파리의 근교 지하 금고 안에 보관된 매스터 킬로그램
현재 우리가 흔히 질량을 잴 때에 사용되는 킬로그램의 정의가 오늘 새롭게 내려졌다.
2018년 11월 16일 금요일에 프랑스의 베르사이유에서 개최된
제 26차 국제 도량형 총회(General Conference on Weight and Measures)가
58개국에서 온 metrologists (도량형학 과학자들)이 참석한 가운데 열렸다.
General Conference on Weights and Measures 회의
이 회의에서 현재까지 프랑스의 금고에 잘 보관되어 있는 'Le Grand K'라고 불리우는
주괴(Ingot)을 토대로 해서 정해진 1 킬로그램의 정의를
어느 특정된 한 물체의 무게가 아니라, 전자기력를 측정해서
플랑크의 상수에 의거한 새로운 정의를 내리기로 의결했다.
Plank's constant(플랑크의 상수)는 진동수당 에너지의 단위로
독일의 물리학자 막프 플랑크가 정립했는데, 측정때마다 값이 달라져서
지난해 GCWM에서 6,6260715 x 10^-34 로 정의내린 바 있다.
하지만, 그래프에서 보듯이 이 매스터 버전과
공식적으로 6개의 킬로그램 복사본(copy)를 만들어서
세계 각처에 보내진 무게들이 일치하지 않고 있다.
이처럼 킬로그램의 원형에서 질량이 변하게 되면서
변하지 않는 플랑크 상수를 사용해서 새롭게 킬로그램의
정의를 내리겠다는 계획이 세워지게 되었다.
5,000여년 인간의 역사 속에서 사람들은 늘 많은 것들을 측정해 오면서 살아 왔다.
예를 들면, 길이를 측정할 때는 사람의 발이나 손의 크기를 토대로 한 단위를 쓰여지기도 했고,
지중해 연안 무역 상인들은 밀이나 보리의 무게를 무게의 단위로 쓰여졌다.
로마시대에 사용되던 리브라(libra)는 1,728 실리콰(siliqua: carats)는
캐럽(carob) 씨의 무게를 토대로 한 단위였다.
길이의 단위인 피트(feet)는 이 단위를 사용하는 국가마다 조금씩 차이를 보이기도 한다.
프랑스에서 사용하는 피트는 790년에 샬레망 황제의 지시로 시작한 후에,
약 1,000년이 지난 뒤에 18세기부터 사용되는 1 푸트(pied du roi/king's foot)는
32.5 cm로 이웃 국가인 벨기에의 1 푸트보다 1 cm가 짧은 31.5 cm 이고,
이 벨기에의 푸트를 영국에서는 1300년까지 사용되었다.
한편 부피를 재는 단위인 '탈렌트'는 약 28 kg 에 달하는 커다란 항아리를 채운 물의 부피였다.
그리스, 이집트, 그리고 바빌로니아에서 사용된 이 탈렌트는 서로 몇 kg씩 차이를 보였지만,
서로 동일한 단위를 쓰는 것에 합의하지는 못한 채 사용되었다.
같은 국가 내에서도 단위를 하나로 정하는 것도 어려운 것을 마찬가지였는데,
예로, 프랑스 내에서도 북부 지역에서 사용하던 길이의 단위 lieue(league)는
약 3 km 였는데 반해서, 남부 프랑스에서는 약 6 km 길이였다.
르 그랑 K('Le Grand K')로 알려진 국제 킬로그램의 원형
이렇게 오랜 세월동안 국가들 사이나 한 국가 내에서도 서로 합의를 보지 못하던 측정기준을
프랑스가 프랑스 혁명후인 1799년에 혁명 사상을 내세워서 미터법에 준한 단위를 법으로 제정했다.
길이와 무게의 단위를 단일화하기 위해서 플라트넘과 이리디엄 합금 소재로
1 kg 에 달하는 원기둥이 주조되었고, 1 미터 길이에 해당하는 자도 제작되어서
나폴레옹이 유럽과 북 아프리카의 국가들을 점령한 지역마다
이 새로운 측정 단위 (the Système international d’unités: 흔히 SI Unit)를
강제로 실시하게 시작한 후로 점차 전 세계로 퍼져서
현재는 미국, 미얀마와 라이베리아만 제외하고 전 세계가 공식 단위로 사용하고 있다.
이제까지 사용해 오던 킬로그램은 플라티넘과 이리디움 금속 소재의
골프공만한 크기의 물체로 질량의 변화를 막기 위해서
세 겹의 유리 용기에 담겨져서 파리 근교에 있는 건물 지하 금고에 안전하게 보관되어 왔다.
이 물체를 다루려면, 국제 단위 협회(Bureau Internationale des Poids et Mesures: BIPM)의
감독하에 세명이 각각 소지한 세개의 다른 열쇠가 있어야지 열 수가 있다.
이렇게 철저한 보안을 기해서 129년간 킬로그램의 원형을 잘 보관해 왔지만,
그동안 원형을 만든 자재의 미세한 양이 사라졌는데,
이는 킬로그램의 원형을 기준으로 하면, 전체 우주의 질량이 그만큼 무거워진 셈이다.
국제 단위 시스템(The International System of units, or SI)
Image courtesy of BIPM.
SI의 모든 단위는 빛의 속도, 전자(electron)의 charge와 플랭크의 상수(Planck's constant)
어떤 상황에서도 변하지 않는 공통의 상수(constant)를 토대로 해서 만들어진 시스템으로
지구촌의 모든 국가들이 서로 합의해서 인정된 시스템으로
우리의 삶과 뗄레야 뗄 수 없을만큼 깊숙하게 관여 되어 있다.
오늘처럼 국제적으로 중요한 기초 단위의 정의를 내리게 된 계기는
시간의 기초 단위인 1초의 새로운 정의가 내려지면서 제기되어 왔다.
1967년에 시간의 단위인 초의 정의가 지구의 자전을 토대로 만들어진 것과 달리
시지움(cesium-133) 원소로 만든 원자 시계를 토대로 한 단위이며,
9,192,631,770Hz 주파수의 마이크로 웨이브의 에너지를 가하면
시지움 원자내의 전자(electron)가 한 에너지 레블을 건너 뛸 수 있게 되는데,
이 주파수에 맞추어 놓고 전기파동을 측정해서 새롭게 1초의 개념을 확립했다.
한 예로 우리가 요즘 보편적으로 차고 다니는 quartz 시계도 같은 개념으로 작동한다.
덤으로 빛의 밝기를 측정하는 단위인 칸델라(candela)는
하나의 초를 밝힌 것이 토대가 되었는데,
이 또한 1979년에 인간의 눈이 가장 예민하게 반응하는
초록빛 스펙트럼에서 발산하는 빛의 밝기를 토대로 새 정의가 세워졌다.
1983년에는 길이의 기준 단위인 미터의 개념을 변하지 않는 빛의 속도를 토대로
빛이 진공 상태에서 1/299,792,458 초에 이동한 거리로 정립했다.
아보가드로 프로젝트에서 제작된 실리콘 구(Silicon sphere)
세계에서 가장 완벽하게 둥근 물체(The roundest obecjects in the world)인
이 실리콘 크리스탈은 이 물체를 속해 있는 원자의 숫자로 측정하게 된다.
Image courtesy of NIST
인간이 무게를 측정하기 위해서 이미 3,000년 전부터 이집트에서
두개의 물체를 비교하기 위해서 저울이 사용되어 왔는데,
이는 인간의 발명품 중에 아주 획기적인 도구였다.
저울처럼 무게를 측정하는데 공식적으로 인정받은 다른 물체와 비교하는 대신에
과거 10년간 단위 과학들은 플랭크의 상수와 관련된 두가지 방식으로 연구해 왔다.
하나는 유럽과 호주, 아시아 그리고 미국에서 소위 '아보가드로 프로젝트' 일컫는 연구로
완전한 실리콘 결정체를 만드는데 주력했다.
그래서 실리콘 28 동위원소를 사용해서 킬로그램의 원형인 Le Grand K 의 무게와
동일하게 만든 크리스탈의 정확한 실리콘 원자의 숫자를 파악하기 위해서
이 크리스탈을 만들기 위해서 렌즈계의 최고자를 고용해서
원자적으로도 거의 완벽한 실리콘 구(sphere)를 만들고자 했다.
그렇게 되면 탄소-12 12 그램에 포함된 원자의 숫자인
아보가드로 상수의 정확한 정의를 내릴 수도 있고,
더 정밀한 플랭크의 상수를 알아낼 수 있을 것으로 전망했다.
이렇게 아보가드로 프로젝트에서 만들어진 실리콘 구는
"세계에서 가장 원형인 물체"라는 이름이 붙여졌는데
아보가드로 상수의 새로운 정의를 확립하는데 큰 도움이 되었다.
참고로 새로 정의된 아보가드로 상수는 6.02214076 × 10^23이다.
저울의 양쪽이 발란스가 될 때까지 소요된 전자기력을 측정해서 내려진
새로운 킬로그람의 정의
두번째 연구팀은 영국 출신 발명가의 이름에서 따 온 키블 저울(Kibble balance) 혹은
와트 저울(watt scale)이라고 불리우는아주 정밀한 저울을 제작하는데 주력했다.
키블 저울은 인간이 고대부터 곡식이나 금덩어리의 무게를 측정하던 저울의 논리가 비슷하다.
예전처럼 저울의 양쪽에 놓여진 물체의 무게를 비교하는 대신에
얼마만큼의 전자기력(electromagnetic force)이 필요한 지를 측정한다.
아울러 레이저 인터페로메터가 키블 저울의 아주 미미한 움직임을 측정하며,
늘 다른 계기로 밀물과 썰물 현상으로 지각의 밀도가 변하는 영향으로
수시로 변하는 중력에 따라 조절해 주기도 한다.
한편 1 kg 무게를 측정하는데 필요한 에너지는 플랭크 상수에 달렸다.
NIST-4 키블 발란스(저울)은 예전처럼 중력 대신에
전자기학(electromagnetism)을 사용해서 물체의 정확한 질량을 측정할 수 있다.
Credit :Matt Roth
지금까지 사용해 오던 Le Grand K의 정확한 복사본을 만들어서
키블 저울을 사용해서 소숫점 여덟번째까지 정확한 플랭크 상수를 파악하게 되면,
우주 어디서라도 어떤 특정된 물체 없이도 플랭크 상수만으로 무게를 측정할 수 있게 된다.
다행히도 아보가드로 프로젝트에서 측정된 수치와
키블 저울에서 측정된 수치와도 일치해서
보다 정확한 우주의 상수라고 일컬어지는 플랭크 상수(h)와
한층 더 근접하게 되었다.
새로운 정의에 맞게 제작되고 있는 키블 저울(Kibble balance)
Image courtesy of BIPM.
세계 측정의 날(World Metrology Day) 날인 2019년 5월 20일부터
새롭게 정의된 킬로그램의 단위가 공식적으로 적용될 예정이다.
하지만 우리가 일상적으로 다양한 용도로 늘 무게를 측정하는데
아무런 변화를 느끼지 못할 정도로 지극히 미미한 차이에 불과하다.
하지만 천문학자들이 별들과 은하계의 움직임을 측정하거나,
약리학사들이 약 처방을 내릴 때에 입자 단위로 계산해야 할 경우에는
새로운 킬로그램의 정의가 중요한 변수가 될 수 있다.
58개국을 대표해서 국제 도량형학 총회에서 참석한 과학자들이
4개의 기초 단위들 kg, mole, kelvin과 ampere 의 새로운 정의가 가결된 후
축하의 박수를 치고 있다.
Credit:Matt Roth
시간의 단위인 초, 길이의 단위인 미터, 무게의 단위 킬로그램의 새로운 정의가 부여된 것처럼,
모든 원소내에 존재하는 전자(electron)와 관련된 전류의 단위 암페어(ampere),
볼츠만의 상수(k)와 관련된 온도의 단위 켈빈(kelvin)과
아보가드로 상수와 관련된 화학적으로 입자의 수 단위인 몰(Mole) 의 새로운 정의도
이번 총회에서 채택되었다.
