[과학핫이슈]국제기본단위 재정의

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5월 20일은 과거 1875년 같은 날 프랑스 파리에서 있었던 '미터협약(Meter Convention)' 체결을 기념하는 날이다. 이때 세계 17개국이 길이 단위를 '미터(m)'로 정하고 관련 도량형 보급을 결의했다. 세계가 같은 기준으로 세상을 보기로 한 역사적인 날이기도 하다.

올해 측정의 날은 특히 뜻깊다. 우리가 사용하는 각종 기본단위에 닥친 거대한 변화를 실제 적용하기로 했기 때문이다. 국제적으로 측정단위를 통일한 체계인 '국제단위계(SI)' 7개 가운데 4개가 정의를 달리한다. 질량(㎏), 온도(K), 전류(A), 물질량(㏖) 재정의 내용을 공식 시행한다.

새로운 재정의 내용을 담은 국제단위계
<새로운 재정의 내용을 담은 국제단위계>

그동안 완벽하지 않았던 단위 정의를 안정화하고 불변성을 더하는 것이 바로 단위 재정의다. 가장 친숙한 질량을 예로 기존 단위 문제를 알아보자. 질량 단위는 1889년 백금과 이리듐을 9대 1 비율로 섞어 만든 '원기'를 기준으로 정의했다. '원기가 지닌 질량이 1㎏'이라고 국제적으로 상호 약속한 것이다.

문제는 이런 실물 기준은 시간이 흐르면서 점차 변화한다는 것이다. 130년 세월은 원기를 갉아먹었다. 정밀분석 결과 현재 원기 질량은 제작 당시보다 수십 마이크로그램(㎍)이나 변했다. 수십 ㎍은 머리카락 한 가닥 수준에 불과하지만 고정돼야 할 기준이 자꾸 변화한다면 세상에 혼란이 생길 수밖에 없다. 이것이 단위를 재정의하게 된 이유다.

단위 재정의에는 기본상수를 활용했다. 기본상수는 대상이나 조건에 관계없이 언제나 일정한 값을 가지는 상수를 뜻한다. 기본 상수로 변하지 않기 때문에 언제나 같은 기준을 유지할 수 있다. 질량은 '플랑크 상수(h)', 전류는 '기본 전하(e)', 온도는 '볼츠만 상수(k)', 물질량은 '아보가드로 상수(NA)'로 각각 재정의했다.

새로운 킬로그램 표준을 확립하기 위해 표준연이 개발 중인 키블저울
<새로운 킬로그램 표준을 확립하기 위해 표준연이 개발 중인 키블저울>

단위 재정의는 불변성을 확보할 뿐만 아니라 미세분야 측정에도 기여한다. 역시 질량을 예로 들어보자. 기존 원기를 사용하면 아주 미세한 질량 측정이 사실상 불가능했다. 원기를 작게 나눈 '분동'으로 1㎏보다 낮은 질량을 재는데, 아무리 정밀하게 나눠도 분동을 줄이는 것에 한계가 있기 때문이다. 미세한 질량 측정 신뢰성을 도저히 확보할 수가 없었다. 그러나 기본상수를 쓰면 숫자를 나누면 돼 오차를 없앨 수 있고, 간단하게 신뢰성을 확보할 수 있다. 기본상수 기반 단위 재정의는 극미량만 차이 나도 성과가 바뀌는 나노바이오 분야나 전류를 미세 제어하는 첨단 반도체 연구·산업 분야 발전을 이끌게 된다.

단위 재정의로 생긴 변화가 혹시 일대 혼란을 가져오지는 않을까하는 의구심은 버려도 된다. 그동안 써온 값에 재정의 값을 최대한 맞추기 때문이다. 길이(m) 역시 질량과 마찬가지로 과거에 원기를 쓰다가 '빛의 속력'을 기준으로 재정의했지만, 이에 따른 혼란은 전혀 없었다. 과학기술과 산업에는 큰 영향을 미치지만 일상생활 수준에서는 변화를 알아차릴 수 없을 정도다.

재정의를 공식 시행하지만 실제 활용에는 다소 시간이 걸릴 것으로 보인다. 새로운 정의에 맞춘 측정기기와 기술 개발이 필요하다. 우리나라에서는 한국표준과학연구원이 역할을 맡고 있다. 질량의 경우 플랑크 상수 기반 '키블저울'을 이미 개발해 고도화하고 있다. 온도 관련 볼츠만상수를 쓰는 '음향기체온도계'와 '절대복사온도계', 전류를 측정하는 '단전자펌프', 물질량 관련 '절대동위원소 측정법' 등도 만들고 있다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com