시간을 측정한다는 것은 결국 규칙적인 '똑딱임'을 세는 일이다. 괘종시계 추의 흔들림이든, 원자시계 안에서 전자가 만들어내는 빠른 진동이든 원리는 같다. 일정한 주기로 반복되는 물리 현상을 기준으로 삼아 그 횟수를 세면 그것이 곧 시간이 된다. 그런데 최근 오스트리아 빈과 중국 베이징의 두 연구팀이 지금까지와는 전혀 다른 기준을 쓰는 시계를 각각 독립적으로 만들어냈다. 전자의 운동이 아니라 무거운 방사성 원소인 토륨, 그중에서도 토륨-229 원자핵이 '눌렸다 펴지는' 진동을 세어 시간을 재는 이른바 핵시계(nuclear clock)다. 이 성과는 수요일 국제 학술지 네이처에 보고됐다.
전자가 아닌 원자핵을 기준으로 삼다
기존 원자시계는 원자 속 전자가 특정 에너지 상태를 오가며 내는 진동을 기준으로 삼는다. 반면 핵시계는 원자의 중심인 원자핵 자체의 상태 변화를 측정 대상으로 삼는다는 점에서 근본적으로 접근이 다르다. 토륨-229 핵은 다른 원자핵과 달리 비교적 낮은 에너지로도 상태가 바뀌어, 레이저 같은 빛으로 그 변화를 자극하고 읽어낼 수 있다는 특성이 있다. 두 연구팀이 측정한 것은 이 핵이 미세하게 눌렸다가 다시 펴지는 규칙적인 움직임이다. 이번에 만들어진 핵시계는 수백만 년에 1초 정도 오차가 생길 만큼 정밀하다고 보고됐다.
전문가들의 평가는 상당히 후하다. 논문 게재 전 심사 과정에 참여한 전문가들은 이 결과를 중요한 돌파구이자 신생 분야인 핵시계 연구의 의미 있는 이정표라고 평가했다. 이번 연구에는 참여하지 않았지만 같은 분야를 연구하는 캘리포니아대 로스앤젤레스(UCLA)의 물리학자 에릭 허드슨은 이 분야가 '무서운 속도로 움직이고 있다'고 말했다.
아직은 원자시계를 대체하지 못한다
다만 이 첫 핵시계가 당장 세계 곳곳에서 돌아가는 원자시계 네트워크를 대체하지는 않는다. 우리는 GPS와 '1초'라는 단위의 정의 자체를 이 원자시계들의 꾸준한 똑딱임에 의존하고 있다. 정밀도 기록도 아직 원자시계의 것이다. 최고 수준의 원자시계는 핵시계보다 약 1만 배 더 안정적이며, 1초의 오차가 쌓이는 데 1,000억 년 이상이 걸릴 정도다. 수백만 년에 1초인 핵시계와는 여전히 큰 격차가 있는 셈이다.
그럼에도 핵시계가 주목받는 이유는 미래의 잠재력에 있다. 연구자들은 언젠가 핵시계가 현재 최고의 원자시계보다 더 안정적으로 작동할 수 있고, 무엇보다 더 작고 휴대하기 쉬운 형태로 만들어질 가능성이 있다고 본다. 원자시계는 극도로 정밀하지만 장비가 크고 복잡해 실험실 밖으로 들고 나가기 어렵다. 만약 핵시계가 정밀도를 유지하면서도 소형화된다면, 정밀 시간 측정이 필요한 현장의 선택지가 넓어질 수 있다.
암흑물질 탐색이라는 또 다른 가능성
핵시계의 쓰임새는 단순한 시간 측정에 그치지 않는다. 연구진은 핵시계가 특정 종류의 암흑물질을 탐색하는 도구가 될 수 있다는 점에 주목한다. 암흑물질은 눈에 보이지 않으면서 우주 물질의 83퍼센트를 차지하는 것으로 여겨지는 존재다. 만약 암흑물질 입자가 토륨 원자핵을 통과한다면, 평소 일정하게 유지되던 핵시계의 똑딱임에 미세한 '흔들림'으로 그 흔적이 나타날 수 있다는 발상이다. 즉 핵시계가 극도로 안정적일수록, 그 안정성을 깨뜨리는 작은 이상 신호가 곧 새로운 물리 현상을 포착하는 단서가 될 수 있는 것이다.
실무적 관점에서 이번 성과는 '당장 쓸 수 있는 기술'이라기보다 방향성을 확인한 단계로 읽는 편이 정확하다. 빈과 베이징에서 서로 독립적으로 거의 동시에 작동하는 핵시계가 나왔다는 사실 자체가, 특정 연구팀의 운이 아니라 재현 가능한 기술적 토대가 마련되고 있음을 보여준다. 정밀 시간·주파수 기술을 다루는 엔지니어라면 당분간은 원자시계 기반 인프라를 계속 신뢰하되, 소형화와 안정성 측면에서 빠르게 성숙하고 있는 이 분야의 진전을 중장기 관찰 대상으로 삼아둘 만하다.