레이저 냉각 및 포획하여 원자분수(atomic fountain)를 만들면 원자들 사이 충돌에 의해 원자의 고유진동수가 변할 수 있기 때문에 충돌에 의한 주파수 변화가 세슘보다 적은 루비듐 원자가 초의 2차적 표현으로 적합한 원자라는 결론이 내려졌다.

원자시계와 태양시의 차이로 인해 발생한 오차를 보정하기 위하여 윤초가 사용된다.

길이, 거리 단위 미터(m)

미터(m)

미터(m)는 길이나 거리의 SI 단위이다. 이 단위는 현재 진공에서 빛이 1/299,792,458초 동안 진행한 거리로 정의되어 있다. 이러한 정의는 최근에 측정 기술이 길이와 단위를 매우 높은 정확도로 재현할 수 있게 되면서 제안된 것으로, 시간의 경우에는 10의 13승까지의 정확도로 재현할 수 있다.

역사및 유래

미터(m)라는 단어는 ‘그리스어: μετρον’으로부터 유래하였으며, ‘단위’를 뜻하는 ‘프랑스어: mètre’가 그 기원이다.

1790년, 프랑스 정부에서 전 세계적인 단위의 표준을 정할 필요성을 느끼고 미터법을 제정할 당시, 거리의 기준을 지구로 삼았다. 이에 따라 지구 적도에서 북극점까지의 거리를 정확하게 10,000km, 이 거리의 4배인 지구 전체 자오선 길이인 40,000km를 기준으로 하는 미터법이 제정되었다. 참고로 전체 자오선 길이가 아닌, 적도에서 북극점까지 거리인 10,000km를 십진법상의 표준이 된 이유는 당시의 기술 수준으로 남반구 지역에 관측소를 설치하는 것에 많은 어려움이 있었기 때문이다.

결국 지리적으로 1m는 적도에서 극점까지 거리의 1000만분의 1을 기준으로 하게 되었다. 1797년 처음 영어에서의 활용이 보고되었다. 초기의 1m의 표준 원기는 금속 물질로 제작했으나, 금속의 특성상 온도와 습기 등의 환경에 따른 미세한 변화가 존재하기 때문에 미터를 정의하는 방법은 시간이 흐르면서 바뀌었다.

무게 단위 킬로그램(kg)

킬로그램(kg)

2019년 5월 20일 세계 측정의 날부터 발효되는 새로운 정의가 만들어졌다

킬로그램은 kg을 그 기호로 하며 질량에 관한 SI 단위이다. 플랑크 상수 h를 kg⋅m2⋅s−1와 동등한 J⋅s 단위로 표기할 때 6.62607015×10−34의 고정값을 취하도록 정의되며, 미터와 초는 c와 ΔνCs에 의하여 정의된다.

새 정의는 질량-에너지 등가를 바탕으로 하고 있어 물질적인 표준 원기 없이 kg의 정의가 가능하다.

역사의 유래

현재 킬로그램의 정의는 1901년 3차 국제도량형총회(CGPM)가 정한 "kg은 질량의 기본 단위이며 그 질량은 국제 킬로그램원기의 질량과 같다"는 정의에 따른다. 이에 따라 프랑스 파리 근교의 세브르 국제도량형국(BIPM) 금고에는 가로·세로 각 39mm 크기의 1kg 원기 원통이 보관되어 있다.

현재 7개의 SI 기본 단위 가운데 시간(s)·길이(m)·전류(A)·온도(K)·물질량(mol)·광도(cd) 등 6개 단위는 모두 물리적 원리를 바탕으로 정의되어 있는데 반하여, 질량(kg)만이 유일하게 인공적으로 만든 원기를 표준으로 삼고 있다. 하지만, 인공적으로 만든 원기를 표준으로 삼을 경우 인공 원기의 물리적 특성이 변할 수 있다는 문제점이 발생한다. 

1kg의 기준이 바뀌면 질량과 관련된 물리량의 정의도 덩달아 바뀌게 된다. 실제로 국제도량형국(BIPM)은 2007년 "kg 원기의 질량이 50㎍(마이크로그램) 줄었다."고 밝혔다. 

과학자들이 kg의 정의를 재정립하려는 이유가 바로 여기에 있다. 인공적으로 만든 인공 원기를 대체하여 kg 표준을 재정립하기 위해 국가간에도 '1kg 표준 정의'를 두고 치열한 대립이 발생하고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 다음의 두 가지 방식으로 kg의 정의를 재정립하려는 국제적인 움직임이 있었다. 

첫째, 1kg짜리 실리콘 구를 만든 뒤 그 안에 있는 원자 수를 세어 이를 질량으로 환산하는 일명 '아보가드로 프로젝트(Avogadro project)' 방식으로 재정의하는 방안.

둘째, 플랑크 상수를 사용하여 전기력을 중력으로 환산하는 소위 '와트 저울(Watt balance)' 방식으로 kg을 재정의하는 방안 등이 논의되었다. 한국은 미국, 프랑스 등이 연구하고 있는 '와트 저울' 방식을 지지하였다.

2011년 10월 21일, 프랑스 파리 근교에서 열린 24차 국제도량형총회(CGPM)에서는 120년 이상 킬로그램의 정의로 사용된 '국제 킬로그램 원기(原器)'를 폐지하고, 새로운 정의를 도입한다는 방침을 정했다.

2018년 11월 16일 제26차 국제도량형총회(CGPM)에서 플랑스 상수를 사용하는 방법으로 재정의 하기로 결정했다