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5강 킬로그램의 정의가 바뀌었다고? 왜? 어떻게?: 이호성 한국표준과학연구원 책임연구원 2편 본문

완결된 연재/(完) 물리 어벤져스 2019 스케치

5강 킬로그램의 정의가 바뀌었다고? 왜? 어떻게?: 이호성 한국표준과학연구원 책임연구원 2편

Editor! 2019. 12. 11. 14:32

한국 물리학회 교육 위원회가 주관하고 (주)사이언스북스가 후원하는 「물리 어벤져스 2019」 시즌 2의 문이 열렸습니다. 다시 시작하는 「물리 어벤져스 2019 시즌2」 첫 번째 강연의 주인공은 한국표준과학연구원 책임연구원 이호성 박사님이었습니다. 한국 물리학회의 가을 회의 기간 중인 지난 10월 24일(목)에 광주 광역시 김대중 컨벤션 센터 214호에서 진행된 강연에서 이호성 박사님은 “킬로그램의 정의가 바뀌었다고? 왜? 어떻게?”라는 제목으로 보다 정확하게 단위를 정의하기 위해서 끊임없이 노력해 온 물리학자들의 이야기를 들려주셨습니다. “변화무쌍한 이 세상에 과연 변하지 않는 것이 있을까?”라는 질문에 대한 물리 표준의 부단한 답 찾기를 엿보는 강연이었습니다. 취재 및 정리는 프리랜서 작가 신연선 선생님께서 맡아 주셨습니다.


 

물리 어벤져스 2019 5강
킬로그램의 정의가 바뀌었다고? 왜? 어떻게?: 이호성 한국표준과학연구원 책임연구원 2편

 

이호성 박사 프로필 사진.

한국표준과학연구원 책임연구원 이호성 박사님은 『기본 상수와 단위계』, 『시간 눈금과 원자 시계』 등의 책을 통해 대중과도 만나 온 한국 최고의 물리 표준 전문가입니다. 1986년부터 한국표준과학연구원에 30년 이상 근무하면서 우리나라 최초의 세슘 원자 시계를 개발하는 등 대한민국 표준시와 관련된 연구를 수행해 왔습니다. 현재는 한국표준과학연구원 책임연구원으로 기본 물리 상수, 시공간 기준계, 시간 눈금 등에 관한 연구를 수행하고 계시죠. 말 그대로 우리나라 최고의 시간 단위 전문가입니다.

지난 10월 24일(목), 「물리 어벤져스 2019 시즌2」 첫 번째 강연자로 선 이호성 박사님은 “킬로그램의 정의가 바뀌었다고? 왜? 어떻게?”라는 제목으로 2019년 5월부터 새롭게 정의된 킬로그램 국제 기준에 대한 역사적 배경과 현재를 살펴보았습니다. 단위의 정확한 정의는 어떤 의미를 가질까요? 단위를 정확하게 정의하기 위해 과학자들은 어떤 노력을 해왔을까요? 이호성 박사님이 들려주는 흥미진진한 이야기입니다. 오늘은 그 두 번째 편입니다.

 

현대 단위 체계의 핵심은 플랑크 상수 h의 값

이제 플랑크 상수에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 먼저 ‘복사 법칙’입니다.

“대장간에서 철 기구를 만들던 사람, 가마에서 도자기를 굽던 사람들에게는 온도 조절이 중요했는데요. 이들은 불빛을 보고 온도를 가늠했다고 합니다. 백열 전구도 같은 맥락에서 이해할 수 있습니다. 이것을 처음 만들었을 때 너무 뜨거워서 필라멘트가 빨리 닳고, 밝지도 않은 문제가 있었어요. 독일의 지멘스라는 회사가 빌헬름 빈에게 안 뜨거우면서도 밝은 전구를 만들어 달라고 의뢰를 했죠. 빌헬름 빈이 온도에 따른 빛의 파장별 빛의 세기 공식을 구했습니다. 그 공식을 구한 덕분에 1911년 노벨상을 받았어요.”

하지만 ‘왜?’인지는 알지 못했습니다. 그러다 로드 레일리와 제임스 진스가 흑체 복사 이론을 만들었지만 역시 문제가 있었죠. 이 이론이 자외선 영역에는 맞지 않았다는 것입니다. ‘자외선 파탄’이라는 말이 나온 배경입니다. 
그리고 막스 플랑크가 등장합니다. 

플랑크 상수 h. 이호성 박사의 강연 자료에서.

“막스 플랑크는 과감하게 빛의 에너지가 양자화되어 있다고 가정합니다. 쉽게 말해 빛이 연속적인 것이 아니라 하나하나의 알맹이 같다는 이야기입니다. 1900년경 막스 플랑크가 에너지 양자 개념을 처음 도입한 거예요. 막스 플랑크는 두 번이나 노벨상 후보에 올랐다 떨어졌는데요. 그만큼 그 당시에는 혁신적인 아이디어였기 때문입니다. 그러다 아인슈타인이 ‘광전 효과’를 발견하여 노벨상을 받지 않습니까. E=hv 를 ‘플랑크-아인슈타인식’이라고 하는데요. 그래서 오늘날은 플랑크를 양자 역학의 효시라고 부르기도 합니다.”

이호성 박사님은 플랑크 상수 h의 값이 “6.62607015×10⁻³⁴J s”로 고정되었다고 설명했습니다. “중요한 것은 불확도 없는 플랑크 상수 h 값이 고정되었다는 점으로, 여기서 킬로그램을 유도해 낸다.”라고 말했습니다.

킬로그램 단위의 재정의. 이호성 박사의 강연 자료에서.

 

전자기력의 법칙을 응용해 질량을 정밀하게 측정해 내는 키블 저울

영국의 브라이언 키블은 1990년경 키블 저울을 만들기 시작합니다. 이호성 박사님은 영국 NPL이라는 연구소에서 제작하던 실험 장치를 캐나다로 이전하며 발생한 흥미로운 일화를 들려줍니다.

“영국 NPL에서는 도저히 플랑크 상숫값의 측정 불확도를 줄일 수 없어서 이 실험 장치를 캐나다로 넘겨버렸어요. 캐나다 과학자들이 이걸 분해해서 조립하는 과정에서 부품 하나가 잘못되었다는 사실을 찾아냈고요. 그걸 교체함으로써 이것이 가장 정확한 플랑크 상수를 구하는 도구가 되었습니다.”

영국 NPL 키블 저울. 이호성 박사의 강연 자료에서.

키블 저울은 전자기력을 이용해 중력에 해당하는 값을 알아내는 장치라는 점을 앞서 설명했는데요. 여기에도 한 가지 문제가 있습니다. “전류를 정확하게 측정하지 못하는” 점입니다. 암페어의 정의는 ‘무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적을 가진 두 개의 평행한 직선 도체가 진공 중에서 1미터 간격으로 유지될 때, 두 도체 사이에 매 미터당 2×10⁻⁷뉴턴(N)의 힘을 생기게 하는 일정한 전류’이기 때문에 어려움이 발생하는 것이죠.

“이런 정의만 있었지 한 번도 구현된 적이 없어요. 대신 ‘옴의 법칙’을 썼죠. 전압(V) 나누기 저항(Ω)이 전류의 세기(A)라는 거잖아요. 이것이 가능할 수 있었던 것은 ‘조셉슨 효과’ 덕분인데요. 오늘날은 양자 전압 표준기라고 해서 조셉슨 접합을 2만여 개 붙여 10볼트(V)까지를 양자화된 값으로 정확하게 측정할 수 있습니다.”

양자전압: 조셉슨 효과. 이호성 박사의 강연 자료에서.

조셉슨 효과가 양자 전압을 해결했다면 양자 홀 효과는 양자 저항을 해결해 줍니다. 이호성 박사님은 이를 “홀 효과의 양자 버전”이라고 말하며 “아주 낮은 온도, 아주 높은 자장의 세기에서 저항값 자체가 양자화된다.”라고 설명했습니다.

양자저항: 양자 홀 효과. 이호성 박사의 강연 자료에서.

“전류는 이제야 제대로 정의되었어요. 전류는 결국 일정한 시간 동안 기본 전하가 몇 개 흘러갔느냐를 카운팅해서 정의되는 거예요. SET(Single Electron Transport)를 가지고 전자를 수송하죠. 다만 문제는 전자 하나가 갖는 전하량인데요. 10의 마이너스 19승이거든요. 1초에 10의 10승 개만큼 넘겨도 흐르는 전류량은 아주 작아요. 그것이 문제인데요. 아무튼 현재는 양자 전하와 양자 저항이 잘 셋업되어 있으니까 전류는 마이크로암페어까지 증폭시키면 양자 역학 수준에서 옴의 법칙이 성립되는지를 확인할 수 있습니다. 10⁻⁸까지 확인이 되면 옴의 법칙이 양자 역학 수준에서도 설명된다는 것이 확인 가능해요. 굳이 양자 전류를 생성하는 시스템을 만들지 않더라도 그냥 전류는 전압 나누기 저항이라는 공식을 사용할 수 있는 겁니다. 옴의 법칙이 상당히 직관적인 법칙이니까요. 현재는 그것을 확인하는 연구가 진행되고 있습니다.”

양자 측정 삼각 체계(QMT) 검증. 이호성 박사의 강연 자료에서.

키블 저울에서 전자기력(로렌츠 힘)이 작용하는 원리는 이렇습니다. 코일의 길이를 L이라고 하고, 코일의 자장 힘을 B라고 할 때 전자기력은 전류(I)×자장(B)×길이(L) 값으로 구합니다. 그런데 전류는 바로 측정하지 못하기 때문에 전류 I는 V₁/R, 즉 양쪽에 걸리는 전압과 저항을 갖고 구하는 것이죠. 또한 질량값을 구하려면 키블 저울로 두 번 실험을 해야 합니다.

 

키블 저울의 원리. 이호성 박사의 강연 자료에서.

“BL이라는 것도 정확히 구하기 힘들어요. 코일을 일정한 속도로 움직이면 양쪽에 전압이 발생하는데요. 그 전압을 갖고 BL 값을 알아내는 거예요. BL=V₂/v라는 식을 설명하자면, V는 전압이고요. v라는 일정한 속도로 움직였을 때 양쪽에 발생하는 전압을 말합니다. 이렇게 하면 두 번의 실험을 통해 질량이라는 것이 V₁×V₂/R이 되고요. V²/R 즉, 와트로 측정되는 겁니다. 그래서 옛날에는 키블 저울을 와트 저울이라고 부르기도 했습니다. 그렇게 해서 질량을 구해 보면 플랑크 상수에 비례하는 식으로 만들어져요.”

키블 저울의 동작 원리 정리. 이호성 박사의 강연 자료에서.

이호성 박사님은 “이를 부연하는 키블 저울을 여러 연구소에서 개발하고 있다.”라며 미국의 NIST 키블 저울, 한국의 KRISS 키블 저울 등을 소개했습니다.

“미국의 NIST-3 키블 저울에서는 초전도 자석을 사용했는데요. 이 저울로 플랑크 상수를 구하는 데 있어 측정 불확도를 줄이지 못해 다시 영구 자석을 사용하는 방식으로 새로 만든 후 값을 얻었습니다. 한편 우리는 상당히 늦게 출발했습니다. 그렇지만 전혀 새로운 방식으로 접근했고요. 현재 측정 불확도는 10⁻⁷ 정도 돼요. 10⁻⁸까지는 가야 합니다. 가능할 것으로 보고 있고요.”

KRISS 키블 저울. 이호성 박사의 강연 자료에서.

 

드디어 정의된 플랑크 상수

국제기구에 속한 질량 및 관련량 자문 위원회에서 권고하는 가이드라인은 “(1) 키블 저울을 포함한 3개 이상의 실험으로 구한 측정 불확도가 5×10⁻⁸ 이하로 일치하는 플랑크 상숫값을 구해야 한다. (2) 최소한 하나의 결과는 2×10⁻⁸의 측정 불확도를 가져야 한다,”입니다. 아래 표는 각 나라에서 측정한 플랑크 상숫값을 표기한 것으로 현재는 영국 NPL에서 가져간 캐나다의 NRC-17의 측정값이 CODATA에서 발표한 플랑크 상숫값과 가장 가까운 값입니다.

CCM 권고 사항. 이호성 박사의 강연 자료에서.

자, 이렇게 플랑크 상수 h의 값 6.62607015×10⁻³⁴ J s는 2018년 베르사유에서 진행된 제26차 CGPM 결의안에서 미터 협약 회원국 60개국의 대표가 참석해 만장일치로 결정되었습니다. 이호성 박사님 여기서 4개의 기본 물리 상숫값을 고정했다는 점도 다시 한번 확인해 주었습니다.

국제단위계(SI) 개정. 이호성 박사의 강연 자료에서.

“플랑크 상수 h를 포함해 기본 전하 e, 볼츠만 상수 k, 아보가드로 상수 NA를 결정했어요. 보시면 기본 전하는 쿨롱(C)이지 않습니까. 쿨롱이 사실 암페어(A)보다 더 근본적인 단위라는 겁니다. 그럼에도 암페어를 계속 쓰는 이유는 단위의 연속성 때문에 그렇습니다.”

이어 이호성 박사님은 개정된 SI 기본 단위 사이의 관계를 보여 줍니다. 아래 이미지를 함께 보겠습니다.

개정 SI 기본단위 사이의 관계. 이호성 박사의 강연 자료에서.

“오늘 다 설명 드리지는 않았지만 이 그림에서 제일 많이 사용된 것은 초(s)입니다. 초라는 단위가 몰(㏖)을 제외한 다른 단위에 모두 포함이 되어 있어요. 이 말은 초를 구현하는 원자시계가 가장 정확하다는 의미입니다. 때문에 다른 단위들이 가능하면 초를 포함시키도록 만든 겁니다. 그것이 자기 단위를 정확하게 구현하는 데 유리하니까요.”

이제 마지막입니다. 이호성 박사님은 “이 세상 모든 것은 변한다. 변한다는 사실만이 변하지 않을 뿐이다.”라고 한 고대 그리스의 철학자 헤라클레이토스의 말을 인용하며 강연을 마쳤습니다. “그러나 현대의 과학자들은 이 세상에서 변하지 않는 것을 찾아 그것을 이용해 단위를 재정의했습니다. 2019년 5월 20일부터 발효되어서 전 세계가 이 단위들을 사용하고 있죠.”라는 인상적인 이야기였습니다.

이호성 박사 강연 사진.

 

 

질의응답

아보가드로 상수 자체는 단순한 숫자인가요?
맞습니다. 숫자입니다. 잘 안 어울리죠? (웃음) 이에 대해서도 말이 많았습니다. 일단 아보가드로 상수가 ‘몰(㏖)’을 나타내면서 쓰는 건데요. 몰은 화학이나 생물 분야에서 많이 쓰죠. 그런데 이 숫자를 결정하는 과정에서는 물리학을 하는 사람들이 기여했거든요. 하지만 역시 앞서 말씀드린 대로 현재 사용하고 있는 단위이기 때문에 어쩔 수 없는 부분이 있습니다. 다만 중요한 것은 이것입니다. 플랑크 상수를 결정하는 방법이 두 가지 있다고 말씀드렸는데요. 다른 하나는 실리콘으로 1킬로그램짜리 공을 만들어요. 그 1킬로그램짜리 실리콘 공 안에 실리콘 원자가 몇 개인지 세는 거죠. 실리콘이 갖는 원자량이 있으니까 이른바 1몰 속에 몇 개의 원자가 있는지 재는 겁니다. 그렇게 아보가드로 상수가 결정되면 아보가드로 상수로부터 플랑크 상수를 알아낼 수 있습니다. 공식으로 연결되기 때문입니다.

휘발유를 왜 질량이 아닌 부핏값 리터(L)로 측정하나요? 
유량을 측정하는 것은 부피로써 나타내죠. 일부 사람들은 휘발유를 부피로 유량을 재는 것이 불합리하다는 이야기가 있습니다. 그래서 1리터에 포함된 기름이 가진 에너지량으로 나타내야 하는 것이 아니냐는 말을 합니다. 단위를 바꾸는 것은 상당히 어렵습니다. 기존에 사용하던 단위에 익숙한 사람들이 많기 때문이에요. 가령 광도를 나타내는 단위인 ‘칸델라(cd)’는 다른 기본단위들과 달리 사람 눈의 시감 효능이라는 것이 개입하거든요. 그럼에도 조명 관련 단위로는 칸델라를 쓰고 있기 때문에 바꾸기가 쉽지 않죠. 연속성 차원에서 이해해야 할 것 같습니다.

이제 빛의 속도는 결정된 값을 쓰고, 다시 측정하지는 않는 건가요?
맞습니다, 더 이상 잴 필요가 없어요. 미터(m) 자체가 진공에서의 빛의 속력에 의해 정의되었기 때문이에요. 가장 정확하게 잰 시점에서 기본 물리 상수의 값을 고정시켜 버린 겁니다.

앞서 말씀하신 일곱 가지 기본 단위는 독립적인 것인가요?
아니요. 사실 일곱 개까지 필요하지 않습니다. 그러나 우리가 이런 단위에 익숙해져 있고, 그 단위를 쓰는 것이 편하기 때문에 사용하는 겁니다. 우리가 흔히 ‘달걀 한 판’이라는 표현을 쓰지 않습니까. 30개 하지 않고 한 판이라고 하는 것은 그렇게 세는 것이 편하기 때문이거든요. 몰도 마찬가지입니다. 1몰이라고 말하는 것이 6 곱하기 10의 23승 개라고 말하는 것보다 더 편하기 때문입니다.


이호성 
한국표준과학연구원 물리표준본부 시간표준센터 책임연구원. 서울대학교 물리학과를 졸업하고, KAIST 물리학과에서 석사 및 박사 학위를 받았다. 1986년부터 현재까지 한국표준과학연구원에 재직하며 광 펌핑 세슘 원자 시계, 한국 표준시 및 시간 눈금, 기본 상수 및 국제 단위계 등을 주제로 탁월한 연구 성과를 내놓았다. 한국연구재단 나노융합단장, KIST 유럽 연구소(독일 소재) 소장 등을 역임했다.

 


 

「물리 어벤져스 2019 시즌2」 
3강 "물리학자가 본 인류의 물질 문명사"

 

「물리 어벤져스 2019 시즌2」 3강 "물리학자가 본 인류의 물질 문명사"가 12월 27일 금요일 저녁 7시 30분에 ‘강남출판문화센터 지하 2층 이벤트홀’에서 진행됩니다.

 

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