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아인슈타인 일반상대성 이론 시간지연 1㎜ 절반까지 입증

송고시간2022-02-17 16:49

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원자시계는 레이저로 원자의 진동수를 세어 정확한 시간을 산출하는데, 현존하는 최고의 원자시계보다 "50배 이상 더 정확한" 장치가 개발된 것으로 발표됐다.

AFP통신과 IT 전문매체 씨넷(CNET) 등에 따르면 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 볼더 콜로라도대학 공동연구소인 JILA의 예쥔 박사가 이끄는 연구팀은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론에서 제시된 중력에 따른 시간지연(time dilation) 효과를 1㎜ 절반까지 입증한 연구 결과를 과학 저널 '네이처'(Nature)에 공개했다.

일반 상대성이론은 지구와 같은 큰 질량에 가까이 갈수록 시간이 더 느리게 가는 것으로 제시하고 있다.

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최고 원자시계 50배 더 정확한 장치로 가능…3천억년에 1초 오차 원자시계도 발표

JILA 실험 장치
JILA 실험 장치

[Jacobson/NIST 제공/ 재판매 및 DB 금지] photo@yna.co.kr

(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 원자시계는 레이저로 원자의 진동수를 세어 정확한 시간을 산출하는데, 현존하는 최고의 원자시계보다 50배 이상 더 정확한 장치가 개발됐다는 보도가 나왔다.

AFP통신과 IT 전문매체 씨넷(CNET) 등에 따르면 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 볼더 콜로라도대학 공동연구소인 JILA의 예쥔 박사가 이끄는 연구팀은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론에서 제시된 중력에 따른 시간지연(time dilation) 효과를 1㎜ 절반까지 입증한 연구 결과를 과학 저널 네이처에 공개했다.

연구팀은 이를 입증하는데 이용된 원자시계가 현존 최고 원자시계보다 50배 더 정확하며, 양자역학 분야에서 새로운 발견의 길을 닦고 아(亞)원자 세계의 규칙서가 될 것이라고 했다.

일반 상대성이론은 지구와 같은 큰 질량에 가까이 갈수록 시간이 더 느리게 가는 것으로 제시하고 있다. 체감하기는 어렵지만 높은 산보다는 바다에서 시간이 더 느리게 간다는 것이다.

이 이론은 1915년에 제시됐지만, 시간을 정밀하게 측정할 수 있는 원자시계가 나온 뒤에야 입증되기 시작했다.

1976년 지구 1만㎞ 상공에서 진행한 초기 실험에서는 73년마다 1초가 더 빠르게 가는 것으로 나타났으며, 이후 시간 차이가 나타나는 높이는 점점 더 좁혀져 2010년에는 NIST가 33㎝에서도 발생하는 것을 입증했다.

이번 연구에서 이를 1㎜의 절반으로 좁혀 놓았는데, 이를 측정할 수 있을 만큼 원자시계가 정밀해진 셈이다.

연구팀은 레이저망으로 원자를 고정하는 광격자를 이용해 스트론튬(Sr) 원자 10만 개를 팬케이크처럼 일렬로 쌓아 약 1㎜ 높이로 만든 뒤 이를 절반으로 나눠 윗부분과 아래의 상대적 시간 차이를 확인했다.

예 박사는 AFP통신과의 회견에서 이 정도의 원자시계 정확성은 사실상 센서로서 작용할 수 있다면서 "시공은 서로 연결돼있고 시간을 정확히 측정하면 공간이 어떻게 변할지를 실시간으로 알 수 있다"고 밝혔다.

예컨대 화산활동 지역에 이런 초정밀 시계를 설치하면 암석과 용암의 차이를 알려줘 폭발 시점을 예측할 수 있으며 지구온난화로 초래되는 해빙과 해수면 상승 등을 정확히 연구할 수 있다고 했다.

한편 매디슨 위스콘신대학 물리학교수 시몬 콜코비츠 박사가 이끄는 연구팀도 3천억년에 1초 오차가 발생하는 원자시계를 개발했다고 네이처에 발표했다.

씨넷은 이 원자시계가 JILA팀이 개발한 모델보다 정확도가 떨어진다는 점을 콜코비츠 교수팀이 인정했다고 보도했다.

하지만 콜코비츠 박사는 "JILA팀의 10분의 1밖에 안 되는 성능의 레이저를 사용하고도 비슷한 정확도를 달성한 것은 놀라운 것"이라면서 "우리가 사용한 레이저가 현장에서 볼 수 있는 것에 더 가깝다는 점에서 현실 세계 적용에서는 더 중요하다"고 강조했다고 전했다.

eomns@yna.co.kr

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