시간 측정의 필요성
최초의 농경 사회부터 인류는 작물 재배·종교 의식·사회적 조율을 위해 시간을 추적해야 했습니다. 시계의 역사는 자연의 가장 파악하기 어려운 물리량에 인류의 창의성을 적용한 역사입니다.
고대 시계 (기원전 3000년~기원후 500년)
- 해시계 (기원전 3000년 이상): 막대기(노몬)와 조각된 돌 다이얼로 태양 시간 추적. 이집트 오벨리스크와 스톤헨지도 태양 지표 역할.
- 물시계 (클렙시드라, 기원전 1500년): 제어된 물 흐름으로 시간 측정. 이집트·그리스·중국·메소포타미아에서 사용. 밤이나 흐린 날에도 사용 가능.
- 양초시계·향시계: 중세 유럽과 아시아 전역에서 일정 속도로 타는 특성 활용.
- 모래시계 (약 8세기): 휴대 가능하고 신뢰할 수 있어 선박과 법정에서 사용.
기계 시계 (13~17세기)
제어된 충격으로 에너지를 해방하는 탈진기(escapement) 발명이 기계 시계를 가능하게 했습니다. 최초의 대형 기계 시계는 1300년경 유럽 교회 탑에 등장해 시간을 알리는 종을 울렸습니다('시계'를 뜻하는 영어 clock은 프랑스어 cloche, '종'에서 유래).
갈릴레이의 진자 등시성 발견(1581)과 크리스티안 하위헨스의 진자시계(1656)가 정확도를 하루 몇 분 이내로 크게 향상시켰습니다.
항해 크로노미터 (18세기)
정확한 경도 항해는 바다에서 정확한 시간 파악을 필요로 했습니다. 존 해리슨의 H4 크로노미터(1759)가 수백 년간의 난제를 해결해 대탐험과 무역의 황금기를 열었습니다.
전기·쿼츠 시계 (19~20세기)
전기시계(1840년대)가 도시 전역의 시계를 동기화했습니다. 쿼츠 수정 발진기(1927)는 정확히 32,768Hz의 압전 진동으로 연간 수 초 이내의 정확도를 달성했습니다.
원자시계 (1955년~현재)
세슘 원자시계(영국 NPL, 1955년)는 세슘-133의 원자 전이를 기반으로 초를 정의했습니다: 정확히 9,192,631,770번 진동 = 1초. 현대 원자시계의 오차는 3억 년에 1초 이내입니다.
GPS 위성에는 원자시계가 탑재되어 있습니다. 이것 없이는 GPS가 몇 분 안에 수 킬로미터씩 오차가 생깁니다. 인터넷·금융 거래·이동통신 등 전체 디지털 경제가 원자시계 동기화에 의존합니다.
다음 지평: 광학 격자 시계
레이저 냉각 스트론튬 원자를 이용하는 광학 격자 시계는 세슘 시계보다 100배 정밀합니다. 이 시계는 초의 재정의, 일반 상대성 이론 검증, 중력파 탐지, GPS 개선 등 다방면에 응용될 전망입니다.