3000만 년에 1초 오차? 인류 첫 '스스로 서는' 핵시계가 나왔다

인류가 시간을 재는 방식이 또 한 번 바뀔지도 모릅니다. 오스트리아 빈 공과대학(TU Wien) 연구진이 세계 최초의 '자기 안정화 핵시계(nuclear clock)'를 만들어 24시간 넘게 스스로 작동시키는 데 성공했습니다. 지금까지는 원자시계에 기대야 했던 것을, 이제는 원자핵이 직접 기준이 되는 겁니다.

왜 '원자'가 아니라 '원자핵'인가

현재 최고 정밀도 시계는 원자 속 전자의 에너지 준위 전이를 기준으로 삼는 광학 원자시계입니다. 그런데 원자핵은 원자보다 1만 배 이상 작습니다. 작다는 건 외부 환경—온도 변화, 전자기장, 진동—에 덜 흔들린다는 뜻입니다. 그래서 원자핵의 전이를 기준으로 삼으면 이론적으로 훨씬 정밀한 시계가 가능합니다.

문제는 '핵'은 다루기 어렵다는 것

보통 원자핵의 에너지 준위를 바꾸려면 엄청난 에너지가 필요합니다. 그런데 토륨(Thorium)은 예외입니다. 두 에너지 준위 사이의 간격이 유난히 작아서, 레이저 빛으로 전이를 일으킬 수 있습니다. 과학자들이 수십 년간 토륨을 연구해 온 이유입니다.

2024년 4월, 빈 공대의 토르스텐 숨 교수팀과 독일 PTB 브라운슈바이크의 에케하르트 파이크 팀이 마침내 그 전이를 실험적으로 확인했습니다. 같은 해 가을에는 토륨 장치를 기존 광학 원자시계에 연결해 '핵이 시간 기준이 될 수 있다'는 원리를 보여줬죠. 다만 아직 스스로 정확도를 유지하는 능력이 없었습니다.

'자기 안정화'가 뭔데

숨 교수의 설명은 이렇습니다. ‘레이저가 토륨 원자핵의 에너지 상태를 바꾸고, 그 토륨 원자핵이 다시 레이저의 진동수를 안정화한다.’ 빈 공대에서 제작한 토륨 함유 결정에 레이저를 쪼이면, 핵은 정확한 진동수의 빛만 흡수합니다. 레이저가 미세하게 흔들리면 흡수량이 줄어들고, 시스템이 이를 감지해 자동으로 레이저를 되돌립니다. 이 피드백 고리만으로 시계가 계속 같은 박자로 똑딱거리는 겁니다. 기존 원자시계에 의존하지 않고요.

얼마나 정확할까

하루 동안 측정한 상대 정밀도는 약 10⁻¹⁵. 3,000만 년에 1초 오차 수준입니다. 물론 실제로 3,000만 년을 돌려본 게 아니라, 측정된 정밀도로 환산한 값입니다.

솔직히 말하면, 아직 세계 최고 수준의 광학 원자시계보다는 정밀도가 낮습니다. 숨 교수도 ‘첫 프로토타입 치고는 환상적인 결과’라고 말했습니다. 더 강력한 레이저와 고품질 토륨 결정을 확보하면 정밀도를 크게 끌어올릴 수 있다고 봅니다.

시계가 정확해지면 뭐가 좋아지나

시간을 정밀하게 재면 다른 물리량도 더 정밀하게 잴 수 있습니다. 중력의 미세한 차이, 지각의 변형, 심지어 기본 상수의 미세한 흔들림까지 감지할 수 있는 도구가 생기는 셈입니다. GPS가 이미 일상이 된 것처럼, 정밀 측정의 진보는 결국 우리 삶의 인프라를 바꿉니다.

여러분은 '1초'를 얼마나 정확하게 정의할 수 있다고 생각하셨나요? 댓글로 알려주세요!

참고 자료

• ScienceDaily — Scientists build a nuclear clock that could make atomic clocks obsolete (2026.10): https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261008102701.htm
• TU Wien (Institute of Atomic and Subatomic Physics) / PTB Braunschweig

이미지 출처 및 라이선스

• 이미지 1: Nuclear clock concept 도해 — Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
• 이미지 2: Optical atomic clock (NIST) — Wikimedia Commons, Public domain