드디어 대체되는 질량원기
백금과 이리듐으로 만들어진, 파리 외곽의 금고에 보관된 채 126년 동안 1 킬로그램의 기준이 되었던 질량원기(Le Grand K)를 다른 기준으로 대체하는 것은 측정학자들의 오랜 꿈이었습니다. 이제 이들은 이 원통 대신 수학 상수만으로 질량 기준을 정의할 수 있게 되었습니다.
암페어, 몰, 켈빈 등을 포함해 다양한 단위들이 재정의될 2018년, 킬로그램도 여기에 포함될 예정입니다. 지난주, 국제도량형위원회(International Committee for Weights and Measures)는 파리에서 이에대해 논의했습니다.
킬로그램은 SI 단위 중 유일하게 실제 물리적 대상에 기초하고 있습니다. 질량을 다른 근본 상수들로 정의할 수 있는 실험은 1970년대에 이미 고안되었지만, 작년에서야 비로소 별개의 두 실험을 통해 기존의 기준을 대체할 수 있을 충분한 정확도로 일관성 있는 값을 얻을 수 있게 되었습니다.
새로운 정의가 킬로그램 단위를 더 정확하게 만드는 것은 아닙니다. 그러나 적어도 더 안정적으로 만들 것으로 보입니다. 실제 물리적 대상은 시간에 따라 원자를 더 얻거나 잃으며 값이 변하게 됩니다. 또 사고에 의해 파괴될 수도 있습니다. 하지만 다른 상수들을 가지고 기준을 만들 경우, 적어도 이론적으로는, 프랑스까지 오지 않고도 지구 어디서나 같은 값을 얻을 수 있습니다.
2011년, 위원회는 이미 킬로그램의 정의를 입자의 에너지를 나타내는 데 사용되는 플랑크 상수 및 E=mc^2 공식을 이용해 표현하는 데 동의했습니다. 위원회의 질량 분과는 세 번의 독립적인 측정으로 같은 플랑크 상수가 구해져야 하며, 적어도 두 가지 다른 방법을 써야 한다는 의견을 냈습니다.
플랑크 상수를 구하는 한 가지 방법은, 아보가드로 프로젝트라고 알려진 것으로, 킬로그램 원기와 같은 질량을 가진 두 개의 실리콘-28 구의 원자 수를 실제로 세는 것입니다. 원자의 수를 통해 아보가드로 상수를 계산할 수 있으며, 이로부터 플랑크 상수 역시 구할 수 있습니다. 다른 방법은 기존의 킬로그램 원기를 기준으로 한 질량을 알고 있는 어떤 물질에 전자기력을 가한 후 플랑크 상수를 구하는 소위 와트 저울(watt balance)이라는 방법입니다.
그러나 이 두 가지 방법으로 같은 값을 얻어내는 것은 쉽지 않아 보였습니다. 2011년 초, 일부 연구자들은 이 두 방법으로 나온 값을 그냥 평균하는 것이 어떻겠냐는 제안을 하기도 했습니다. “모든 측정학자들이 걱정했습니다. ‘만약 이들이 영원히 일치하지 않으면 어떻게 하지?’“
그러나 캐나다 국립연구회의 오타와 연구소는 와트 저울을 다시 만들었고, 2012년 1월 이들은 아보가드로 프로젝트에서 나온 값에 조금 더 접근한 값을 얻었습니다.
그리고 2014년 말, 미국 국립표준연구소(NIST)는 마침내 다른 값들과 상당히 일치하는 값을 얻었습니다.
이를 바탕으로 2015년 8월, 과학기술데이터위원회(CODATA)는 새로운 플랑크 상수를 발표했습니다. 오차는 10억분의 12에 불과했고, 이 값은 국제도량형위원회가 내세운 기준을 만족했습니다.
지난주, 이들은 2018년 회의에서 암페어, 몰, 켈빈, 그리고 질량원기에 대한 새로운 기준을 만들기로 결정했습니다. 아직 몇 가지 검증이 남아 있지만, 계획대로 된다면, 킬로그램 질량 원기는 2018년 박물관에서 미터 원기와 만나게 됩니다. “우리는 이 원기를 계속 보관할 것입니다. 물론 더 이상 어떤 기준으로 보관하는 것은 아니지요.”
(네이처)