시간을 얼마나 잘게 쪼개 측정할 수 있는가는 단순한 과학적 호기심을 넘어 위성항법, 통신망 동기화, 기초물리 검증의 근간과 맞닿아 있다. 싱가포르 양자기술센터(CQT) 연구진이 2026년 9월 23일 국제학술지 네이처에 발표한 결과는 이 질문에 대한 새로운 기준점을 제시한다. 연구를 이끈 머레이 배럿 CQT 주임연구원 겸 싱가포르국립대(NUS) 물리학과 부교수는 "현재 우리가 가진 것이 세계에서 가장 정확한 시계라고 확신한다"고 밝혔다. 연구진의 근거는 명확하다. 자신들이 만든 원자시계가 이전 기록 보유 원소로 만든 시계들보다 더 나은 성능을 보였다는 측정 결과다.
원자시계는 무엇을 세는가
원자시계는 원자 속 전자가 에너지 준위를 바꾸는 '원자 전이'를 기준으로 시간을 잰다. 이 전이 주파수는 원자 고유의 고정된 성질이므로, 여기에 레이저를 정확히 맞추면 빛의 진동이 진자처럼 시간을 세는 역할을 한다. 이 원리 자체는 수십 년 전부터 쓰였다. 1960년대 이후 세슘 원자가 전 세계 시간의 표준 역할을 해왔고, 세슘 원자시계는 이미 GPS와 통신·교통망 동기화를 떠받치고 있다. 다만 과학계는 세슘보다 훨씬 빠르게 진동하는 원소들을 통해 정밀도의 한계를 계속 밀어붙여 왔다.
최근 기록을 세운 이터븀, 스트론튬, 알루미늄 등은 세슘보다 진동이 빨라 더 정확한 시간을 잴 수 있다. 시간 표준을 담당하는 국제기구는 이런 광학 원자시계들의 데이터를 검토하며 2030년 이후로 예상되는 '초의 재정의'를 준비하고 있다. CQT 연구진이 주목한 원소는 이 대열에 아직 이름을 올리지 않은 루테튬이었다. 연구진은 10여 년 전 루테튬이 최고 성능 시계가 될 적합한 성질을 가졌다는 직감으로 연구를 시작했으며, 시간 측정에 이 원소를 쓰는 그룹은 자신들이 유일한 것으로 알고 있다고 밝혔다.
19자리까지 검증한 정확도
이번에 연구진은 루테튬 시계의 주파수를 소수점 19자리까지 측정해 1×10⁻¹⁹의 불확실도를 보고했다. 이는 지금까지 광학 원자시계에서 보고된 값 중 가장 낮다. 연구진은 한 대가 아니라 두 대의 시계를 만들어 서로의 진동을 비교했고, 두 시계는 5.7×10⁻¹⁹의 불확실도로 일치했다. 이는 역대 가장 정밀한 시계 비교로, 측정을 더 하면 이 수치는 더 낮아질 수 있다. 각 시계는 파장 848나노미터 레이저에 전이를 맞춘 단일 하전 이온(¹⁷⁶Lu⁺) 하나로 구성된다.
루테튬의 강점은 원소 자체의 성질에서 나온다. 이 시계 전이는 온도나 자기장 변화의 영향을 거의 받지 않는다. 다른 원소에서는 이런 환경 요인이 전이 주파수를 미세하게 흔들 수 있다. 배럿 교수는 "좋은 성질 덕분에 넓은 환경 범위에서도 높은 정확도를 얻을 수 있다"며 "지구상 가장 더운 곳인 데스밸리에서 가장 추운 남극 고원으로 옮겨도 루테튬 시계는 안정적일 것"이라고 설명했다. 연구진은 전이를 정의하기 위해 '초미세 평균화'라는 기법까지 고안했으며, 200시간에 걸친 상관 분광법 측정으로 신뢰도를 뒷받침했다.
실무적 의미와 남은 한계
정확도를 검증하는 유일한 길은 시계를 서로 비교해 재현성을 보이는 것이다. 논문 공동 제1저자인 카일 아놀드 선임연구원은 "시계가 하나면 몇 시인지 알지만 둘이면 결코 확신할 수 없다는 우스갯소리"를 인용하며 이 점을 강조했다. 그런데 바로 이 정밀도가 새로운 난제를 낳는다. 10⁻¹⁹ 수준의 광학 원자시계는 밀리미터 단위 높이차에서 생기는 중력에 의한 시간 지연까지 감지할 만큼 예민하다. 실제로 연구진의 비교 측정은 같은 테이블 위 두 시계 사이 5mm 높이차를 분해할 수 있었고, 이 요인이 측정을 제약하지 않도록 이온의 높이차를 1mm 이내로 별도 측정했다.
문제는 세계 최고 수준의 다른 시계들과 직접 비교하려 할 때다. 지구상 지점 간 중력 차이는 아직 이 수준에서 시계를 비교할 만큼 정밀하게 알려져 있지 않다. 이것이 곧 실무적 과제로 이어진다. 새로운 비교와 미래 응용을 위해서는 시계가 실험실 밖으로 나와야 한다. 논문 공동 제1저자이자 NUS 박사과정생인 마이클 리는 "다음 단계는 실험실 규모의 시계를 이동 가능한 시스템으로 소형화하는 것"이라며 정확도를 훼손하지 않고도 크기를 줄일 수 있으리라 기대한다고 밝혔다. 결국 기록적인 정밀도가 실제 표준과 응용으로 이어지려면, 진동수 자체의 우수함만큼이나 그것을 실험실 밖 현장에서 재현하고 검증할 수 있는 공학적 이동성이 관건인 셈이다.