원자시계 (표준시)

Atomic clock

세계의 «1 초» 는 무엇으로 정할까요?

무슨 일이 일어났나

국제단위계(SI)는 세슘-133 원자의 바닥 상태 초미세 전이 진동수를 9 192 631 770 Hz 로 정해 1 초를 정의합니다(국제도량형국 BIPM). 곧 세슘 원자가 9,192,631,770 번 떠는 시간이 1 초입니다.

원자시계는 전파 발진기의 진동수로 세슘 원자를 쬐어, 원자의 상태가 가장 많이 바뀌는 진동수에 발진기를 맞춰 붙잡아 둡니다. 시뮬레이터는 이 맞추기를 «램지 무늬» 모형으로 보여 줍니다.

시뮬레이터에서 발진기가 세슘 진동수보다 30 Hz 어긋나 있으면 하루에 282 µs 씩 틀립니다. «진동수 맞추기» 를 켜면 1.2 초 만에 어긋남이 1 Hz 아래로 줄고, 그 뒤로는 0.22 Hz 안에서 오르내려 하루 오차가 약 2 µs 안으로 줄어듭니다.

1949 년 NIST(그때 NBS)가 암모니아로 첫 원자시계를 만들었고, 1955 년 영국 국립물리연구소(NPL)가 첫 실용 세슘 원자 주파수 표준을 만들었습니다. 1967 년부터 1 초는 세슘 원자 진동 9,192,631,770 번으로 정의되었습니다(NIST).

📸 진짜 모습

NASA 심우주 원자시계의 장치 전체 모습입니다 — 한 변이 약 25 cm 인 작은 꾸러미에 모두 담겼습니다. — NASA 심우주 원자시계의 장치 전체 모습입니다 — 한 변이 약 25 cm 인 작은 꾸러미에 모두 담겼습니다.
출처: NASA/JPL-Caltech · 퍼블릭 도메인 · NASA 그림 창고 원본 ↗

💡 생활 속 예시

GPS 위성 신호에는 시각이 실려 와서, GPS 로 시각을 받으면 세계 표준시(UTC(USNO))와 30 ns 안으로 맞출 수 있습니다(GPS.gov).
NIST-F1 세슘 분수 시계는 1 년 동안 틀린 시간이 약 30 ns(2002 년 기준)에 그쳤습니다 — 교실 벽시계 초침의 한 째깍(1 초)의 약 3,300 만 분의 1 입니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

세슘 원자 빔 · 분수 — 세슘 원자를 날리거나 위로 띄워 전파를 쬡니다.
전파 발진기 — 약 9.19 GHz 의 전파를 만듭니다.
검출기 — 전파를 쬔 뒤 상태가 바뀐 원자의 몫을 셉니다.
되먹임 회로 — 바뀐 몫이 가장 커지도록 발진기 진동수를 고쳐, 세슘 진동수에 붙잡아 둡니다.

발진기가 세슘 진동수 둘레의 전파를 만듭니다.
세슘 원자가 전파를 지나며 일부가 다른 상태로 바뀝니다.
검출기가 바뀐 원자의 몫을 잽니다.
되먹임 회로가 그 몫이 가장 크도록 진동수를 고치고, 고쳐진 진동수를 9,192,631,770 번 셀 때마다 1 초가 됩니다.

확인된 값

초의 정의 — 세슘-133 원자 바닥 상태 초미세 전이 진동수를 9 192 631 770 Hz 로 고정: 9192631770 Hz 출처
정의에 쓰는 것 — 세슘-133 원자의 바닥 상태 초미세 전이: caesium-133 hyperfine transition 출처
1949 년 NIST(그때 NBS)가 암모니아로 첫 원자시계를 만듦: 1949 출처
첫 실용 세슘 원자 주파수 표준 — 1955 년 영국 국립물리연구소(NPL): 1955 출처
1967 년부터 초 = 세슘 원자 진동 9,192,631,770 번: 9192631770 출처
NIST-F1 (2002 년 1 월 기준) — 1 년에 약 30 ns (3 × 10⁻⁸ s) 안으로 시간을 지킴: 3e-8 s 출처
미국 NIST-F1 세슘 분수 시계 — 2000~2015 년 운영: 2000–2015 출처
세슘 분수로 초를 실현하는 불확도 — 1 × 10⁻¹⁶ 에 가까움: 1e-16 출처
GPS 시간 전달 정확도 — UTC(USNO) 기준 30 ns 이하 (95 % 시간): 3e-8 s 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 통합과학1 · 과학의 기초 [10통과1-01-03]

출처

https://www.bipm.org/en/si-base-units/second(확인 2026-11-12)
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/popular-links/walk-through-time/walk-through-time-atomic-age-time(확인 2026-11-12)
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-realization/primary-standard-nist-f1(확인 2026-11-12)
https://archive.gps.gov/systems/gps/performance/accuracy/(확인 2026-11-12)

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