요아힘 울리히(Joachim Ullrich)는 브라운슈바이크에 위치한 물리 기술 연방 기관의 회장입니다. 이 기관에는 세계에서 가장 정확한 시계 중 하나가 있습니다. 인터뷰에서 물리학자인 요아힘 울리히는 시계가 작동하는 방식, 세계시가 무엇인지, 소수점 이하로 16자리분의 1초를 정확하게 판단하는 것의 장점을 설명합니다.
trends in automation: 물리 기술 연방 기관 소속의 울리히 교수는 정확한 시계와 시간 문제와 관련된 부야의 권위자입니다. 하지만 시간이란 건 대체 무엇일까요?
요아힘 H. 울리히 박사: 이것은 아주 복잡한 질문이라고 할 수 있습니다. 우리와 같은 물리학자들은 지구나 진자의 회전과 같은 예측 가능하고 반복적인 프로세스를 사용하여 시간을 정의하고자 합니다. 이 매우 실용적인 정의는 노벨상 수상자이자 PTB 큐레이터인 알버트 아인슈타인으로부터 이미 전해졌다고 할 수 있습니다. 이것에 따르면 시간은 시계로 읽어내는 것입니다. 하지만 아인슈타인 이후, 우리는 시간이 상대적이라는 것을 알고 있습니다. 시간에 대한 인간의 인식 역시 상대적입니다. 다시 아인슈타인으로 돌아가 볼까요. 착한 소녀와 함께 있는 2분은 매우 짧은 것 같지만 뜨거운 스토브에서 2분을 견뎌야 한다면 이것은 무한히 길게 느껴질 수 있습니다.
그리고 시간의 시작과 끝, 그리고 현재라는 순간이 인간의 인식에서 실제로 얼마나 오래 지속되는지와 같은 다양한 미해결 질문이 남아있습니다. 시간을 다루는 생물학적 시계와 문화적 특성은 과학에서 매우 흥미롭고 트렌디한 주제입니다.
trends in automation: 시간을 어떻게 측정해야 할까요?
울리히: 예를 들어 진자를 사용할 수 있겠죠. 진자가 짧을수록 더 빠르게 흔들리고 더 정확하게 시간을 측정할 수 있습니다. 크리스탈이 전압으로 진동하도록 만들어진 쿼츠 시계는 훨씬 더 정확합니다. 이것은 초당 30,000회 이상 진동합니다. 현재 가장 정확한 시계는 원자 시계입니다. 비록 원자 자체가 진동하지 않긴 하지만요. 원자 대신 전자기 복사, 더 정확하게는 마이크로파를 사용합니다. 이것은 쿼츠 크리스탈 보다 훨씬 빠르게, 즉 초당 약 90억회 진동합니다. 마이크로파 복사로 우리는 세슘 원자에서 전자를 여기시킵니다. 그리고 이것은 방사선에 매우 특정한 진동 주파수가 있는 경우에만 작동하기 때문에, 이를 사용하여 1초 값을 정의하고 매우 정확하게 결정할 수 있습니다.
물론 우리는 올바른 리듬을 설정했으며 전자가 여기되고 있는지 지속적으로 확인해야 합니다. 이를 위해 먼저 자기장과 마이크로파 장을 통해 수평 빔으로 세슘 원자를 보낸 다음 스마트하게 배치된 탐지기로 여기된 전자가 있는 원자만 계산합니다. 우리의 가장 정확한 시계 두 개에는 다른 배열을 가지고 있으며, 마이크로파 장을 통해 분수처럼 수직 방향으로 위쪽으로 세슘 원자를 쏩니다. 이후, 그들은 넘어지며 두 번째로 필드를 통과합니다. 이러한 원자 시계를 사용하여 소수점 뒤의 16자리의 초까지 정확하게 결정할 수 있습니다.
trends in automation: 손목 시계나 기차역의 시계는 그렇게 정확할 필요가 없습니다. 고정밀이 필요한 것은 무엇일까요?
울리히: 부정확성은 상대적으로 빠르게 누적됩니다. 그렇기 때문에 매우 정밀한 시계로 장기간 높은 정확성을 보장할 수 있습니다. 또한 정확한 시간 측정은 특히 학문적으로 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 PTB에서 주요 주제 중 하나는 빛의 속도와 플랑크의 작용 양자를 포함하는 소위 미세 구조 상수와 같은 자연 상수가 실제로 일정한지를 탐구하는 것입니다. 이것이 그렇지 않다는 몇 가지 증거가 있습니다. 의혹이 확인되면 다양한 법칙과 모델이 자연 상수를 기반으로 하기 때문에, 이것은 광범위한 분야에 영향을 주는 결과를 초래할 것입니다. 그건 그렇고, 시간 연구자들은 이미 1930년대에 초 단위가 여전히 지구 자전을 기반으로 정의되었던 시기에 정확한 측정이 확실하다고 여겨지는 몇 가지 가정이 틀렸을 수 있다는 사실을 이미 알고 있었습니다. 당시 가장 정밀한 쿼츠 시계가 PTB에서 작동했습니다. 연구자들은 지구가 점점 더 느리게 자전하며, 특히 시간의 정의에서 가정했던 것처럼 항상 같은 속도가 아닌, 불규칙한 속도로 회전한다는 것을 발견했습니다.
trends in automation: 원자 시계와 관련하여 실질적인 적용 분야가 있습니까?
울리히: 예를 들어, 미국 GPS 시스템이나 러시아의 GLONASS의 위치 위성 및 유럽의 갈릴레오의 첫 번째 인공 위성에서 원자 시계가 작동하고 있습니다. 이러한 시스템은 인공 위성과 지구 사이의 신호 전파 시간을 활용하여 위치를 결정하므로, 매우 정확한 시간 정보가 필요합니다. 측지 학자들은 곧 우주에서 시계를 사용한 측정을 원할 것입니다. 이를 통해 두 위성의 상대적 위치를 고정밀로 측정할 수 있으며, 그 변화를 기반으로 지구의 중력장에 대한 결론을 도출하여 완벽한 매핑이 가능할 것입니다. 지구상에서 유사한 측정과 훨씬 더 정확한 시계를 사용하면 미래에는 다른 질량 분포를 감지할 수 있으므로 광물 자원을 추적할 수 있습니다. 우리는 현재 라이프니츠 대학 하노버에 있는 QUEST 우수 클러스터의 많은 연구자들과 함께 이와 같은 주제를 연구하고 있습니다.
trends in automation: 인공 위성의 시계는 PTB의 원자 시계와 동일한 복잡한 구조를 가지고 있습니까?
울리히: 이것들은 동일한 원리로 작동하지만, 더 컴팩트하고, 그렇게 정확할 필요는 없습니다. 지금까지 신호 전송은 어찌되었든, 약간의 편차를 발생시켰습니다. 요즘은 다양한 용도로 원자 시계를 쉽게 구매할 수 있습니다. 이것을 지상에서 사용하려는 경우 몇밸 유로에서 약 십만 유로 사이의 비용이 듭니다. 인공 위성의 경우 훨씬 더 비용이 많이 들고, 첨단 기술 덕분에 일반적으로 수년간 유지 보수 없이 실행될 수 있습니다.
trends in automation: 기술이 이미 성숙한 것으로 간주된다고 말씀하셨는데요. 여기 PTB에 있는 것과 같은 원자 시계가 오작동할 수도 있나요?
울리히: 원칙적으로 물론 가능하죠. 하지만 우리는 예비책을 보유하고 있습니다. 전 세계를 위해 PTB에서만 4개의 1차 원자 시계가 작동하고 있습니다. 예를 들어 프랑크푸르트 인근의 마인플링엔에 위치한 장파 송신기를 통해 전송되는 전파 시계에 시간을 제공하기 위해, PTB 시계와 정기적으로 비교하는 원자 시계가 3개 더 있습니다.
trends in automation: 시계가 전 세계에서 올바르게 작동하는지 어떻게 확인할 수 있을까요?
울리히: 이미 언급했듯이, 24개의 시간대에 적용되는 소위 세계 시간이 있으며, 이것은 전 세계적으로 약 400개의 원자 시계로 결정됩니다. 시계를 서로 비교하여 평균을 구성하게 되죠. 더 정확한 시계가 더 높은 가중치를 지니게 됩니다. 마지막으로, 이 값이 PTB의 원자 시계를 포함하여, 세계 최고의 정확성을 보여주는 시계와 일치하는지 확인합니다. 이러한 방식으로 결정된 값을 1875년부터 프랑스 파리 근교의 세브르에 위치한 미터 협약의 국제 사무소, BIPM에서 세계 시간으로 발표합니다. 이것은 현재 한 달에 한 번 실시하고 있습니다. 아인슈타인에 따르면 시간도 중력장에 영향을 받기 때문에 모든 원자 시계가 동일한 고도에 위치해야 한다는 것도 중요합니다.
trends in automation: 현재의 시간 정의는 얼마나 오래 유효할까요?
울리히: 확실히 몇년 더 유지되겠지만, 차세대의 시계가 벌써 눈에 띄기 시작합니다. 소위 광학 시계라고 하는 이것은 오늘날 최고의 원자 시계보다 최소한 100배 이상 정확할 것으로 예상됩니다. 이것은 비슷한 원리로 작동합니다. 그러나 광학 시계의 경우, 우리가 전자를 여기시키는 복사가 10만 배 더 높은 진동 주파수를 가지며, 가시 범위 내에 있습니다. 따라서 광학 시계는 마이크로파 방사를 사용하는 대신, 고정밀 레이저의 빛으로 작동합니다.
PTB에는 이미 두 종류의 광학 시계가 있으며, 둘 다 원자 시계보다 약 10배 더 정확합니다. 그러나 향후 몇 년가 먼저 전 세계의 다양한 광학 시계를 비교하고 이것들이 모두 동일한 불확실성을 갖는지 여부와 어떤 불확실성이 있는지 관찰해야 할 것입니다. 적어도 그것은 새로운 기술 가능성에 초의 정의를 적용하기 위해 걸릴 시간입니다.
trends in automation: 이러한 새로운 개발에서 국제 파트너와의 협력은 어떤 역할을 담당할까요?
울리히: 1875년 도량 협약이 체결된 이후, 우리 계측 분야의 학자들은 국제적으로 매우 긴밀하며 건설적인 방식으로 협력해왔습니다. 물론 경쟁도 있었죠. 모두가 최고의 시계를 갈망하며 하루를 마무리했습니다. 이것은 꽤 성공적인 결과를 가져왔다고 할 수 있습니다. 이 기관의 원자 시계는 세계에서 가장 정확한 시계 중 하나입니다. 그리고 광학 시계 분야에서 우리는 현재 미국의 파트너 기관인 NIST(National Institute of Standard and Technology)와 우호적인 경쟁을 하고 있습니다.
trends in automation: 이 주제에 대해서 업무상으로도 매우 집중하고 계시는군요. 이것이 개인적인 삶에도 영향을 미치나요?
울리히: 저는 시간이 매우 귀중한 자산이라고 생각합니다. 그래서 최대한 활용하려고 하죠. 예를 들어, 저는 고도의 집중이 필요한 여러 작업을 한 블록 단위로 수행하는 경우가 많습니다. 하지만 이것이 중단되어 다시 시작해야 하는 경우 작업이 극도로 비효율적이기 때문에 방해받는 것을 좋아하지 않죠. 그렇기 때문에 보통 이른 아침이나 주말에 이러한 작업을 하고, 이 시간 동안에는 휴대 전화와 인터넷으로부터 비교적 거리를 두는 편입니다.
가장 어려운 부분은 업무 시간과 가족과의 시간의 균형을 맞추는 것입니다. 가장 큰 문제는 제가 일하기를 너무 좋아하고 이런 일을 업무로 보지 않는다는 것이라고 생각합니다. 일을 할 때면 시간을 잊곤 하거든요.
요아힘 울리히는 2012년부터 독일의 국립 계측학 연구소인 브라운슈바이크에 위치한 물리 기술 연방 기관의 회장입니다. 그전에는 하이델베르그에 위치한 막스 플랑크 핵 물리 연구소의 소장으로 근무하면서 "실험적 다중 입자 양자역학" 부서를 이끌었습니다. 그는 국제적으로 PTB 회장으로 인정받았으며, 함부르크의 DESY 또는 미국 스탠포드의 SLAC 국립 가속기 연구소와 같은 양자 물리학 및 자유 전자 레이저 실험 전문가로도 알려져 있습니다. 그는 자신의 연구로 독일 연구 재단의 고트프리트 빌헬름 라이프니츠 상과 필립 모리스 연구 상을 포함하여, 여러 상을 받았습니다.