1초의 기준을 만드는 세슘 원자시계

시계 안에서 원자가 위로 올라갔다 내려온다. 물 대신 세슘 원자를 쏘아 올리는 분수다. 바늘도 진자도 눈에 띄지 않는 실험 장치지만, 미국 국립표준기술연구소 NIST의 세슘 분수 시계는 우리가 쓰는 1초를 정확하게 구현하는 데 쓰인다.

우선 원자들의 움직임을 아주 느리게 만들어야 한다. 여러 방향에서 레이저를 비추어 원자 구름을 냉각한 뒤 위로 띄운다. 원자들은 중력 때문에 다시 내려오며, 올라갈 때와 내려올 때 마이크로파와 상호작용한다. 분수 모양의 경로는 두 번의 측정 사이에 시간을 벌어준다.

장치는 이후 원자가 어떤 에너지 상태에 있는지 읽는다. 이 결과를 이용해 마이크로파의 주파수가 세슘의 기준에 얼마나 가까운지 확인하고 조정한다. 올라갔다 내려오는 데 걸리는 시간을 그대로 1초로 부르는 방식은 아니다. 왕복 운동은 원자의 반응을 더 정밀하게 살펴보기 위한 수단이다.

보통의 시계가 시간을 표시하는 물건이라면, 이런 장치는 다른 시계가 맞춰야 할 기준을 만드는 쪽에 가깝다. 연구소의 실험 장치가 가정의 벽시계처럼 하루 종일 숫자를 보여줄 필요는 없다. 안정적인 신호와의 비교를 통해 시간의 정확도를 유지하는 체계에 참여한다.

사진에는 분수의 물기둥 대신 배관과 전선이 보인다. 그 안에서 세슘 원자는 올라갔다 내려오며 마이크로파와 두 번 만난다. 측정한 반응을 바탕으로 주파수를 조정하는 이 과정이, 다른 시계의 시간을 비교할 정확한 기준을 만드는 데 쓰인다.

확인 자료
NIST · Fountains of Atoms
https://www.nist.gov/atomic-clocks/how-atomic-clocks-work/fountains-atoms-exquisite-timekeepers
NIST · Cesium fountain atomic clocks
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-realization/cesium-fountain-atomic-clocks
Image use terms · US government work
https://www.nist.gov/copyrights-disclaimers

편집: 사실은 위 자료를 대조해 확인했으며, 해석은 MUADAILY의 편집 관점입니다. 이미지: R. Eskalis/NIST · US government work · NIST-F4 세슘 분수 시계.