측정할 수 없는 것을 측정하다
시간은 모든 문명이 붙잡으려 했던 유일한 자원이며, 인류 역사의 대부분 동안 그 노력은 놀라울 정도로 부정확했다. 농부는 계절을, 사제는 의식의 시간을, 선원은 만조의 순간을 알아야 했다. 그러나 이러한 질문에 답하기 위해 사용 가능한 도구는 땅에 드리운 그림자에서부터 물이 뚝뚝 떨어지는 항아리에 이르기까지 다양했다. 시간 측정의 역사는 인류가 미끄러운 추상 개념을 점점 더 정밀한 숫자로 서서히 잡아가는 이야기이며, 가장 가까운 시간 단위로 정확했던 장치에서 우주의 나이 동안 단 1초도 틀리지 않는 시계로 발전해 왔다.
다음은 고대 이집트의 해시계부터 오늘날 실험실에서 윙윙거리는 광격자 시계까지, 그 여정의 짧은 역사이다.
그림자와 햇빛: 최초의 시계
최초의 시간 측정 도구는 아래가 아닌 위를 바라보았다. 태양이 하늘을 가로지르면서 드리우는 그림자는 예측 가능한 호를 그리며 땅 위를 휩쓸었고, 키가 큰 물체는 모두 지침 역할을 할 수 있었다. 고대 이집트인들은 기원전 약 3500년경에 우뚝 솟은 오벨리스크를 세웠고, 그 움직이는 그림자는 낮 시간을 인식 가능한 부분으로 나누었다. 기원전 약 1500년경에는 이집트인들이 휴대용 그림자 시계(눈금이 표시된 눈금을 따라 그림자를 드리우는 가로 막대와 솟은 가로대)를 사용했다.
이러한 장치들은 해시계로 발전했으며, 그리스인과 로마인은 그림자를 만드는 막대(노몬)가 일 년 내내 시간을 일정하게 유지하려면 천구의 극을 향해 기울어져야 한다는 것을 이해함으로써 이를 개선했다. 해시계는 우아했고 유지 보수가 필요 없었지만, 두 가지 명백한 결함이 있었다. 밤에는 쓸모가 없었고 구름 아래에서는 무용지물이었다. 시간은 날씨에 의존할 수 없는 것이었다.
시간을 재는 물
해결책은 햇빛보다 더 신뢰할 수 있는 것, 즉 물의 꾸준한 흐름을 측정하는 것이었다. 물시계 또는 클렙시드라(그리스어로 "물 도둑")는 기원전 14세기 아멘호테프 3세 치세 무렵 이집트에 처음 등장했다. 가장 간단한 형태로, 물은 표시된 용기에서 거의 일정한 속도로 떨어졌고, 낮아지는 수위는 지나가는 시간을 나타냈다.
다양한 문화는 이 아이디어를 각기 다른 방향으로 발전시켰다. 그리스에서는 기술자들이 부유물, 기어, 문자판을 추가했고, 클렙시드라는 법정에서 연설가들의 연설 시간을 재는 설비가 되었다. 중국에서는 이 기술이 놀라운 수준에 도달했다. 1088년, 박학다식한 소송은 10미터가 넘는 물로 작동하는 천문 시계탑을 완성했으며, 여기에는 측정된 양의 물을 방출하여 기계 장치를 돌리는 이스케이프먼트 메커니즘이 통합되어 있었다. 이는 논란의 여지가 있지만 이후 등장할 기계식 시계의 개념적 조상이라고 할 수 있다.
물시계는 시간 측정을 태양으로부터 해방시켜 밤이나 어떤 날씨에도 시간을 셀 수 있게 했다. 그러나 물은 얼고, 증발하며, 용기가 가득 찼을 때 거의 비었을 때보다 더 빨리 흐른다. 정확성은 여전히 손에 닿지 않는 곳에 있었다.
기계식 혁명
결정적인 전환은 중세 유럽에서 일어났다. 13세기 후반 어느 때, 이름 없는 장인(이 발명에는 단일한 발명가가 없다)이 버지 이스케이프먼트를 고안했고, 이와 함께 기계식 시계가 탄생했다.
원리는 독창적이었다. 떨어지는 추는 일정한 동력을 제공했지만, 핵심은 그 동력을 한꺼번에 방출하지 않고 통제된 증분으로 방출하는 것이었다. 버지 이스케이프먼트는 양쪽 끝에 추를 달아 앞뒤로 흔들리는 수평 막대(폴리옷)를 사용했으며, 흔들릴 때마다 톱니바퀴와 맞물렸다가 풀렸다. 각 진동은 기어 트레인이 한 번의 측정된 단계만큼 전진하도록 했다. 이 똑딱거리는 소리(이스케이프먼트의 청각적 특징)는 기계 문명을 정의하는 소리라고 할 수 있다.
14세기 전반에 걸쳐 대성당과 마을 탑에 설치된 이 초기 시계들은 현대 기준으로 볼 때 조잡했으며, 하루에 15분 이상 오차가 나는 경우가 많았다. 종종 문자판이 전혀 없었고, 종을 울리기 위해서만 존재했다(clock이라는 단어는 라틴어 clocca(종)에서 유래했다). 그럼에도 불구하고, 이 시계들은 심오한 것을 나타냈다. 처음으로 기계가 태양, 물, 계절과 완전히 독립적으로 자체 내부 운동에 의해 시간을 측정한 것이다.
호이겐스와 진자
거의 4세기 동안 기계식 시계는 답답할 정도로 부정확하게 남아 있었다. 폴리옷은 자체적인 자연 리듬이 없었기 때문에 메커니즘이 밀어주는 대로 빠르거나 느리게 흔들렸기 때문이다. 돌파구는 1656년 네덜란드 과학자 크리스티안 호이겐스가 최초의 실용적인 진자 시계를 만들면서 찾아왔다.
호이겐스는 갈릴레오의 이전 관찰(주어진 길이의 진자는 흔들림의 폭에 관계없이 놀랍도록 일정한 주기로 흔들린다)을 활용했다. 이 자연스러운 규칙성을 시계의 시간 측정 요소로 활용함으로써 호이겐스는 거의 하룻밤 사이에 해당 분야를 혁신했다. 최고의 기계식 시계가 하루에 수 분씩 오차를 보였던 반면, 그의 진자 시계는 곧 약 15초 이내로 정확해졌고, 이후 개선을 통해 오차는 하루에 1초 미만으로 줄었다.
그 도약은 엄청났다. 단 한 번의 개선으로 약 100배의 정확도 향상이 이루어진 것이다. 진자 시계는 이후 270년 동안 세계에서 가장 정확한 시간 측정 도구로 남아 천문대에 자리 잡고 국가의 공식 시간을 정의했다.
경도 문제
정확한 시계는 단순한 과학적 호기심이 아니었다. 그것은 그 시대의 가장 큰 실용적 과제 중 하나인 바다에서의 위치 찾기의 핵심이었다. 선박의 위도는 태양이나 별의 고도로부터 읽을 수 있었지만, 경도에는 그러한 쉬운 해결책이 없었다. 지구가 매시간 경도 15도를 회전하기 때문에, 선원이 고정된 기준점의 정확한 시간을 알고 이를 선상의 현지 정오와 비교하면 동쪽 또는 서쪽으로 얼마나 항해했는지 계산할 수 있었다. 문제는 동요하고, 온도가 변하며, 염수에 노출되는 배에서 정확한 시간을 유지할 수 있는 시계가 없었다는 것이다. 진자는 흔들리는 갑판에서는 쓸모가 없었다.
그 대가는 치명적이었다. 해결책이 없어 배가 좌초하고 재산이 침몰했으며, 1714년 영국 의회는 신뢰할 수 있는 해결책에 대해 막대한 상금을 걸었다. 여기에 평생을 이 문제에 바친 요크셔 출신의 독학 목수이자 시계 제작자 존 해리슨이 등장했다. 수십 년에 걸쳐 그는 일련의 선박용 크로노미터를 제작했으며, 1759년에 완성된 그의 걸작 H4에서 절정에 달했다. 작고 보석처럼 정교했던 H4는 선박의 움직임에 영향을 받지 않는 빠르게 진동하는 밸런스 휠을 사용했다. 1761년 자메이카로의 항해에서 H4는 81일 동안 약 5초만을 잃었는데, 이는 거의 기적처럼 보이는 정확도였다. 해리슨은 경도 문제를 해결했고, 그렇게 함으로써 이후 수세기 동안의 신뢰할 수 있는 글로벌 항해를 가능하게 했다.
석영: 기어 없는 시간
다음 혁명은 기계적 움직임을 완전히 포기했다. 1927년, 벨 전화 연구소의 엔지니어 워렌 매리슨과 J. W. 호튼이 최초의 석영 시계를 제작했다. 석영 결정에 전류를 가하면 압전 효과라고 하는 특성으로 인해 매우 안정적인 주파수로 진동한다. 이러한 진동을 전자적으로 계산함으로써 시계는 흔들리는 진자나 마모될 이스케이프먼트 없이 시간을 유지할 수 있었다.
석영 시계는 곧 최고의 진자 기기를 능가했으며, 20세기 중반까지 새로운 실험실 표준이 되었다. 그러나 진정한 승리는 소형화였다. 1970년대까지 석영 무브먼트는 손목시계에 들어갈 수 있을 정도로 저렴하고 작아져, 19세기 천문대 시계보다 더 정확한 시간 측정을 일반인의 손목에 제공했다. 오늘날 여러분의 팔에 찬 석영 시계는 그 1927년의 돌파구의 직계 후손이다.
원자 시대
석영에도 한계는 있다. 결정은 온도와 노화에 따라 약간씩 달라지기 때문이다. 궁극적인 기준은 자연 자체, 즉 원자의 변하지 않는 행동에서 나와야 했다. 1955년, 영국 국립 물리 연구소의 루이스 에센과 잭 패리가 최초의 정확한 세슘 원자 시계를 제작했다. 이 시계는 세슘-133 원자의 공명 주파수로 시간을 측정했는데, 이 원자는 물리 법칙에 의해 본질적으로 고정된 매우 일관된 주파수로 마이크로파 복사를 흡수하고 방출한다.
원자 시계는 이전의 어떤 것보다 훨씬 뛰어나서 시간 자체의 재정의를 강요했다. 수천 년 동안 초는 지구의 자전(하루의 분수)에 의해 정의되었다. 그러나 지구는 흔들리고 점차 느려지는 시간 측정자이다. 그래서 1967년, 국제 사회는 공식적으로 SI 초를 세슘-133 원자의 복사가 9,192,631,770번 진동하는 것으로 재정의했다. 처음으로 시간의 기본 단위가 천체로부터 분리되어 원자에 고정된 것이다.
원자 시간의 정밀도는 곧 다른 단위들도 재편성했다. 1983년, 미터는 빛이 진공에서 1/299,792,458초 동안 이동하는 거리로 재정의되었다. 빛의 속도는 이제 자연의 고정 상수로 취급되기 때문에, 거리 자체가 시간으로 정의된다. 이 상수는 엄청나게 커서 빛은 약 시속 10억 8천만 km(진공 내 빛의 속도 으로 킬로미터/시간) 또는 시속 약 6억 7100만 마일(진공 내 빛의 속도 으로 마일/시)을 이동하는데, 이것이 1초의 극히 일부만으로도 1미터와 그 이상을 측정할 수 있는 이유이다.
미래: 우주 시대를 위한 시계
시간 측정은 세슘에서 멈추지 않았다. 오늘날의 최전선은 광격자 시계에 속한다. 이 시계는 수천 개의 원자(종종 스트론튬 또는 이터븀)를 레이저 광선 격자에 가두고 마이크로파 주파수가 아닌 광학 주파수에서 진동을 읽는다. 세슘보다 수십만 배 빠르게 똑딱거리기 때문에 놀라운 정밀도로 측정할 수 있다.
이 시계들 중 최고는 수십억 년(현재 우주의 나이보다 더 긴 기간) 동안 단 1초도 빨라지거나 느려지지 않을 정도로 안정적이다. 이러한 정확성은 단순한 과시가 아니다. 시계가 지구 중력장에서 불과 몇 센티미터 더 높이 올라갔을 때 아인슈타인이 예측한 시간의 미세한 느려짐을 감지할 수 있을 정도로 정밀하여, 시계를 지질학, 항법 및 기초 물리학을 위한 센서로 사용할 수 있는 길을 열어준다. 세슘이 아닌 광학 전이에 기반한 미래의 초 재정의가 향후 몇 년 내에 널리 예상된다.
그림자에서 시간대까지
오벨리스크의 그림자에서 갇힌 원자의 격자까지, 시간 측정의 궤적은 정밀도를 향해 끊임없이 구부러져 왔다. 각각의 도약(이스케이프먼트, 진자, 크로노미터, 석영, 원자)은 세계를 더욱 긴밀하게 동기화시켰다. 이러한 정밀도는 현대 생활의 보이지 않는 기반이다. 위성을 조정하고, 금융 거래에 타임스탬프를 찍으며, 대륙을 넘어 인터넷의 보조를 맞춘다.
또한 여러분이 매일 사용하는 것의 기초이기도 하다. 깔끔하게 정리된 시간대 덕분에 전 세계에 걸쳐 통화 일정을 잡거나 지구 반대편 비행기를 잡을 수 있는 것은 우리 모두가 시간이 실제로 몇 시인지에 대해 1초 미만의 단위로 동의할 수 있기 때문이다.
자주 묻는 질문
시간을 알려주는 최초의 장치는 무엇이었나요?
최초의 시간 측정 도구는 그림자 기반이었습니다. 기원전 약 3500년경에 세워진 고대 이집트의 오벨리스크는 움직이는 그림자를 드리워 하루를 나누었고, 기원전 약 1500년경에는 이집트인들이 휴대용 그림자 시계를 사용했습니다. 이것들은 그리스인과 로마인에 의해 개량된 해시계로 진화했습니다. 그 한계는 명백했습니다. 햇빛이 있고 맑은 날씨에만 작동한다는 것이었습니다.
진자 시계를 발명한 사람은 누구인가요?
네덜란드 과학자 크리스티안 호이겐스는 갈릴레오의 관찰(진자는 일정한 주기로 흔들린다)을 활용하여 1656년 최초의 실용적인 진자 시계를 제작했습니다. 이는 정확도를 약 100배 향상시켜 하루에 수 분의 오차에서 초 단위 오차로 줄였으며, 진자 시계는 250년 이상 세계에서 가장 정확한 시간 측정 도구로 남았습니다.
시계는 선원들이 자신의 위치를 찾는 데 어떻게 도움이 되었나요?
지구가 매시간 경도 15도를 회전하기 때문에, 고정된 기준점의 정확한 시간을 아는 선원은 이를 선상의 현지 정오와 비교하여 경도를 계산할 수 있습니다. 1759년에 완성된 존 해리슨의 선박용 크로노미터 H4는 바다에서 충분히 정확한 시간을 유지하여 이 "경도 문제"를 해결했으며, 81일간의 항해 동안 약 5초만을 잃었습니다.
오늘날 1초는 어떻게 정의되나요?
1967년 이후로, SI 초는 세슘-133 원자가 방출하는 복사의 정확히 9,192,631,770번의 진동으로 정의됩니다. 이는 너무 불규칙했던 지구 자전에 기반한 이전의 정의를 대체했습니다. 최초의 정확한 세슘 원자 시계는 1955년 루이스 에센과 잭 패리에 의해 제작되었습니다.
지금까지 만들어진 가장 정확한 시계는 무엇인가요?
오늘날 가장 정확한 시계는 광격자 시계로, 스트론튬이나 이터븀과 같은 원자를 레이저 빛에 가두고 광학 주파수 진동을 읽습니다. 최고의 시계는 수십억 년(우주의 나이보다 더 긴 기간) 동안 단 1초도 빨라지거나 느려지지 않을 정도로 안정적입니다.