HP 5071A Primary Frequency Standard

한 십 년만 젊어질 수 있다면....
100년 후의 세계를 미리 볼 수 있다면...

이런 상상은 인간이면 누구나 한번쯤 해본 것이리라.
과거로도, 미래로도 갈 수 없는 것은 우리가 시간이라는 것이 무엇인지, 시간의 본질과 속성이 무엇인지 아직 모르기 때문이다. 많은 과학자들 - 아인슈타인, 뉴튼, 데카르트 등 -이 시간이라는 것에 대한 정의를 내렸으나 과학적으로 완전히 수용되는 것은 아직 없다.

시간이라는 것이 무엇인지 모르지만 시간은 이 순간에도 계속 지나가고 있다. 그런데 시간이 지나가고 있다는 것을 우리는 어떻게 알 수 있는가?

오늘날, 대부분의 사람들은 시계를 가지고 있고, 시계가 없더라도 쉽게 주변에서 시간을 알 수 있다. 그러나 원시시대의 사람들은 해가 뜨고 지는 것, 달이 뜨고 지는 것을 보면서 시간이 흐르는 것을 알았다. 즉, 자연계에서 규칙적으로 반복되는 현상을 관찰하여 시간을 안 것이다. 문명이 발달한 오늘날도 시간을 알아내는 기본적인 원리는 원시시대 때나 다름이 없다. 단지 더욱 엄밀하게 반복되는 현상을 이용한다는 것과 반복되는 주기가 훨씬 짧아졌다는 것이 다를 뿐이다.

시간이라는 말에는 세 가지의 개념이 포함되어 있다. 첫 번째는 달력과 같은 의미로서의 시간 (date)이다. 즉, "지금 시간은 몇 시 몇 분이다" 라고 말할 때의 시간이다. 두 번째는 시간간격 (time interval)의 의미를 가지는 것으로 "대전에서 서울까지 자동차로 2시간이 소요된다" 라고 말할 때의 시간이다. 세 번째는 똑같은 순간에 동시에 발생한다는 의미를 갖는 동기 (synchronization)의 개념이다.

반복되는 현상의 시간간격을 주기라고 한다. 시계추가 2 초에 한번 왕복운동을 한다면 이 시계의 주기는 2 초이다. 그리고 이것을 주파수로 표현하면 0.5 Hz이다. Hz는 "헤르츠"라고 읽으며, 1 초 동안에 반복된 수로써 나타낸다. 시간과 주파수는 서로 역수의 관계가 있다. 따라서 시간(엄밀하게는 시간간격)을 정확히 측정한다는 것은 주파수를 정확히 측정한다는 것과 같은 의미이다.

<시계 (clock)>와 <주파수 표준기(frequency standard)>는 동일한 것을 의미하지만, 엄밀하게 구분하면 다음과 같은 차이가 있다. 즉, 시계라는 것은 달력의 개념으로서의 시간을 알 수 있는 것이다. 그렇기 때문에 시계로 동작되기 위해서는 오랫동안- 적어도 몇 달 내지 몇 년 동안 - 중단 없이 동작되어야 한다. 반면에 주파수 표준기 또는 주파수 발생기(oscillator)는 우리가 필요할 때에 주파수를 공급해주는 장치이다. 따라서 연속적으로 동작될 필요는 없다. 일반적으로 이 두 가지 용어는 특별히 구분하지 않고 혼용하여 사용하기도 한다.

서로 떨어져 있는 두 개의 주파수 발생기의 주파수를 일치시키는 것은 무선 통신(예: TV 방송)에서는 필수적이다. 즉, TV의 주파수가 방송국의 주파수(채널)와 동조될 때 TV에서 그 방송을 볼 수 있다. 한편, 디지털 통신 시대가 되면서 주파수뿐만 아니라 시각을 동기시키는 것도 아주 중요하게 되었다. 송신측과 수신측 사이에서 주파수뿐만 아니라 시간이 잘 일치해야만 대량의 정보를 고속으로 전송할 수 있다.

시간과 주파수는 현대 문명, 특히 정보 통신 분야에서는 기간산업과 같은 역할을 한다. 오늘날에는 전파가 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 거리를 알아내기 때문에 측량, 측지, 항공기나 선박의 위치 확인 등에서도 아주 중요한 역할을 하고 있다. 시간 주파수 분야에서의 발전은 곧 현대 문명의 발전과 직결된다고 해도 과언이 아니다.

시간의 단위인 "초"의 정의는 역사적으로 다음과 같이 변천되어 왔다.

평균태양시(mean solar time) : 1956년 이전 초는 평균 태양일의 86 400 분의 1이다.

역표시(ephemeris time) : 1956-1967 초는 역표시로 1900년 1월 0일 12시에 대한 태양년의 1 / 31 556 925.974 7 이다.

원자시(atomic time) : 1967-현재 초는 세슘-133 원자(Cs)의 바닥상태에 있는 두 초미세 준위간의 전이에 대응하는 복사선의 9 192 631 770 주기의 지속시간이다.
(제13차 CGPM(1967) 결의사항 1)

시간은 7가지의 기본물리량(시간, 길이, 질량, 온도, 전류, 광도, 물질량)중 하나로서 다른 어떠한 물리량보다도 가장 정확하게 측정할 수 있는 양이다. 시간은 우리 인간 생활과 밀접한 관계를 가지고 있으며 첨단산업 및 과학기술에 있어서도 매우 중요하다. 그리고 다른 측정표준(예; 길이, 전압 등)의 기초로 사용되고 있어서 "표준의 표준"이라고 일컽는다.

초기의 시간표준은 지구의 자전에 의한 태양의 주기적인 운동을 기준으로 정의되었다. 그러나 지구는 자전과 함께 태양을 중심으로 공전을 하고 있으며, 이 공전궤도가 타원이기 때문에 자전주기가 일정치 않아 이를 1년간 평균한 평균태양시(UT0)를 시간의 표준으로 삼아 1956년까지 평균태양일의 1/86 400을 1초로 정의하여 사용해 왔다.

그러나 지구 자전축의 요동 및 계절적인 변동들이 발견되어 필요에 따라 이를 보정한 UT1, UT2 등을 사용하기도 하였다. 이들 UT0, UT1, UT2를 세계시 가족(Universal Time Family)이라 한다. 종전에 시간의 표준으로 사용되었으며 지금까지도 많은 사람들이 시간의 표준으로 알고 있는 그리니치 평균시간(Greenwich Mean Time : GMT)은 경도 0° 에서 결정된 평균태양시(UT0)를 말한다.

그러나 지구의 자전에 기초한 평균태양시는 지구의 자전속도의 불규칙성으로 인한 여러 가지 오차가 존재하여 1956년에 열린 국제도량형위원회(CIPM)에서 지구의 공전을 기초로 한 역표시(Ephemeris Time : ET)를 시간의 표준으로 사용하기로 결정하였다.

그 후 천체나 지구의 운동을 기준으로 한 시간표준보다 훨씬 정확하고 안정된 원자시계가 개발됨에 따라 1967년 제 13차 국제도량형총회(CGPM)에서 시간의 기본단위인 "초(second)"가 세슘-133(Cs) 원자의 바닥상태에 있는 두 초미세준위 사이의 전이주파수 를 기초로 새로이 정의되었다. 이에 따라 세슘원자 주파수표준기(Cesium Beam Frequency Standard)에서 생성된 원자시(Atomic Time)를 시간의 정의로 결정하여 현재까지 사용하고 있다.

   원자시(Atomic Time)를 시간척도(Time Scale)로 사용한다는 결의가 국제적으로 채택된 것은 1967년이지만, 원자시계가 공식적으로 동작되기 시작한 것은 1955년 7월부터이다.

   1958년 1월 1일에 원자시계와 UT1 시계를 서로 일치시켰다. 그런데 세월이 흐르면서 이 두 시계 사이에 차이가 나기 시작하였다. 왜냐하면 UT1은 태양을 기준으로 정한 것이기 때문에 지구의 운동 속도에 따라 시계가 가는 속도가 달라지기 때문이다. 다시 말하면, 지구의 자전속도는 점차 느려지고 있으므로 일년이라는 시간 속에는 원자시계에 의한 1초의 개수가 UT1 시계에 의한 1초의 개수보다 많게 된다.

  이런 문제를 해결하기 위하여 도입된 것이 "윤초"이다. 이 두 시계가 0.9초 이내에서 일치하도록 6월 30일이나 12월 31일의 23시 59분 59초 뒤에 1초를 더하거나 빼는 것이 윤초이다. 그런데 지금까지는 모두 1초가 더해졌다.

원자시계에 의한 시간척도를 국제원자시(TAI)라고 하고, TAI와 UT1과의 시간차 이를 해소하기 위해 윤초를 도입한 시간척도를 세계협정시(UTC)라고 한다.

윤초가 처음 도입된 것은 1972년 1월이다. 이 때의 UTC와 TAI의 차이, 즉, TAI-UTC=10 초였다. 그 이후 거의 매년 윤초가 실시되어 1999년 현재 TAI-UTC=32 초이다.

시간주파수 분야의 국제표준은 1987년 12월 31일 까지는 국제시보국(BIH)에서 국제원자시 및 세계협정시의 결정, 지구자전요소의 계산등의 업무를 총괄하여 왔으나, 1988년 1월 1일부터는 국제도량형국(BIPM)의 Time Section에서 국제 원자시 및 세계협정시의 결정업무를 담당하고 1988년 1월 1일부터 새로이 발족된 국제지구자전연구부(IERS)에서 지구자전요소의 결정 및 윤초의 결정과 통보 등의 업무를 담당하고 있다.

현재 프랑스 파리에 위치하고 있는 BIPM의 Time Section에서는 세계 각국의 표준기관들(30여개국 40여기관)이 보유하고 있는 200여대의 세슘원자시계 및 수소메이저의 상호비교 데이터를 수집, ALGOS 계산법을 이용하여 통계처리해서 가장 안정되고 신뢰성 있는 국제원자시(TAI) 및 세계협정시(UTC)를 생성하여 BIPM Annual Report 및 Circular-T를 통하여 보급하고 있다.

횟수	실시년도	윤초량	TAI - UTC (s)
1	1972.1.1.	1	10
2	1972.7.1.	1	11
3	1973.1.1.	1	12
4	1974.1.1.	1	13
5	1975.1.1.	1	14
6	1976.1.1.	1	15
7	1977.1.1.	1	16
8	1978.1.1.	1	17
9	1979.1.1.	1	18
10	1980.1.1.	1	19
11	1981.7.1.	1	20
12	1982.7.1.	1	21
13	1983.7.1.	1	22
14	1985.7.1.	1	23
15	1988.1.1.	1	24
16	1990.1.1.	1	25
17	1991.1.1.	1	26
18	1992.7.1.	1	27
19	1993.7.1.	1	28
20	1994.7.1.	1	29
21	1996.1.1.	1	30
22	1997.7.1.	1	31
23	1999.1.1.	1	32
24	2006.1.1.	1	33
25	2009.1.1.	1	34
26	2012.7.1.	1	35
27	2015.7.1.	1	36
28	2017.7.1.	1	37
29
30

우리나라의 시간주파수분야 국가표준은 1999년 현재 한국표준과학연구원이 보유하고 있는 3대의 상용 세슘원자시계와 1 대의 수소메이저에 의해서 유지되고 있으며, GPS 인공위성신호의 common-view 방법에 의한 지속적인 국제시각비교를 통해서 국제원자시(TAI) 및 세계협정시(UTC)의 생성에 기여하고 있다.

한국표준과학연구원은 1992년에 국제도량형위원회(CIPM) 산하 시간주파수자문위원회(CCTF, 전 CCDS)에 정식 회원기관으로 피선된 이후 1993년에 제12차, 1996년에 제13차, 1999년에 제14차 CCTF 회의에 참석하여 시간주파수분야의 국가표준유지현황 및 관련 연구결과 등을 발표하였다.

표는 시간주파수분야의 국가표준유지를 위하여 한국표준과학연구원이 현재 보유하고 있는 주파수표준기 및 GPS 수신기 등 주요설비현황을 보여주고 있다. 표에서 3대의 OSA3210 세슘원자시계는 한국기준주파수(KRF)의 공급을 위하여 한국통신이 보유하고 있는 장비로서 1987년도부터 현재까지 한국표준과학연구원에서 관리운영하고 있다.

표. Facilities for the national standard of time and frequency maintained at KRISS.

Nomenclature(Model Number)	Instrument Serial Number	Purchase Date	CBT S/N	Clock Code for BIPM
Cs(HP5071A)	3249A00321	1993. 12.	3124A00171(s)	1360321
Cs(HP5071A)	3249A00739	1995. 12.	3124A00298(s)	1360739
Cs(HP5071A)	3248A01135	1997. 10.	3124A00468(s)	1361135
H-Master(STSC 2002)	105-23	1992. 10.	-	1405623
GPS Receiver (AOA TTR-5)	0158	1987.	-	-
GPS Receiver (AOA TTR-6)	0415	1994. 11.	-	-
Cs(OSA3210)	280	1988. 06.	1683	1210280
Cs(OSA3210)	281	1988. 06.	-	1210281
Cs(OSA3210)	282	1988. 06.	1488	1210282

우리나라 시간주파수분야의 국가표준은 1978년 7월 세슘원자시계가 도입되고, 같은해 10월 미국해군관측소(USNO)의 이동원자시계에 의한 국제시각 비교 및 동기를 실시하므로써 확립되었다. 그후 USNO의 이동원자시계팀은 인공위성에 의한 국제시각비교가 일반화될 때까지인 1986년까지 매년 한국을 방문하여 시각비교를 실시하였다. 아울러 1980년 부터는 표준장파 항해방송의 하나인 Loran-C 신호 수신에 의한 시각비교를 실시하여 이 데이터를 1985년 2월 3일(MJD 46099)부터 BIH(현 BIPM)에 보고함으로써 우리의 국가표준시가 BIH에 공식적으로 등록되었으며, 우리의 원자시계가 국제원자시의 생성에 기여하기 시작하였다. 그러나 Loran-C는 현재 공식적인 국제시각비교방법으로 사용되지 않고, GPS가 공식적인 국제시각비교방법으로 사용되고 있다. 우리나라도 GPS수신에 의한 시각비교 시스템을 설치하고 1988년 7월 7일(MJD 47349)부터 GPS수신에 의한 시각비교 데이터를 BIPM에 공식 보고하기 시작하였다.

현재 한국표준과학연구원에는 온도 23 1。C, 상대습도 50 5 % 로 유지되고 있는 항온실습실에 설치된 3대의 세슘원자시계와 1대의 수소메이저를 이용하여 시간주파수분야의 국가표준을 유지하고 있다. 이 중 1대의 세슘원자시계와 microstepper를 이용하여 UTC(KRIS)를 생성 유지하고 있다. 이들의 비교데이터를 매월 BIPM에 보고함으로서 UTC 및 TAI 와의 소급성을 유지하고 있고, 이들의 비교데이터는 BIPM에서 정기적으로 발간하는 Circular-T 및 Annual Report에 발표되고 있다.

Fig. 1은 UTC(KRIS) 및 TA(KRIS)의 생성을 위한 장치의 구성도를 보여준다.

각국의 표준기관에서는 세슘원자시계를 이용하여 자국의 표준시간척도를 유지하고 있는데, 세슘원자시계의 tube 교체, 고장 등에 따른 시간척도의 불연속성을 방지하기 위하여 각 표준기관들은 3대 이상의 원자시계군을 유지하고 있으며 시간척도의 정확도, 안정도 및 신뢰도 유지를 위하여 적절한 algorithm을 이용하여 통계처리해서 원자시계들 각각의 안정도보다 높은 안정도를 갖는 시간척도를 생성유지하고 있다.

Fig. 2는 1997년부터 1999년 7월까지 2년 7개월간에 대하여 우리의 상황에 적절하게 보완한 시간척도 algorithm을 이용하여 계산된 TA(KRIS)와 TAI 와의 비교결과를 보여준다.

UTC(KRIS)는 GPS 수신에 의한 시각비교 데이타, UTC(KRIS)-GPS time 및 각 시계들간의 상호비교 데이터와 함께 매월 전자우편을 이용하여 BIPM에 발송하고 있다. Fig. 3는 BIPM으로부터 매월 발송되는 Circular-T를 이용하여 1997년부터 1999년 7월까지 2년 7개월간 UTC에 대한 UTC(KRIS)의 변동을 보여준다.

호주의 CSIRO NML과는 양국의 시간표준에 대한 상호인증을 위하여 약 1년간 GPS common-view 수신데이터를 서로 교환하여 양국의 시간주파수분야 국가표준을 비교측정하였으며, 1995년 10월 24일에 호주의 CSIRO NML과 양국간의 시간주파수표준이 서로 210의 불확도 내에서 일치한다는 Recognition of Equivalence을 체결하였다.

표준(연)에서는 현재 세가지 종류의 원자시계를 개발 중이다.

세슘 원자시계 개발과 관련된 연구는 세계적으로 약 50년의 역사를 가진다. 그 동안에 기술적으로 세 단계의 발전을 거듭하여 왔는데, 단계별 특징은 표와 같다.

재래방식의 원자시계 분야에서는 독일의 PTB의 기술이 가장 우수하다. 그렇지만 PTB를 제외하고는 이 방식의 원자시계에 관한 연구는 더 이상 이루어지지 않고 있다. 그러나 현재 전세계적으로 재래식의 원자시계만이 상용으로 보급되어 있다.

광펌핑 방식의 원자시계 분야에서는 미국의 NIST가 가장 우수하다. 광펌핑 방식은 재래식에서 사용되던 자석 대신에 레이저를 사용하는 것이 가장 큰 특징이다. 현재, 미국과 일본의 광펌핑 원자시계의 데이터가 BIPM에 보고 되고 있다.

세슘원자 분수시계에 관한 연구는 프랑스가 제일 앞서 있다. 프랑스의 시간주파수 연구소(LPTF)에서 제작한 LPTF-FO1 가 세계에서 제일 먼저 제작된 분수시계이며, 그 정확도가 모든 종류의 원자시계들 중에서 제일 좋은 성능을 나타내고 있다. 미국의 NIST, 독일의 PTB, 일본의 NRLM, 한국의 KRISS, 영국의 NPL, 중국의 NIM, 그리고 대만과 브라질 등에서도 원자분수 시계에 관한 연구를 진행하고 있다.

우리 나라에서 원자시계에 관한 연구는 한국표준과학연구원에서 1988년부터 시작되었다. 그 당시에는 우리 나라에 원자시계에 관한 제작기술이 전무하였기 때문에 선진국 수준을 따라잡기 위해서는 재래 방식의 원자시계보다는 상대적으로 역사가 짧은 광펌핑 방식을 택하였다. 5년씩 2단계의 연구를 통해서 원자시계에 관련된 모든 기술을 파악하고 확보하였다. 이 원자시계는 KRISS-1으로 명명되어 국제 학술지 및 학술회의, CCTF 회의 등에 보고되었다. 주파수 안정도 면에서는 현재 한국표준시계로 사용되고 있는 상용 세슘원자시계 (HP5071A) 보다 6배 개선되었다. 현재, 정확도 평가가 진행중인데, 지금까지의 결과에 의하면 정확도가 기존의 상용 세슘원자시계보다 약 10배 향상된 10 수준이 될 것으로 예상된다. 정확도 평가와 GPS를 이용한 국제적 시각비교가 완료된 후에 우리 나라의 제 1 주파수표준기(원자시계)로 사용될 것이다.
한편, 세슘원자 분수시계에 관한 연구는 1996년에 표준(연)의 스타 프로젝트 사업으로 수행되었으며, 1999년 9월부터는 이 연구가 "국가지정연구실" 과제를 통해서 수행되고 있다.

세슘원자시계는 세슘원자를 선택하는 방식에 따라 재래식(conventional type) 과 광펌핑(optical pumping) 방식으로 구분된다.

재래식은 세슘원자의 에너지 상태에 따라 원자가 갖는 magnetic moment가 다르기 때문에 자석에 의해 형성된 불균일 자장속을 통과한 원자들의 진행 경로가 달라지는 성질을 이용한다.

광펌핑 방식에서 레이저를 원자에 비추어 원자들이 모두 특정한 에너지상태가 되도록 만든다. 광펌핑 방식을 이용하면 세슘원자빔의 진행경로가 공간적으로 굴절되지 않고, 원자빔의 손실이 적고, S/N 비를 높힐 수 있으며, 강자석을 사용하지 않기 때문에 자장에 의한 주파수 편이를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 바닥 상태 Zeeman 준위의 밀도분포를 대칭적으로 만들기 때문에 시계전이선에 이웃한 전이선에 의한 시계전이선의 주파수 편이를 최소화 할 수 있다. 반면, 레이저 광을 이용하기 때문에 광편이(light shift)라는 새로운 주파수 편이가 발생하는 문제를 가지고 있다.

이러한 차이점으로 광펌핑 방식은 재래식에 비해 정확도가 10배 이상 좋을 것으로 예측되었으며, 미국의 광펌핑 원자시계인 NIST-7은 그런 결과를 보여주고 있다.

표준(연) 시간주파수 연구실에서는 1988년부터 광펌핑 세슘원자시계의 개발 연구를 수행하고 있으며, 현재 시간주파수 표준기로의 정확도 평가 및 개선 연구를 수행 중이다.

원자빔을 이용하는 시계에서 시계의 성능은 원자빔 튜브의 길이에 따라 달라진다.좀더 정확히 말하면, 원자빔 튜브 속에 설치된 마이크로파 공진기 (일명, 램지 공진기)의 길이가 길어질수록 일반적으로 성능은 좋아진다. 공진기 길이가 길어지면 원자가 공진기를 통과하는 시간이 길어진다. 다시 말하면, 원자가 마이크로파와 상호작용하는 시간(t)이 길어진다. 그 결과로 인해 마이크로파에 의한 램지 공진 신호의 선폭 ()이 좁아진다. 공진 신호의 선폭이 좁아지면 원자의 중심 주파수를 더 정확히 알 수 있으므로 시계의 정확도는 향상된다.

이것은 그 유명한 하이젠베르크의 <불확정성의 원리>에 기초를 두고 있다.

즉, E · t , · t 2
이므로, t가 길어지면 는 좁아진다. 단, 이 때 원자의 속력 ()은 일정하다고 가정한 것이고, 실제로 원자빔 시계 (재래방식, 광펌핌 방식)에서는 열원자빔을 사용하기 때문에 평균속도는 약 250 ~ 280 m/s 로 거의 비슷하다.

이런 이유 때문에 원자시계의 성능을 향상시키기 위해 램지 공진기의 길이를 거의 3 m 까지 길게 만들었던 경우도 있었다 (미국 NBS, 중국 NIM). 그러나 공진기 길이가 길어지면 고진공, 균일한 자장을 형성하는데 어려움이 생기고 이런 점들이 원자시계 성능을 저하시키는 새로운 요인이 되기 때문에 꼭 바람직한 것만은 아니다.

Laser cooling 기술이 발명되어 원자의 속도를 조절할 수 있게 됨으로써 이런 문제는 사라지게 되었다. 즉, 원자의 상호작용 시간(t)을 길게 하기 위해서 공진기 길이 ( L= · t )를 길게 만드는 것 대신에 원자의 속력 ()을 줄이면 같은 효과를 볼 수 있다.

본 연구에서는 laser cooling 기술을 이용하여 원자의 속도를 줄이는 것뿐만 아니라, 원자의 속도분포 폭을 좁히고 (즉, 온도를 낮추고), 원자빔을 집속시키며, 저속, 저온 원자만을 선택하여 굴절시키는 실험을 수행하였다(그림:실험결과). 이렇게 하여 저속, 저온의 연속 원자빔을 만들었으며 이것을 이용하여 원자빔 시계를 제작하는 연구를 수행하고 있다.

이 원자빔을 이용하면 약 20 cm의 램지 공진기를 이용하더라도 램지 신호의 선폭은 약 56 Hz 가 될 것으로 예상된다. 이것은 KRISS-1 광펌핑 세슘원자시계 (공진기 길이는 약 38 cm)의 선폭보다 약 1/4 로 줄어든 값으로 이에 따라 정확도는 4배 정도 더 좋아질 것으로 예상된다.

세계에서 가장 빠른 경주용 자동차일지라도 시속 720 km는 못된다. 그런데 그런 속력으로 달리는 자동차를 타고 있는 사람이 있다면 바깥 경치를 제대로 구경할 수 있을까? 그 반대 경우로, 달팽이처럼 시속 0.3 km로 느릿 느릿 걸어가는 사람은 어떤가?

경치를 제대로 본다는 것은 그 경치에 관한 정확한 정보를 얻는다는 것과 같은 의미이다. 경주용 자동차를 탄 사람과 달팽이 같이 움직이는 사람이 경치로 부터 얻을 수 있는 정보량은 당연히 느리게 움직이는 사람쪽이 더 많다.

이와 똑 같은 현상이 원자에서도 발생한다. 25 ℃에서 세슘원자의 속력은 시속 720 km 이다. 이 원자를 시속 0.3 km 가 되도록 만든다는 것은 시속 720 km의 자동차를 만드는 것 만큼 어려운 일이다.
원자의 속도를 낮추는 연구는 지난 수십년 동안 지속되어 왔고, 1980년대 후반에서야 laser cooling 이라는 기술이 등장하면서 가능해졌다. 어떤 길을 따라 느리게 움직이는 원자는 주변의 경치를 더 자세히 볼 수 있고, 우리는 이 원자가 가지고 있는 정보를 읽어냄으로써 원자가 지나온 길에서 발생한 사건에 대해 더 자세히 알게 된다. 이 기술은 바로 원자시계 연구에 응용되었다.

원자분수시계에서는 포획된 원자를 연직 상방향으로 쏘아올린다. 원자들은 위로 올라갈 때와 다시 떨어질 때 마이크로파를 두 번 만나는데, 그 마이크로파의 주파수와 위상과 세기에 관한 자세한 정보를 가지고 떨어진다. 원자들이 가진 마이크로파에 관한 정보는 바로 원자시계를 동작시키는데 사용된다. 이 원자들이 위로 올라갔다 떨어지는 모양이 마치 분수와 같다하여 이런 방식의 원자시계를 흔히 "원자분수시계" (atomic fountain clock)라고 부른다. 세슘원자분수시계는 프랑스의 LPTF에서 완성되었으며 그 정확도는 기존의 어떤 원자시계보다 우수한 것으로 보고되었다.

그림1은 시간주파수 실험실에서 제작하고 있는 세슘원자분수 시계의 구성도이다.

원자를 MOT(Magnetic-Optical Trap)에 포획한 후 상방향으로 쏘아올린다. 다시 낙하한 원자는 MOT 아래쪽에 위치한 검출영역에서 레이저를 비추어 그때 발생하는 형광을 PMT로 관측한다. 이에 관한 설명은 그림 2에 나와 있다.

표준연구기관으로서 세슘원자분수시계에 관한 연구를 수행하고 있거나 계획단계에 있는 나라로는 프랑스, 일본, 스위스, 독일, 캐나다, 영국, 미국, 그리고 우리나라가 있다.

이 나라들 중에서 프랑스에서는 3개의 연구기관이 이 분야에서 활발한 연구활동을 수행하고 있고, 많은 연구업적과 탁월한 연구결과를 보여주고 있다. ENS의 교수로 있는 Cohen-Tannoudji가 레이저쿨링에 관한 이론을 정립하여, 1997년도에 노벨 물리상을 수상하였다. LHA의 C. Audoin은 원자시계에 관하여 많은 연구업적을 남겼으며 LPTF의 A. Clairon은 프랑스의 광펌핑 세슘원자시계와 원자분수시계를 만들었다. 이 세 개 연구기관이 공동으로 참여하여 우주공간에서 원자분수시계를 동작시키는 연구가 PHARAO라는 프로젝트로 수행되고 있으며 10의 정확도를 기대하고 있다.

일본에는 NRLM과 CRL의 두 개 연구소가 이 연구를 수행하고 있고, 스위스에는 OFMET가 스위스의 원자시계를 책임지고 있는 기관이다.

독일에서는 PTB에서 1995년부터 이에 관한 연구를 시작하였으며 현재 램지신호를 관측하였다. 캐나다의 NRC에서는 MOT에서 원자를 포획하고 온도를 측정하는 실험을 하였으며, 영국에서는 NPL에서 옥스포드 대학의 도움으로 원자분수시계 연구를 진행하고 있다.

미국의 NIST에서는 세슘원자분수시계에 관한 연구는 프랑스에 비해 뒤쳐지고 있으나 레이저쿨링에 관한 기초연구, 특히 Bose-Einstein Condensation을 실험적으로 증명하는 등, 대학교에서 활발한 연구활동이 진행되고 있기 때문에 조만간에 프랑스 시계에 버금가는 우수한 원자분수시계가 등장할 것으로 기대된다.

우리나라에서의 연구현황은 KRISS에서 세슘원자와 루비듐원자를 MOT에서 포획하였으며 세슘원자의 경우 온도가 약 2200 nK로 측정되었고, 이에 관한 설명을 위해 "Two-photon laser cooling" 이론을 설정하여 실험과 잘 일치하는 결과를 얻었다.

ENS	Ecole Normale Superieure
LHA	Laboratoire de L'Horloge Atomique
LPTF	Laboratoire Primaire du Temps et des Frequences
NRLM	National Research Laboratory of Metrology
CRL	Communication Research Laboratory
OFMET	Swiss Federal Office of Metrology
PTB	Physikalisch-Technische Bundesanstalt
NRC	National Research Council
NPL	National Physical Laboratory
NIST	National Institute of Standards and Technology

시각 비교 기술의 발달사

인공위성을 이용한 시각 비교 방법

GPS time link

GPS(Global Positioning System)는 미국 국방성(DOD)이 개발한 항법(navigation)용 인공위성 시스템이다.

GPS를 이용한 시각비교 방법으로는 동시측정(common-view) 방법이 가장 일반적이다.

지난 1950년대에서 1980년대 초에 이르기까지 약 30년 동안 지상전파를 이용한 시각비교 및 보급 기술이 주로 이용되었으며 HF(high frequency), LF(low frequency), LORAN-C(long range navigation), VLF(very low frequency), Omega등과 같이 주파수범위가 10 kHz에서 25 MHz에 이르는 전파를 이용하였다.

이들 지상전파는 대기의 전파잡음 및 신호의 대역폭이 좁아서( HF 대역의 경우 10 kHz) 전파신호의 정밀도가 나빠지고, 전리층을 통과하는 전파의 통과경로가 전리층의 전자수의 변동에 의해 크게 변화하여 정확도 및 정밀도면에서 큰 제약을 받는다. 특히 전리층은 지자기 및 태양의 활동에 의해서 변동되기 때문에 전파지연의 불확도가 계절, 밤낮의 태양활동에 따라 크게 달라진다. 이러한 지상전파를 이용한 국제시각비교실험은 1955년 장파를 이용하여 이루어졌으며 그 정밀도는 수천 ns 정도였다.

그후 1968년부터 LORAN-C 항법전파(100 kHz)를 중개로 한 원자시계의 국제시각비교가 이루어졌다. LORAN-C 신호는 미해군관측소(USNO)의 시계에 동기되어 있었으므로 이것을 이용하여 인접 국가간의 100 ns 정도의 정밀도로 국제시각비교가 가능하였다. 그러나 LORAN-C 신호의 도달거리가 2000 km 정도로 한국과 미국, 유럽 등과의 시각비교는 거리가 멀어서 불가능하였다. 장파항해방송, LORAN-C 신호, 미해군관측소의 이동원자시계를 이용한 국가간의 시각비교가 1980년대 초반까지 이용되었다.

인공위성에 의한 시각비교실험은 1964년 통신위성인 텔스타위성을 이용한 양방향 전송실험을 비롯해서 많은 위성을 이용한 시각비교실험이 UHF(ultra high frequency : 300 MHz~3000 MHz), SHF(super high frequency : 3 GHz ~ 30 GHz) 대역에서 이루어졌다. 이 주파수 대역은 대기에서의 전파잡음이 거의 없고 신호의 대역폭이 100 kHz 보다 크기 때문에 높은 정확도를 얻을 수 있다. 1983년 이후부터 현재에 이르기까지는 대부분 GPS(Two-way time transfer) 위성에 의한 시각비교와 국제상용통신위성(INTELSAT)을 이용한 양방향 시각비교방법으로 이루어지고 있다. GPS를 이용한 동시 측정 방법으로는 통상 약 100 ns의 정확도로 시각비교가 가능하다. 그런데 통신위성을 이용한 양방향 시각비교는 양국이 동시에 전파를 송신하기 때문에 전파경로상의 변동이 상쇄되어 1 ns 정도의 높은 정확도로 시각비교가 가능하다.

GPS와 비슷한 인공위성 시스템으로 러시아에서 운용하는 GLONASS(Global Navigation Satellite System)에서는 p-code를 사용할 수 있기 때문에 시각비교 정밀도가 GPS common-view보다 더 높게 나타난다. 또한 GPS multi-channel receiver를 이용하면 single channel보다 정밀도가 높아진다.

시각비교의 일반적인 개념은 단방향(one-way)방법, 동시측정(common-view)방법, 양방향(two-way)방법의 3가지로 분류할 수 있다. 그림은 그 기본원리도이다. 모든 방법에 있어서 가장 중요한 것은 전파의 전달매체에 의한 전파지연시간의 정확한 측정이다.

세계 각국의 원자시계(세슘원자시계, 수소 메이저)들 사이의 시각비교는 GPS에 의해 이루어지고 있고, 매일의 시각비교 데이터는 한달 간격으로 프랑스 파리에 위치한 BIPM의 Time Section으로 전자메일로 보내어진다. GPS를 이용한 시각비교 결과는 매달 Circular-T를 통해 공개된다. BIPM을 중심으로 한 이러한 time link는 그림과 같이 형성되어 있다.

KRISS에서 사용하고 있는 GPS 수신기 및 안테나는 사진에 나와 있다. 한편, multi-channel GPS + GLONASS 수신기가 1999년 9월에 도입되었으며 조만간 시험가동될 예정이다.

표준(연)에서는 다음과 같은 방법으로 시간주파수 표준을 국내에 보급하고 있다.

표준주파수국이란 표준시간 및 주파수를 무선전파 방송을 통하여 일반산업체와 방송국, 연구기관등 공공기관과 일반국민에게 보급하는 시간주파수 방송국이다. 이러한 표준주파수국은 현재 세계19개국, 32개 방송국(station)에서 방송하고 있으며, 아시아에서는 일본, 중국, 인도, 대만이 방송하고 있다. 우리나라는 1984년 11월 24일 호출부호(call sign) HLA로 할당을 받아 주파수 5 MHz, 방송출력 2 kW로 방송을 시작하였고 지금은 방송시설장비의 확충으로 주야 24시간 방송을 하고 있다. 이러한 방송신호는 주로 공간파(전리층 반사파)를 이용하고 있기 때문에 적절한 옥외안테나를 설치하면 우리나라 전역은 물론 일본 및 중국의 일부지역까지 수신이 가능하다.

5 MHz 반송주파수(carrier frequency)에 실리는 음성신호 내용은 다음과 같다.

초, 분, 시펄스(standard time intervals)
시간부호(BCD time code)
세계협정시(UTC)와 세계시(UT1)와의 시간차(0.9초 이내)
매분 52초에서 59초사이에 시각을 알려주는 시간안내음성과 매시 정각 및 30분에 다음과 같은 음성안내가 있다.
시간안내음성 ; "다음시각은 대한민국표준시 0시0분입니다."
HLA표준주파수국 안내음성 ; "HLA, 여기는 대한민국 대덕연구단지에 위치한 한국표준과학연구원 표준주파수국입니다. 본 HLA 표준주파수국에서는 국제적으로 할당된 표준반송주파수 5 MHz로 방송하고 있으며, 표준시와 표준시간간격 및 관련된 정보를 제공하고 있습니다. 이에 관하여 문의사항이 있으면 대덕연구단지 유성우체국사서함102호 HLA로 연락바랍니다."

표준시간 및 반송주파수는 세슘원자시계에서 발생하는 것을 이용하는데 송신기 및 시간부호발생장치 등 방송기기를 통하여 전파된다. 따라서, 단파(S.W) 라디오 수신기의 다이얼을 주파수 5 MHz에 맞추면 시간신호를 들을 수가 있고, 시간부호변환기를 이용하면 시각을 출력(display)할 수가 있다.

디지털 통신 시스템에서는 디지털 부호화된 음성신호를 비롯한 정보들을 시간 축상에 일정 주기로 배열한 후 상대측에 전달한다. 이때 모든 절차는 하나의 클락(clock)에서 제공되는 타이밍(timing) 신호에 의해 제어된다. 그러나 만약 송신노드와 수신노드의 클락주파수가 일치하지 않으면 슬립(slip) 현상으로 인하여 정보가 변질되거나 동일정보를 반복적으로 전송하는 등 신뢰성이 떨어진다. 따라서 디지털 신호의 확실한 전송을 위해 송,수신 클락의 타이밍 간격과 위치를 일치시키는 "동기화(Synchronization)" 과정이 필수적이다.

우리나라 통신망의 동기품질을 국제적인 수준으로 향상시키기 위해 한국표준과학연구원에 설치,운영되고 있는 한국기준주파수(KRF, Korea Reference Frequency)는 한국통신과 한국표준과학연구원이 협력하여 국내 디지털 통신망에 공급하고 있다. 이러한 한국기준주파수는 1989년 초기에 총괄국소를 중심으로 공급되던 것이 현재는 데이콤을 비롯한 기간망 사업체의 통신망을 포함하여 전국의 디지털 통신망에 확대 공급되어, 통신망의 품질을 향상시킴은 물론 종합정보통신망(ISDN) 구축의 기반이 되고 있다. 한국기준주파수 발생기는 CCITT G. 811에서 권고하고 있는 품질을 만족시키기 위해 세슘원자주파수 표준기 3대를 사용하고 있다.

KRF 발생기로부터 만들어진 고품위의 KRF신호는 한국표준과학연구원에서 대전중계소까지 45 M 급으로 전송되고 대전중계소에서는 각 지역국으로의 광선로에 알맞게 다중화한 후 전송하게 된다. 이러한 방법으로 전송되는 KRF신호들은 전송되는 과정에서 전송매체(광선로, 광전송장치)에 유기되는 Jitter나 Wander 등을 피할 수 없으므로 전송전의 KRF 신호품질이 아무리 좋더라도 수신측에서는 noise를 많이 포함하게 되어 그대로 사용하기가 곤란하게 된다. 이를 해결하기 위해 한국통신의 지역전화국에서는 DOTS(Digital Office Timing Supply)를 운영하고 있다.

116 전화시보 서비스는 전화망을 이용하여 우리나라 전국민에게 한국표준시에 동기된 정확한 시각을 안내하는 서비스로 한국통신과 한국표준과학연구원이 공동으로 제공하고 있다.

전화시보 : 한국표준과학연구원에서 유지하고 있는 대한민국 표준시를 전화선을 통하여 현재시간을 음성으로 사용자에게 알려준다.
실시지역 : 대한민국 전역
이용방법 : 국번 없이 116번을 다이얼하면 매 10초마다 한국표준시를 컴퓨터 합성어로 안내한다.
이용시간 : 24시간 계속 (년중 중단 없음)
사진. 전화시보장치

전화시보 개통연도

1981 ∼ 1982 : 서울지역에서 전화시보 서비스 시험실시

1982.10.3.     : 서울지역 개통

1983. 8.15.    : 부산, 대구, 대전, 광주지역 개통

1986 ∼ 1987 : 전국 142개 지역으로 전화시보 서비스 확장개통

1992. 9. 1.    : 신형 시보장치 서울지역 개통

1993.1. ∼ 2. : 부산, 광주 지역 신형 시보장치 설치 개통

1993. 12.      : 대전, 대구 지역 신형 시보장치 설치 개통

1997.12. 29. : ARS 시스템을 이용한 세계시각 안내장치 대전지역 시험 개통

시보 장치 설치 지역 : 1998년 현재 116 전화시보장치가 설치된 지역은 모두 5개 도시임.(서울, 부산, 대구, 대전, 광주)

확대 보급 지역 : 시보장치 설치지역 (5개 도시)으로부터 통신회선을 통하여 116 시보 안내음을 전송 받아 분배 증폭하고 전화교환기를 통해서 사용자에게 전달하는 지역(전국 142개 지역)

개인용 컴퓨터(PC)가 널리 보급되면서 PC는 산업 전 분야에서 다양하게 사용되고 있다. 이에 따라 PC에 내장된 시계의 정확도도 그 중요성이 증가하고 있다. 예를들면, 방송국의 프로그램 관리를 위해 PC를 사용하는 경우, 원하는 시각에 원하는 프로그램이 방송되도록 하기 위해서는 PC의 시계는 중요한 역할을 한다. 또 다른 예로, 인터넷을 통해서 전자 상거래를 하거나 은행 입출금을 하는 경우, PC의 시계가 서로 틀리면 중대한 문제를 일으킬 수 있다.

PC의 시계를 한국 표준시에 맞추는 프로그램을 개발하여 보급하고 있다. 이 프로그램을 사용자 PC에서 실행시키면 PC의 시각이 자동적으로 한국 표준시각에 맞추어진다.

인터넷망을 이용하여 시간주파수 그룹의 서버(time.kriss.re.kr)에 접속하면 사용자 PC의 시각을 맞출 수 있다.
인터넷을 이용한 PC 시각 동기 프로그램

Network Time Protocol인 SNTP를 제공하고 있으며 아래 site에서 시각동기용 프로그램을 다운로드하여 이용할 수 있다.

모뎀을 이용하면 접속되는데 시간이 다소 걸리지만 더 신뢰성있게 시각을 동기시킬 수 있다. 또한 세계 100 여개의 주요국가 및 도시의 현재 시각 및 한국과의 시간차를 알 수 있다. 각 지역의 시각표기는 썸머타임(일광절약시간제)을 고려하여 표기하였으며, 선택한 지역의 현재 날짜와 시각을 함께 볼 수 있다.
모뎀을 이용한 PC 시각 동기 프로그램

시각 발생 장치(CSD5300) 운영 : 모뎀을 통하여 방송장비 등의 시각을 자동적으로 맞출 수 있다.
그림. PC 시각동기 시스템의 구성도

시간주파수 연구실이 보유한 기술은 크게 세 가지로 구분된다. 즉, ① 새로운 원자시계를 개발하는 기술, ② GPS 인공위성 수신기를 이용하여 세슘원자시계를 국제적으로 비교하는 기술, ③그리고 시간주파수 표준을 보급하는 기술이다.

이 세 가지 기술은 상호 보완적이다. 다시 말하면, 새로운 원자시계를 개발하는 기술은 기존의 원자시계에서 고장이 발생했거나 성능이 저하되었을 때 적절하게 대처하는 방법을 가르쳐 준다. 또한 GPS 수신기를 이용한 시간주파수 비교 기술은 새로 개발한 원자시계의 성능 검사용으로 활용된다. 이런 기술을 바탕으로 시간주파수를 일반 국민과 산업체에 보급하는데, 보급 과정에서 산업체에서 필요로 하는 기술을 새로 개발한다.

시간주파수 연구실이 보유한 이 기술을 바탕으로 산업체에서 의뢰하는 기술지도 및 자문에 응하고 있고, 또 GPS 수신기, 주파수 발생기, 주파수 측정기, 타코미터 등에 대한 교정 서비스를 수행하고 있다.

현재 시간주파수 분야의 교정 및 시험검사가 가능한 최대측정능력은 표1에 나와 있다. 그리고 지난 5년동안 교정한 물량은 표2에 나와 있다.

표 1.

Best Measurement Capability

표 2. 산업체에서의 의뢰에 의해 지난 5년 동안 교정한 물량

시계발달의 역사
주파수와 시간의 관계
지구 - 태양 시계
시간을 알면 위치를 알 수 있다.
항해용 시계 만들기
달력의 역사
태양일과 항성일
지구의 자전과 시간 변동
역표시
고무줄 초
원자시와 윤초
항성년과 태양년
표준시간대역과 일광절약시간
표준시간의 개념
어느 시계가 진짜 정확한가?
발전소에 사용되는 시계
통신에 사용되는 시계
인터넷 시대의 표준시간

   지구는 태양 주위를 돌고, 달은 지구 주위를 돈다. 지구는 또 지구축을 중심으로 스스로 돈다. 이런 운동은 지구상에 있는 대부분의 지점에서 쉽게 관측할 수 있다. 옛날 사람들은 이런 천체의 운동에 대해서 잘 알지 못했거나 잘못 알고 있었음에도 불구하고 천체를 관측하면 시간을 정하는데 유용하다는 것을 알았었다.
   이런 천체의 운동은 아주 오랜 세월 동안 반복되어 발생했기 때문에 천체 관측자들은 계절의 변화, 일식, 월식 등과 같은 천체 현상을 미리 알 수 있게 되었고, 그것도 아주 정확하게 예측할 수 있었다.
   지구가 지구 축을 중심으로 자전하지만 우리는 그 운동 중 일부만을 볼 수 있다. 즉, 해가 지평선에서 떠올랐다가 지평선으로 지는 것만 관측할 수 있다. 따라서 해시계는 낮 시간 동안에만 동작한다. 추시계의 발명은 시계의 역사에서 큰 전기를 마련하였다. 추시계의 정확도는 그 이전에 있었던 많은 시계들 - 물시계, 모래시계, 촛불시계 등 - 보다 월등히 우수하였다. 추시계는 그런 시계들이 잴 수 있는 시간간격 보다도 더 잘게 시간을 쪼개어 잴 수 있었는데, 대략 일초 단위까지 가능하였다. 이것은 그 이전과 비교하면 엄청난 발전이었다.
   추가 규칙적으로 흔들리도록 하는 것은 추시계에서 제일 중요한 문제인데, 이것은 cog wheel과 escapement를 사용함으로써 해결되었다. 이것의 역할은 마치 그네를 타고 있는 어린이를 뒤에서 살짝 밀어줌으로써 그네가 지속적으로 흔들리는 것과 마찬가지로 추가 흔들릴 때마다 밀어주는 역할을 한다. 추를 흔드는 동력은 추시계의 체인 줄에 매달린 무게로부터 나오는데, 이런 종류의 동력은 옛날 뻐꾸기 시계에서 많이 사용하였다.
   감겨진 스프링이 시계를 가게 하는 동력으로 사용되기도 하였다. 단, 스프링이 꽉 조여졌을 때나 느슨해졌을 때에도 동력은 항상 일정하게 나와야 하는 것이 관건이었다. 이 문제는 fusee라는 복잡한 메카니즘을 사용하여 해결할 수 있었다. 이것은 발명된지 얼마 되지 않아서 한 단계 더 발전된 형태인 스프링과 밸런스휠로 바뀌었다. 이 시스템은 시계바늘을 돌리는 작은 톱니바퀴들과 직접 연결되기 때문에 추가 필요 없게 되었다. 추의 흔들림에 해당하는 부분이 시계 내부로 들어감으로써 시계는 아주 작게 만들 수 있게 되었고, 가지고 다니는 것도 가능해졌다.
   그러나 이런 기계적인 시계로 잴 수 있는 시간보다 더 정밀한 측정이 필요하다는 것을 간파한 과학자들은 사람이 셀 수 있는 진동수 보다 훨씬 더 빨리 진동하는 물체들을 찾기 시작하였다. 예를 들면, 소리굽쇠는 1초에 440번 진동하는데, 이 진동수는 음악에서 계명 "라"음에 해당한다. 옛날 손목시계 중에는 시계 내부에 작은 소리굽쇠가 들어있는 것이 있었다. 이 소리굽쇠는 배터리에서 오는 전기적인 충격에 의해 진동을 일으키는데 일초에 360번 진동한다.
   교류전기는 일반적으로 초당 60번 진동한다. 이 주파수를 이용하여 만든 시계가 전기시계인데, 동력뿐만 아니라 진동수도 전기에서 공급받는다. 그러나 더 정밀하게 시간을 재는 것이 필요한 사람들에게는 이 전기시계는 마치 향수를 파는 상인에게 1 리터 계량컵을 주는 것과 마찬가지로 아무 쓸모 없는 것이었다. 이 사람들에게는 1초를 훨씬 더 잘게 쪼개어 재는 것이 필요하였다. 실제로 전력회사에서도 60 Hz 전기를 생산하기 위해서는 1/60 초보다 더 짧은 시간을 잴 수 있어야만 했다.
   오늘날, 전력회사, 전화회사, 방송국을 비롯한 많은 사람들은 수정 발진자에서 나오는 진동을 이용한 시계를 가지고 있다. 수정 발진자는 전기로 활성화되어 초당 백만번 (MHz) 정도 진동한다. 그 진동수는 수정의 두께에 따라 달라지는데, 얇아질수록 진동수는 많아진다. 일반적으로 2.5 MHz, 5 MHz의 수정 발진자가 많다.
   믿어지지 않겠지만 이 보다 더 빠른 진동을 일으키는 것도 있다. 원자가 바로 그것이다. 화학의 주기율표에 나오는 원소들의 특성 중에는 원자가 진동하는 수, 다른 말로 하면, 원자가 공명을 일으키는 진동수가 있다. 예를 들면, 수소원자는 초당 1,420,405,752 번 진동한다. 루비듐 원자의 공명 진동수는 6,834,682,608 Hz 이고, 세슘 원자는 9,192,631,770 Hz이다. 이 원자들은 원자시계를 만드는데 가장 많이 사용되는 것들이다.
   자연에 존재하는 모든 것은 진동한다. 일정하게 진동하는 것은 모두 시간을 재는데 사용될 수 있다. 자연은 시계다.

   우리가 눈으로 보는 태양 - 겉보기 태양 -은 하루에 한번, 1 년에 365.25 번의 "주파수"로 남중점을 지나간다. 메트로놈은 일정한 시간간격으로 똑딱거림으로써 피아노를 치는 사람이 곡의 템포, 즉 시간을 일정하게 유지하도록 도와준다. 메트로놈에 달려있는 추의 위치를 옮기면 그 "주파수" 즉, 진동하는 횟수가 달라진다.
   일정하게 진동하는 것은 무엇이든 그 진동 횟수를 세어서 시간간격을 재는데 사용될 수 있다. 단, 그 진동이 이미 알고 있는 시간단위인 하루나 한시간, 일분 또는 일초 동안에 몇 번 발생하는지 알고 있어야 한다. 다시 말하면, 어떤 진동의 "주파수"를 안다면 시간간격을 잴 수 있다. 만약 어떤 사람이 햇빛이 전혀 들지 않는 지하 감옥에 있을지라도 그는 그의 심장 박동수를 세어서 시간이 얼마나 흘렀는지 알 수 있다. 단, 그의 심장이 일분 동안에 몇 번 뛰는지 알고 있어야 하고, 또 한 순간도 빠지지 않고 박동수를 세어야 한다.
  "주파수"라는 용어는 일초 동안에 발생한 진동수를 나타내는 것으로, 그 단위는 헤르츠 (Hz)를 사용한다. 이 단위는 무선 전파가 존재한다는 것을 처음으로 알아내었던 하인리히 헤르츠 (Heinrich Hertz)의 이름에서 따온 것이다.
   어떤 진동 발생 장치에서 나오는 진동수를 셀 수 있다면 그 장치의 정확도만큼 정확하게 시간간격도 잴 수 있다. 예를 들면, 만약 1초에 100만 번 진동하는 진동수 (1 MHz)를 셀 수 있다면 이것은 곧 시간간격을 100만 분의 1초까지 잴 수 있다는 것을 말한다. 이 작은 시간간격 (100만 분의 1초)을 계속 세면 일정한 시간의 길이가 되는데, 이것들이 쌓여서 1초가 되고, 한시간이 되고, 일주일, 한 달, 한 세기가 된다.
   아무리 정밀하고 정확하게 진동수를 센다고 할지라도 날짜를 알지는 못한다. 왜냐하면 날짜를 알기 위해서는 언제부터 진동수를 세기 시작했는지를 알아야 하기 때문이다. 만약 우리가 그 시작점을 알고, 또 그 진동 발생장치가 계속 동작되도록 유지한다면 그 장치로부터 시간간격 뿐만 아니라 날짜까지도 알 수 있다.

   지구와 태양은 인간이 가지고 있는 가장 일반적이고 가장 오래된 시계이다. 그리고 인간이 만든 모든 다른 시계의 근본이 된다. 옛날 사람들이 땅바닥에 막대기를 세우고 태양이 뜰 때부터 질 때까지 그림자가 움직이는 것을 관찰하면서 "정오" 및 다른 시간들을 나타내었다. 이것이 바로 "해시계"이다. 그런데 해시계는 햇빛이 비칠 때는 꽤 믿을 만한 시간을 알려주지만 햇빛이 사라지면 전혀 쓸모가 없다. 그래서 사람들은 태양이 보이지 않을 때도 동작되는 기계적인 시계를 만들게 되었다. 인간이 만든 시계는 "주시계(主時計)"인 태양을 기준으로 시간을 맞추었다. 이 때 태양은 제1차 시계이고 다른 시계들은 제2차 시계라고 말한다.
   시계의 역사에서 초창기에는 물이나 모래의 흐름을 이용하여 시간을 재었다. 그러나 이 시계들은 그 성능이 아주 조잡하였다. 그러나 전기로 활성화된 수정의 진동수를 세거나 루비듐이나 세슘 같은 원자들의 고유 진동수를 세는, 극도로 정밀한 시계들이 발명되었다. 지구-태양 시계는 24시간마다 한 사이클이 완료되는 것이지만 원자시계는 1 초에 수십억 번 진동하는 것을 세야 하기 때문에 훨씬 복잡한 장치가 필요하다. 그러나 일단 장치가 갖추어지면 원자시계는 지구-태양 시계보다 수천 배 이상 정밀하게 시간을 잴 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 쉽게 작동시킬 수 있다.
   지구가 지축을 중심으로 자전하고 태양을 중심으로 공전하는 것은 시계를 만들기 위한 중요한 요소를 제공해준다. 이 지구-태양 시계는 시간의 표준으로 사용되기 위해 필요한 다음의 조건들을 모두 갖추고 있다.

유용성: 모든 사람들이 이용할 수 있어야 한다. 지구상에 있는 사람이면 누구나 태양의 움직임을 볼 수 있고 이용할 수 있다.
신뢰성: 믿을 만 해야 한다. 지구와 태양의 운동이 갑자기 정지하거나 사라질 가능성은 희박하다. 그러나 사람이 만든 시계들은 그럴 가능성이 있다.
안정성: 아주 안정되어 있어야 한다. 지구-태양 시간에 근거하여 과학자들은 수백 년이나 수천 년 전에 미리 지구상의 어떤 지점에서의 일출과 일몰 시각을 비롯하여 일식, 월식 등과 같은 천체현상들을 시, 분, 초까지 예측할 수 있다.
이런 점 외에도, 지구-태양 시계를 동작시키는데는 돈이 들지 않는다. 또 "누구"의 태양이 더 권위가 있는지 따질 필요도 없다. 그리고 아무도 이 시계를 운용하거나 조정하는데 있어서 책임을 지지 않는다. 그럼에도 불구하고 이 나이 많고 존경스러운 시계는 몇 가지 심각한 한계를 가지고 있다. 시간을 재는 장치가 점점 개선되고, 지구와 우주에 관한 연구가 진척됨에 따라 지금까지 당연한 것으로 받아들여졌던 천체현상들이 사실과 다르다는 것을 알게 되었다. 그 중에 한가지로서, 지구-태양 시계는 지금까지 알려진 것과는 달리 안정된 시계가 아니라는 것이다. 이것은 지구-태양 시계보다 더 정밀한 원자 시계가 등장하면서 밝혀진 것이다.

태양 주위를 도는 지구의 공전 궤도는 완전한 원이 아니고 타원형이다. 그래서 지구는 태양에서 멀리 떨어져 있을 때 보다 가까이 있을 때 더 빨리 돈다.
지구의 자전축은 지구의 공전궤도면에 대해 기울어져있다.
지구의 자전축은 고정되어 있지 않고 흔들거린다.
이런 이유들로 인해서 지구-태양 시계는 정확하지 않다. 처음의 두 가지는 해시계로 측정한 하루의 길이가 2월과 11월에 15분 가량 차이가 나는 원인이다. 그러나 이 효과는 예측할 수 있기 때문에 심각한 것은 아니다. 그런데 예측할 수 없는 변동도 있다.
사람이 만든 시계가 지구-태양 시계보다 더 안정되고 정밀해지자 이제는 태양시가 오히려 보정 되어야 했다. 기계 시계와 전기 시계가 더 믿을만해지자 사람들은 그 동안 "주시계"의 자리를 지키고 있던 지구-태양 시계를 점차 잊어갔다. 대신에 그들이 가지고 있는 시계를 사용하게 되었다. 옛날에는 시간을 알기 위해서 태양이 뜨는 것을 관찰했지만 이제는 태양이 뜨는 시각을 알기 위해서 자기 시계를 쳐다본다.

    옛날 사람들은 여행을 할 때, 특히 아무런 이정표가 없는 망망대해를 여행할 때 해나 별을 보면서 위치를 추측하였다. 다행스럽게도 북반구에는 북극성이 있어서 탐험가나 모험가들의 길잡이 역할을 하였다.
   이 초기의 항해자들은 북쪽으로 갈수록 북극성의 고도는 점점 높아진다는 것을 알았다. 수평선에 대해 북극성이 이루는 각도, 즉 고도를 측정함으로써 현재 배의 위치가 북극에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 바꾸어 말하면, 적도에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알 수 있었다. 이 때 "육분의"라는 장치가 고도를 정확히 측정하는데 사용되었다. 이 측정값을 위도라고 하는데, 적도는 위도가 0 도이고, 북극은 위도가 90 도이다.
   그러나 지구가 자전하는 것 때문에 동쪽과 서쪽 방향에서 위치를 알아내는 것은 간단한 일이 아니었다. 동서 방향에서의 위치 측정을 위해서 지구표면을 경도라고 부르는 선으로 360 도로 나누었다. 모든 경도선은 북극과 남극에서 만난다. 국제적인 합의에 의해서 영국 그리니치를 통과하는 자오선을 0 도로 하기로 하였다. 이 자오선을 중심으로 동쪽과 서쪽으로 각각 180 도씩 나누었다.
   지구상의 어떤 지점에서건 태양은 동쪽에서 서쪽으로 움직이는데, 한 시간에 15 도씩 (4분 동안에 1 도씩) 진행한다. 만약 어떤 배에 아주 정확한 시계가 있고, 그 시계가 그리니치의 현재 시각을 가리킨다고 가정하자. 항해자는 태양의 고도로부터 배가 있는 현 위치에서의 시각을 알 수 있다. 태양으로 결정된 그 지역시각과 그리니치 시각이 4분 차이가 난다면 그 배는 그리니치로부터 경도 1 도만큼 떨어진 지점에 있다는 것을 나타낸다.
   밤에는 두 세 개 별을 관측함으로써 위치를 알 수 있다. 그 방법은 북극성으로부터 위도를 알아내는 방법과 같다. 단, 차이점은 북극성은 하늘에 정지해 있는 것처럼 보이지만 다른 별들은 북극성을 중심으로 동심원을 그리며 움직이는 것처럼 보인다는 것이다. 이 때문에 항해자들이 배가 있는 현 위치를 알아내기 위해서는 먼저 현재의 시간을 알아야 한다. 항해자가 가지고 있는 해도에는 어떤 해, 어떤 계절, 어떤 시간에 별들이 어떤 위치에 나타나는지 알 수 있기 때문에 그가 현재의 시간을 안다면 별의 위치와 해도에 나타난 별자리와 비교하여 그가 있는 위치를 알아낼 수 있다.
   그 방법의 원리는 다음과 같다. 별과 지구의 중심을 연결하는 선이 지구 표면과 만나는 점을 상상해 보자. 그림에서 A점과 B점은 각각 1번과 2번 별의 지표면에 해당하는 점들이다. 만약 항해자가 O 라는 지점에 있다면 1번 별은 머리 위에서 약간 기울어진 방향에서 보일 것이다. 그러나 A점을 중심으로 그린 원주상에 있는 사람은 누구나 O점에 있는 사람이 보는 각도와 같은 각도로 1번 별을 보게 된다. 그래서 O점에 있는 항해자는 2번 별을 보는 각도로 부터 B점을 찾아내고 B점을 중심으로 원을 그리면 두 개의 원은 두 지점에서 만난다. 항해자가 제3의 별을 보면서 같은 방법으로 원을 그리면 그 중 한점과 교차하는데 바로 그 점이 항해자의 현재 위치이다. 그런데 항해자는 자기의 현재 위치를 대충 알고 있기 때문에 두 개의 원이 만나는 두 지점 중 어느 쪽에 있는지는 세번째 별을 관측하지 않더라도 안다.
   이 방법의 이론은 간단하지만 가장 큰 문제는 200년 전까지만 하더라도 바다에서 정확한 시간을 알려줄 시계가 없었다는 것이다.

    해도에도 없는 망망 대해를 수천 킬로미터씩 항해하면서 세계를 탐험하던 시대가 수 세기에 걸쳐 있었다. 이 때 배를 탄 사람들에게는 배의 현재 위치를 알려주는 항법장치가 절대적으로 필요했다. 그러나 배가 떠 있는 위치와 안전한 항구로 가는 뱃길을 아는 사람이 없었기 때문에 폭풍우를 만나 항로를 이탈하는 사고가 자주 발생하였다.
   항해자들은 북극성이 수평선에 대해 이루는 각도를 잼으로써 북반구에서 위도를 알아낼 수 있었는데, 이것은 꽤 오래 전부터 가능하였다. 그러나 동서 방향으로의 항해는 거의 전적으로 목숨을 건 추측에 의존하였다. 만약 그 당시에 영국 그리니치의 시간을 알려주는 시계가 있었더라면 그리니치를 중심으로 동쪽이나 서쪽으로의 위치도 쉽게 알아내었을 것이다.
   배에 실을 정확하고 믿을 만한 시계에 대한 절박한 필요성 때문에 발명가들은 더 좋은 시계를 만들어 내도록 강요받았다. 많은 시계들이 조금씩 개선되면서 등장하였으나 돌파구 역할을 한 것은 추시계였다. 그러나 추시계는 바다에서는 전혀 쓸모가 없었다. 배가 전후 좌우로 흔들리는 바람에 추가 제대로 동작하지 못하였다.
   1713년에 영국 정부는 경도를 1/2 도 이내에서 알아낼 수 있는 크로노미터 (경도 측정용 시계)를 만드는 사람에게 20,000 파운드의 상금을 내걸었다. 이 상금을 쫓던 많은 기술자들 중에서 영국인 존 해리슨이라는 시계 제작자가 상금을 타게 되었다. 그는 그 요구 조건을 만족시키는 시계를 만드는데 40여 년의 세월을 바쳤다. 흔들리는 배에서도 동작되고, 금속 스프링의 심한 수축과 팽창의 원인이 되는 온도차이도 극복하고, 모든 것을 부식시키는 소금기 섞인 바닷바람에도 견뎌내는 시계를 만드는 방법을 찾아나갔다. 그가 마지막으로 거의 완벽한 크로노미터를 제안했을 때, 영국 정부의 위원회에 소속된 위원들은 그 시계를 시험하기 위해서 바다에 나갔다가 시계를 잃어버릴지도 모른다는 걱정을 하였다. 그래서 해리슨이 똑 같은 시계를 하나 더 만들 때까지 시험 여행을 연기하였다. 마침내 1761년에 해리슨의 아들인 윌리암은 그 장치를 시험하기 위하여 자마이카로 항해를 시작하였다. 수일간 계속된 폭풍우 속에서 배가 항로를 크게 벗어났음에도 불구하고 크로노미터는 놀랄 만큼 정확하게 동작하였으며 수개월 동안 경도로 1/60 도 이내에서 유지되었다. 그 덕분에 윌리암은 바다에서 1/3 도 이내에서 경도를 알아낼 수 있었다. 해리슨은 20,000 파운드의 상금을 청구했는데, 그 중 일부의 돈은 그가 이미 받았었고 나머지 돈은 그 이후 2년간에 걸쳐서 지급되었다. 이 때가 그가 죽기 3년 전이었다.
   해리슨의 크로노미터가 만들어진 후 반세기 동안 비슷한 모양의 장치들이 손재주 있는 시계공들에 의해 수공으로 제작되었다. 이것은 아주 비쌀 뿐만 아니라 중요한 장치로서 항해를 하는 배에서는 빼놓을 수 없는 것이었다. 그 장치는 아주 조심스럽게 다루어졌으며 그것을 돌보는 의무를 맡은 사람은 엄청난 책임감을 느꼈다.
   오늘날 대양을 항해하는 선박의 승무원들은 해리슨이 상 받았던 그 크로노미터만큼 정확하고 믿을 만한 손목시계를 차고 있다. 그러나 배에 장착되어 있는 크로노미터는 해리슨의 장치와 근본적으로는 같은 기본원리에 바탕을 두고서 만들어진 것으로 현대적인 항법장치의 정교한 보조장치로서 오늘날도 여전히 중요한 역할을 하고 있다.

년, 월, 일은 다음 세 가지의 천체운동의 주기에서 만들어진다.

년(年)- 태양년-은 지구가 태양 주위를 한바퀴 완전히 도는데 걸리는 시간
월(月)은 보름달과 다음 보름달 사이의 시간
일(日)은 해가 남중했다가 다음 남중할 때까지의 시간
   천체 관측이 정교해짐에 따라 사람들은 일년이 우수리 없이 딱 떨어지는 날 수와 달 수로 되어있지 않다는 것을 알게 되었다. 고대 문명의 초기에 티그리스-유프라테스 계곡에 있던 농부들은 일년이 열두 달로 되어 있고, 한 달은 보름달과 다음 보름달 사이의 평균시간인 29.5일로 된 달력을 고안하였다. 이 날 수를 더하면 일년이 354일이 되는데, 이것은 우리가 알고 있는 일년보다 11일이 짧다.
   이 고대의 농부들은 그들이 씨 뿌리는 날짜가 점점 계절과 어긋난다는 것을 알아차렸다. 달력을 계절과 일치시키기 위해서 여분의 날과 달을 달력에 더했는데, 처음에는 불규칙하게 더했으나 나중에는 19년 주기로 하였다.
   태양년이 365일에 가깝고 매 4년마다 하루를 더해야 된다는 것을 처음으로 알아낸 사람은 이집트인이었다. 그러나 그 이집트 천문학자들은 4년마다 하루를 더하는 것에 대해 자기네 왕을 설득시키지 못하였다. 그 때문에 계절과 달력은 천천히 어긋나기 시작했다. 그 후 200여년이 지난 후, 기원전 46년에 가서야 쥴리어스 시저 (Julius Caesar)는 윤년이 도입된 365일제를 채택하였다. 그러나 이 달력도 그렇게 정확한 것은 아니었다. 매 4년마다 하루를 더한 것은 오히려 달력이 매년 약 12분 앞서가게 하는 결과를 초래했다.
쥴리어스 시저가 그의 달력을 만든 후 천 수백년이 지난 후, 이 작은 오차는 누적되어 약 6일의 차이가 발생하였다. 그 결과, 부활절 같이 종교적으로 중요한 날이 계절보다 점점 일찍 찾아왔다.
  1582년에 가서는 이 차이가 꽤 커졌다. 그래서 교황 그레고리 13세 (Gregory XIII)는 달력과 그것을 만드는 방법을 바꾸었다. 즉, 새로운 세기를 시작하는 해 중에서 400으로 나누어지지 않는 해는 윤년이 되지 않게 하였다. 예를 들면, 2000년은 400으로 나누어지기 때문에 윤년이지만 1900년은 나누어 떨어지지 않기 때문에 윤년이 아니다. 이렇게 함으로써 오차가 3300년 동안에 약 하루로 줄어들었다. 그리고, 그 때 까지 사용하던 달력을 계절과 일치시키기 위해서 1582년은 1년의 길이를 10일이 줄어든 355일로 하였다. 즉, 1582년 10월 4일 다음날이 10월 15일이 되도록 하였다.
   그레고리 달력을 채택함으로써 달력과 계절은 꽤 잘 맞았다. 그러나 여전히 일년을 이루는 날짜 수가 태양주위를 도는 지구의 회전주기와 완전히 일치하지는 않았다. 세 가지 천체 주기를 바탕으로 한 달력을 사용하는 한, 매달 또는 매년에 속한 날짜 수가 달라지는 것은 피할 수 없는 일이다.

일년이 정수로 딱 떨어지는 날수나 달수가 아니기 때문에 들쭉날쭉한 달력을 가질 수밖에 없다는 사실을 알아보았다. 그것 말고도 몇 가지 문제가 더 있다. 시간을 재는 능력이 점점 발달해감에 따라 태양을 기준으로 한 하루의 길이가 2월과 11월에는 평균치보다 15분만큼 차이가 난다는 것이 밝혀진 것이다. 이것은 다음 두 가지 이유 때문이다.

지구가 태양주위를 도는 궤도는 원이 아니고 타원이다. 지구는 태양에서 멀리 떨어져 있을 때 (북반구에서 여름일 때) 보다 태양에 가까이 있을 때 (북반구에서 겨울일 때) 더 빨리 돈다.
지구의 자전축은 지구가 태양주위를 도는 궤도를 포함하는 평면에 대해 23.5도 기울어져 있다.
이 두 가지 사실 때문에 2월과 11월에 시간차이가 발생한다. 이런 변화를 없애기 위해 "평균 태양일"이라는 새로운 하루가 정의되었다. 평균 태양일은 매 태양일을 일년동안 평균하여 얻어진다.

   태양일은 태양이 남중했다가 다음 남중할 때까지의 시간으로 정의되었다.
그러면 별이 남중했다가 다음 남중할 때까지 시간을 잰다면 어떨까? 별에 의해 결정되는 이 하루도 태양일과 길이가 똑 같을까? 그렇지 않다. 별이 밤에 남중하는 시간은 그 전날 밤보다 조금 빠르다. 그 이유는 지구가 자전하는 동안에 태양 주위의 공전궤도를 따라 조금 움직였기 때문이다. 이 효과 때문에 평균 태양일은 별에 의한 하루보다 4분 가량 길다. 별에 의해 결정되는 하루를 항성일 (sidereal day)이라고 한다.
   태양일과 달리 항성일은 그 길이가 변하지 않는다. 항성일은 계절이나 년도에 상관없이 항상 평균 태양일 보다 4분 가량 짧다.
   왜 항성일은 훨씬 더 일정할까? 그 이유는 별 (항성)이 워낙 멀리 떨어져 있어서 지구의 축이 기울어진 것과 타원 궤도에 의한 효과가 무시될 수 있기 때문이다. 다르게 말하면, 만약 우리가 아주 멀리 떨어져 있는 별에서 지구를 바라본다면 지구의 축이 기울어진 것과 지구가 태양주위를 타원궤도로 돈다는 것을 거의 식별할 수 없다는 것이다. 사실, 평균태양일 자체도 태양을 관측하는 것 보다 별을 관측하는 것이 측정하기가 훨씬 쉽다.

   천체관측으로 만드는 시간척도가 불확실성을 가지게 되는 원인은 지구가 일정한 속도로 회전(자전) 하지 않기 때문이다. 지구의 자전이 균일하지 않다는 것을 처음으로 의심하기 시작한 것은 17세기 후반경이다. 최초의 영국 왕립 천문학자인 존 프램스테드 (John Flamstead)는 1675년에 지구가 물과 공기로 둘러 쌓여 있기 때문에 지표 상에서의 분포가 계절에 따라 달라지면 지구가 자전하는 속도도 계절에 따라 달라질 것이라고 발표하였다. 헬리 혜성을 발견한 영국 천문학자 에드먼드 헬리 (Edmund Halley)는 더 결정적인 단서를 발견하였다. 즉, 1695년에 달이 있어야 할 지점보다 앞서 있다는 것을 관측하였다. 이것은 지구의 회전속도가 느려졌거나 아니면 달의 궤도 계산이 잘못되어 예측을 잘못했기 때문이라고 생각했다. 그래서 달의 궤도를 다시 조심스럽게 계산하였으나 아무 잘못을 찾지 못하였다.
   증거는 계속 나타났다. 20세기초에 미국의 천문학자인 사이몬 뉴컴 (Simon Newcomb)은 지난 2세기 동안 달은 예정된 지점 보다 앞설 때도 있었고 뒤쳐진 때도 있었다는 알아냈다. 1939년에는 달뿐만 아니라 다른 혹성들도 예정된 장소에 있지 않다는 것이 밝혀졌다. 이것은 지구의 자전이 균일하지 않다는 것을 보여주는 명확한 증거이다.
   1950년대 초에 원자시계가 개발되어 지구 자전의 불규칙성을 좀더 자세히 연구하는 것이 가능해졌다. 이것은 원자시계에서 얻어지는 시간이 지구 시간보다 훨씬 일정하게 가기 때문에 가능한 것이다. 이 연구에 의해 지구는 다음과 같은 세 가지 형태의 불규칙성을 가진다는 것이 밝혀졌다.

지구의 자전 속도는 점점 느려지고 있다. 현재의 하루는 천년 전에 비해서 약 16 ms (16/1000 초) 길다. 이것의 주원인은 달이 지구에
미치는 조수(潮水) 효과 때문이다. 산호화석의 나이테에 나타나는 간접적인 증거에 의하면 6억 년 전에는 지구의 하루가 약 21시간
이었다.
북극과 남극의 위치는 일년동안에 수 미터 정도 이동한다. 정밀한 측정에 의하면 이 흔들림 때문에 시간으로는 30 ms 정도 차이가
발생한다. 이 극운동의 원인은 계절적인 영향과 지구구조의 재배치 때문일 가능성이 있다.
지구의 규칙적인 요동과 불규칙적인 요동 때문에 지구의 회전속도는 감소하는데, 규칙적인 요동에 의해 일년에 약 수 ms 느려진다. 봄철에는 속도가 느려졌다가 가을이 되면 빨라지는데, 이것은 죤 프램스테드가 생각했던 것처럼 지구상의 계절적인 변화 때문이다.
   지구 자전운동의 계절적 변화는 마치 얼음판 위에서 발끝으로 서서 회전하고 있는 피겨 스케이터와 비슷한 원리이다. 피겨 스케이터가 뻗었던 팔을 움츠리면 회전속도는 빨라지고, 다시 팔을 뻗으면 속도가 느려진다. 이것을 물리학적으로 설명하면, 회전하는 물체에 외부에서 힘이 작용하지 않으면 회전운동량이 보존되는 원리이다. 즉, 이 피겨 스케이터에 작용하는 힘은 공기 마찰력, 얼음과 스케이트 날 사이의 마찰력으로 거의 고립된 회전체이다. 따라서 회전운동량이 보존되기 위해선 팔을 당겼을 때 속도가 빨라져야 한다.
   지구도 이와 같은 고립된 회전물체이다. 겨울동안에 북반구에서는 대양에서 증발한 물이 얼음과 눈이 되어 놓은 산에 쌓인다. 대양에서 산꼭대기로 물이 이동한 것은 스케이터가 팔을 펴는 것과 비슷하다. 그래서 지구는 겨울철에는 속도가 느려진다. 봄이 되어 얼음이 녹아 바다로 돌아가면 지구의 회전속도는 다시 빨라진다.
   북반구에서 겨울이면 남반구에서는 여름이기 (또는 그 반대) 때문에 서로 상쇄효과가 나타나야 할 것인데 왜 그렇지 않은가 하는 의문이 생길 수 있다. 그 이유는 적도 북쪽에 있는 땅의 무게가 적도 남쪽에 있는 땅의 무게보다 훨씬 무겁기 때문에 두 반구 사이에서 상쇄효과가 있더라도 북반구에 의한 영향이 더 크기 때문이다.
   지구를 불규칙한 시계로 만드는 이런 요인들 때문에 세 가지의 다른 "세계시" 시간척도를 만들게 되었다. 그것들은 UT0, UT1, UT2 이다.

UT0은 평균 태양일에 의해서 만들어진 척도이다. 즉, UT0은 지구가 기울어진 상태로 타원형 궤도를 공전하는 효과를 보정한 것이다.
UT1은 UT0에 지구의 극운동 효과를 보정한 것이다.
UT2는 UT1에서 계절에 따른 지구 자전속도의 규칙적인 변동을 보정한 것이다.
UT0에서 UT2로 한 단계씩 올라감에 따라 점점 더 균일한 시간척도가 된다.

    지구의 자전에 바탕을 둔 시간은 불규칙하다. 이 불규칙성 때문에 달이나 혹성들의 궤도운동을 예측한 시간은 실제 관측결과와 일치하지 않는 경우가 발생한다. 달과 혹성들 모두가 예측할 수 없는 방식으로 운동하는 것이 아니라면 지구 자체가 불규칙하게 운동한다고 생각할 수밖에 없다.
   이 가정이 훨씬 합리적이고, 실제로 다른 관측에 의해서 실증되었다. 그래서 이제부터 우리는 천체의 운동은 정확한 시간에 발생한다고 가정한다. 그렇다면 시간척도를 지구의 자전과 연결시키기보다는 천체의 운동에 연결시키는 것이 더 바람직하다. 이 천체의 운동에 바탕을 둔 시간척도를 "역표시"라고 부르는데, 1956년에 만들어졌다.
  역표시 (ET)를 채택한 것은 시간측정의 기본단위인 초를 정의하는데도 큰 변화를 불러 일으켰다. 1956년 이전까지는 일초는 평균 태양일의 1/864,00으로 정의되었다. (하루는 86,400초) 그러나 우리가 아는 것처럼 태양시에 바탕을 둔 일초는 일정하지 않다. 그래서 1956년부터 1967년까지 일초는 역표시에 바탕을 두고서 정의되었다. 이렇게 정의된 일초 -역표초-는 가능하면 평균 태양초에 가까운 것이 실질적으로 사용하기 좋기 때문에 역표초는 1900년의 평균 태양초에 가장 가깝게 정의되었다. 다른 말로 하면, 역표시 (ET)와 세계시 (UT)를 유지하는 두 시계는 1900년에 가장 가깝게 맞추어졌다.
그러나 20세기 중반에 가서는 지구 자전속도의 감소로 인해 세계시가 역표시보다 30초 늦어졌다.

역표시는 균일하다는 장점이 있다. 그리고 우리가 아는 한, 뉴톤이 그의 운동방정식을 만들 때 생각했던 균일한 시간과 가장 잘 부합한다. 그러나 역표시의 가장 큰 단점은 쉽게 얻을 수 없다는 것이다. 왜냐하면 역표시의 정의에 따라 천체운동을 관측하여 시간을 비교하려면 오랜 시간을 기다려야 한다. 현대에 필요한 정도의 정확도로서 시간을 알려면 여러 해 동안 천체관측을 해야 한다. 예를 들면, 0.05 초의 정확도를 가지는 역표시를 얻기 위해선 9년이 소요된다.
이에 비해, 매일 밤 별을 관측하여 정해지는 세계시에서는 하루에 수 ms의 정확도로서 일초가 결정된다. 그러나 수 차례 언급한 것처럼 세계시에서 일초는 지구자전의 불규칙성 때문에 일정하지 않다. 우리에게 필요한 것은 짧은 시간동안에 정확하게 얻을 수 있는 일초이다. 그래서 원자초가 등장한 것이다.

    과학자들은 1950년대 초에 유사이래 처음으로 최고의 정확도를 가지는 원자시계를 만들었다. 그러나 문제는 세계시의 불규칙성 때문에 세계시와 원자시가 서로 어긋나는 것이었다. 원자시의 정확성을 가지면서 세계시와 크게 어긋나지 않는 시간척도에 대한 필요성이 대두되었다.
   그렇게 보완된 시간척도가 1958년에 만들어졌다. 초의 정의는 원자시에 바탕을 두고 새로 정의되었고, 새 시간척도인 세계 협정시 (UTC)는 UT2와 거의 일치되도록 만들어졌다. 그리고 일년은 항상 똑 같은 갯수의 초로 이루어지게 하는 것으로 결정되었다.
   그러나 이것은 지구자전의 불규칙성을 반영하여 초의 길이를 주기적으로 바꾸어주지 않는다면 분명 불가능한 일이다. 그래서 고무줄처럼 늘었다 줄었다 하는 초가 등장하였다. 1958년부터 매년, 원자시계에서 만들어진 일초를 기준으로 다가오는 일년도 지나간 일년처럼 똑 같은 수의 초로 이루어지도록 일초의 길이를 조금씩 바꾸었다. 그러나 지구자전의 불규칙성을 완전히 예측하지 못하기 때문에 올해에 선택된 고무줄 초의 길이가 내년에도 잘 맞을지 미리 확인할 수 있는 방법이 전혀 없다.
   이런 문제점을 미리 예견하여, 만약 UTC와 UT2가 0.1초 이상 차이가 나면 UTC 시계를 0.1초 조정하는 것에 대해 이미 합의를 하였었다.
   그러나 몇 년이 지난 후 많은 사람들은 이 고무줄 초가 몹시 귀찮다는 것을 깨닫게 되었다. 세상에 있는 모든 시계를 매년 조정해야만 했다. 이것은 마치 1 cm라는 길이가 매년 바뀐다면 모든 자들 - 고무자들 -을 그 해의 1 cm에 맞도록 늘리든가 줄여야 하는 것과 같은 일이다. 고무줄 시계를 맞추는 일은 귀찮을 뿐만 아니라 원자시계 같이 고급시계인 경우에는 돈이 많이 드는 작업이었다. 그래서 고무줄 초는 더 이상 사용되지 않았다. 대신에 윤초가 도입되었다.

   원자시계 (원자 주파수 표준기)가 개발됨으로써 짧은 시간동안에 정확하게 결정되는 새로운 초의 시대가 열렸다. 1967년에, 일초는 세슘원자에서 발생하는 복사선의 주파수로 정의되었다. 구체적으로 말하면, 국제적인 합의에 의해, 표준 일초는 외부에서 아무 방해를 받지 않는 세슘원자가 9,192,631,770 번 진동하는 시간으로 정의되었다. 마치 추시계에서 추가 흔들린 횟수를 세듯이 원자시계에 딸린 전자장비가 이 진동수를 세어서 표시한다.
  원자시계 덕분에 일초의 길이는 일분 이내에 10억분의 1초 까지 정확히 결정될 수 있었다. 그러나 이 새로운 초의 정의는 지구의 운동과는 전혀 무관하기 때문에 지구자전의 불규칙성에 기인한 원자시와 세계시가 서로 어긋나는 문제는 여전히 남아있었다.
   원자시와 세계시가 서로 어긋나는 문제를 해결하기 위해 1972년에 "윤초"가 발명되었다. 윤초는 윤년과 비슷한 개념이다. 즉, 태양 주위를 도는 지구의 위치와 달력의 날짜를 일치시킬 목적으로 매 4년마다 2월 마지막 날에 하루를 더하는 것이 윤년이다. 이에 비해 윤초는 지구자전의 불규칙성 때문에 발생하는 시간차를 보정하기 위해 일초를 더하거나 빼는 것을 말한다. 좀더 자세히 말하면, UTC는 UT1과 0.9초 이내에서 항상 일치하도록 만든다. 그리고 12월이나 6월의 마지막 날 마지막 분에 일초를 더하거나 빼는데, 이때는 일분이 61초가 되거나 59초가 된다. 언제 윤초를 적용해야 하는지에 관한 정보는 프랑스 파리에 있는 국제도량형국 (BIPM)에서 세계 각국에 있는 시간주파수 표준연구실로 알려준다.
   1972년 -윤년-에는 두 번의 윤초가 더해져서 현대에 들어 가장 긴 일년이 되었다. 지금까지 빼기 윤초를 적용한 경우는 없고 모두 더해지기만 했는데, 1999년 현재 총 32초가 더해졌다.

   지금까지 우리는 일년이란, 지구가 태양주위를 한바퀴 완전히 도는데 걸리는 시간이라고 정의하였다. 그러나 사실은 두 종류의 일년이 있다. 하나는 항성년으로, 이것은 별을 기준으로 바라볼 때 지구가 태양 주위를 한바퀴 도는데 걸리는 시간이다. 마찬가지 개념으로 항성일이란 별을 기준으로 지구가 지축을 중심으로 한바퀴 자전하는데 걸리는 시간이다. 멀리 떨어져 있는 별에서 지구를 바라본다면, 지구가 어떤 지점에서 출발하여 공전궤도를 따라 한바퀴 돌아서 다시 그 지점까지 오는데 걸리는 시간이 항성년이다. 이 항성년의 길이는 평균 태양일의 약 365.2564 배이다.
   다른 종류의 일년은 우리가 일상생활에서 사용하고 있는, 즉 사계절로 나누어지는 일년이다. 이 일년은 기술적인 표현으로는 태양년 (tropical year)이라고 하는데 그 길이는 평균 태양일의 365.2422 배로 항성년 보다 약 20분이 짧다. 두 종류의 일년의 길이가 다른 것은, 트로피컬 년을 설정하는데 사용되는 공간 기준점이 항성에 대해서 느리게 움직이기 때문이다. 이 기준점을 춘분점이라고 부르는데, 이것은 별을 배경으로 서쪽으로 천천히 움직인다.
   천구의 적도는 지구의 적도를 지나는 면에 포함되어 있다. 반면에, 황도는 태양주위를 도는 지구의 공전궤도를 지나는 면에 포함되어 있다. 춘분점과 추분점은 황도와 천구의 적도가 공간에서 만나는 두 점을 말한다. 황도와 천구의 적도가 이루는 각도는 황도의 면에 대하여 지구의 자전축이 기울어진 각도와 같다.

그런데 왜 춘분점과 추분점은 공간에서 천천히 움직이는 것일까? 그 이유는 돌고 있는 팽이가 흔들거리는 이유와 똑 같다. 돌고 있는 팽이에는 두가지 힘이 동시에 작용한다. 즉, 팽이의 회전은 팽이를 똑바로 세우려고 한다. 반면에 지구의 중력은 팽이를 쓰러뜨리려고 한다. 이 두 힘 때문에 팽이는 돌면서 흔들거리게 되는데 이것을 "세차운동"이라고 부른다.
지구는 돌고 있는 팽이와 같다. 단, 다른 점은 지구를 쓰러뜨리려는 힘은 달과 태양이 지구를 끌어당기는 힘에서 나온다. 그 중에서도 달의 인력이 훨씬 크게 작용한다. 만약 지구가 균일한 밀도를 가진 완전히 둥근 공 모양이라면 달의 인력은 지구의 중심에만 작용하기 때문에 세차운동을 일으키지 않는다. 그러나 지구는 자전에 의해 적도부분이 부풀어진 모양이고 그로 인해 질량의 분포가 고르지 않아서 흔들리게 된다. 춘분점이 완전히 한바퀴 도는데 걸리는 시간은 약 25,800년이다. 이것은 각도로 환산할 때 매년 1분 (1/60 도)씩 움직이는 것인데, 바로 이 운동 때문에 태양년이 항성년보다 매년 20분이 짧다.

    19세기 미국의 어느 철도역에 여행자 한사람이 서 있었다. 그는 포켓에서 쇠줄 달린 시계를 꺼내어 철도역 벽에 붙어 있는 수많은 벽시계 중의 하나와 시간을 맞추었다. 이 무렵 미국의 어떤 주(洲)에서는 중요한 도시마다 시간을 따로 정했기 때문에 주 전체로는 수십 개의 공식적인 시간이 실제로 있었다고 한다. 그래서 기차를 타고 미국 대륙을 횡단하는 여행을 하는 사람들은 각 지역의 "철도시간"과 맞추기 위해서 이십여 차례 시계 바늘을 돌려야 했다. 미국에서는 철도 여행에서의 이런 불편함 때문에, 또 정확하고 일정한 시간에 대한 요구로 인해 시간대역과 표준시간을 설정하게 되었다.
   미국 대륙의 동쪽 끝과 서쪽 끝은 경도 차이가 약 60도 나기 때문에 15도 간격으로 나누어 총 4개의 시간대역으로 나누자는 안이 나왔고, 미국 철도에서는 1883년에 이 안을 채택하였다. 그러나 이 계획이 실행되기 전에 언론과 농부들로부터 심한 공격을 받았다. 신문에서는 "태양이 해야 할 일을 철도가 떠맡았다", "온 세상이 철도시간 아래에 있게 되었다"는 식으로 비난하였다. 농부들은 만약 자연적인 시간을 사람들이 조작하면 기후와 날씨가 급격히 바뀌게 되어 우유와 달걀 생산이 대폭 감소하는 등 무시무시한 재앙을 초래할 것이라고 걱정하였다. 뿐만 아니라 지방정부에서는 자기 지방의 시간을 다른 기관에서 설정하는 것에 대해 분개하였다. 그래서 표준시간과 시간대역에 대한 아이디어는 인기를 잃고 말았다.
   1918년 3월 19일에 미국 의회는 표준시간법 (Standard Time Act)을 통과시켰다. 이 법에 의해 미국 대륙을 네 개의 시간대역(time zone)으로 나누었다. 그리고 당시 일차대전에 깊숙이 개입했던 미국은 연료 절약과 경제활동 장려를 위해 "일광 절약시간 (daylight-saving time)" 제도를 도입했는데, 이것도 이 법에 포함되어 있었다.
   미국은 1966년에 제정된 균등 시간법 (Uniform Time Act)에 의해 전 지역이 일광절약시간 제도를 채택하였다. 이 법은 4월 마지막 일요일 오전 2시부터 10월 마지막 일요일 오전 2시까지는 한 시간이 앞서도록 하였다. 그러나 아리조나주, 하와이주, 인디아나주는 자체 법을 제정하여 이 법을 따르지 않고 있다.
   전 세계는 24개의 시간 대역으로 나뉘어져 있다. 각 시간대역은 한 시간씩 차이가 나는데, 경도상에서 대략 15도 간격이다. 영국 그리니치를 남북으로 통과하는 자오선이 경도 0도 인데, 이 그리니치를 중심으로 동쪽 지역은 그리니치 시간보다 늦은 (지난) 시간을 나타내고, 서쪽 지역은 이른 시간을 나타낸다. 태평양 중앙을 남북으로 통과하는 180도선은 날짜 변경선인데 이 선을 오른쪽에서 왼쪽으로 넘어가면 하루를 앞서게 되고, 그 반대방향으로 넘어가면 하루를 뒤쳐지게 된다.
   일광절약시간과 날짜 변경선 때문에 많은 혼란이 있었다. 예를 들면, 어떤 화재보험에 가입할 당시에는 표준시간제가 적용되는 기간이었다. 그런데 실제로 화재가 발생하였는데, 그 때는 일광절약시간제가 적용되는 기간이었다. 그 보험증권은 표준시간제에서는 아직 사용할 수 있는 것이지만 일광절약시간제에서는 이미 만료된 것이었다. 이 경우에 보험금을 받을 수 있을 것인가 없을 것인가 하는 문제는 법률적인 소송에서도 많은 논쟁거리였다. 또 다른 예로는, 비행기나 배를 타고 날짜 변경선을 넘는 도중에 아기가 태어나거나 사람이 죽었을 경우에 어떤 날짜를 생일 혹은 사망일로 볼 것인가 하는 것이다. 이것은 어린애가 유치원에 들어가는 나이 조건을 만족시켰느냐 하는 작은 것에서부터 사망 보험금을 받아내는 것에 이르기까지 많은 문제를 일으킬 수 있다. 이런 문제는 현재도 생기고 있고, 앞으로도 아마 계속될 것이다.

   시간주파수 표준에는 조금씩 다른 몇 가지 개념이 있다. 더 좋은 시계를 개발해 가면서 사람들은 시간의 단위를 좀더 조심스럽게 정의해야 할 필요성을 느끼게 되었다. 왜냐하면, 어떤 한 시계에서 만들어지는 초나 분이 다른 시계에서 만들어진 것과 확실히 차이가 났기 때문이다. 일찌기 1820년에 프랑스 사람들은 일초를 "평균 태양일의 1/86,400" 로 정의함으로써 표준 시간간격을 설정하였다. 그렇기 때문에 같은 표준 시간간격으로 가는 두 시계가 서로 다른 나라에서 각각 다른 시각을 나타낼 수도 있다.
   시간은 시간간격, 동기, 그리고 시각이라는 개념이 모두 포함되어 있다. 어떤 의미에서 이 세 가지 개념은 표준화의 범위를 나타낸다. "시간간격"은 좀 작은 범위를 나타낸다. 예를 들어 3분 짜리 컵 라면에 물을 붓고 기다리는 사람에게는, 어느 정도 지나야 3분인지 아는 것이 필요한 것이지 현재의 한국표준시간은 전혀 중요하지 않다.
   "동기"는 이 보다 조금 더 넓은 범위이다. 동기는 어떤 사건들이 서로 똑같은 시각에 시작되거나 끝나는 것 즉, 서로 일치하는 것에 관심이 있다. 만약 외국에서 버스여행을 하는 사람들이 그 나라의 고속도로 휴게소에 들러서 하차할 때 운전사가 버스에 달려있는 시계를 보면서 11시 30분까지 승차하라고 했다면 승객들은 자기 시계를 버스 시계와 일치시키는 것이 필요하다. 그 버스의 시계가 표준시와 일치하고 안하고는 버스 승객들에게는 전혀 중요하지 않다.
   "시각"은 가장 넓은 범위를 가진다. 이것은 사람들에 의해서 임의로 변경될 수 없다. 만약 누군가가 위험을 무릅쓰고 바꾸었다면 그 사람만 약속시간을 지키지 못하게 될 것이다. 시각이라는 것은 기본 단위인 일초로부터 만들어지지만 어떤 임의의 출발점 - 예를 들면, 예수 탄생일 같은 - 이 있어야만 결정되는 것이다. 즉, 시각이란 넓은 의미에서는 달력과 같은 개념이다.

   시간을 유지하고 지켜나간 역사를 살펴보면 자전하는 지구는 아주 좋은 시계였다. 오늘날에도 아주 정밀한 측정이 필요한 경우를 제외한다면 지구는 여전히 가장 좋은 시계이다. 그럼에도 불구하고 원자시계가 개발되면서 초에 대한 정의가 지구를 바탕으로 하던 것에서 원자적인 것으로 바뀌었다. 그러나 원자초가 더 일정하다는 것을 어떻게 알 수 있을까?
   그 근거를 찾아내는 한가지 방법으로 여러 대의 원자시계를 만든 후, 그것들에 의해서 생성되는 일초가 같은 길이를 가지는지를 검사해보는 것이다. 만약 그렇다면 원자시계에서 생성된 시간간격이 일정하다고 믿을 수 있다.
   그러나 원자초 자체가 세월이 지나도 더 길어지거나 짧아지지 않는다는 것을 어떻게 확신할 수 있을까? 우리가 단순히 원자시계를 같은 종류의 다른 원자시계와 비교하기만 한다면 그것을 알 수 없다. 그러나 원자초를 다른 방법으로 만든 초와 비교한다면 가능하다. 그렇게 하여 두 종류의 일초 사이에 차이가 발생했다면 어느 쪽 초의 길이가 변했는지 알 수 있을까? 이것을 알아내는 방법은 없어 보인다. 그래서 우리는 다른 방식으로 접근해야만 한다.
   즉, 특별한 어떤 종류의 시계가 더 일정한 시간을 생성한다는 것을 증명하는 것 대신에 우리가 할 수 있는 최선의 방법은 우리가 합의하여 어떤 시계 장치 - 자전하는 지구이거나 추시계이거나 원자시계 일 수도 있다 - 를 선택하고, 그 장치에서 나온 신호는 우리가 일초를 정의하는 것을 도와주는 역할을 한다는 것에 동의하는 것이다. 이런 의미에서 본다면 시간이란 우리가 합의한 특정 방식의 시계가 동작한 결과라고 생각할 수 있다. 즉, 이 방식의 시계는 표준시간을 나타내고, 다른 방식의 시계는 다른 시간척도를 나타낸다는 의미이다.
  그러나 우리는 또 이런 질문을 할 수 있다. 그 시간표준이 어떤 때는 빨리 가고 어떤 때는 느리게 간다면 어떻게 할 것인가? 그에 대한 대답은, 그렇더라도 아무 상관이 없다는 것이다. 왜냐 하면, 그 방식으로 만든 시계는 모두 같이 빨라지거나 느려질 것이므로, 그 시계를 잘 따른다면 아무도 시간 약속을 어기지 않게 될 것이기 때문이다. 즉, 시간이란 어떻게 정의하느냐 하는 문제일 뿐이다.

    원자력발전소건 화력발전소건 우리 나라에서는 주파수가 60 Hz인 전기를 생산한다. 그러나 일부 다른 나라에서는 50 Hz를 생산하기도 한다. 전기의 주파수는 시간주파수가 하는 역할 중에서 우리에게 아주 친밀한 것 중의 하나이다. 예를 들면, 전기 시계는 시계를 동작시키는 동력뿐만 아니라 시계가 가는 속도도 전기에 의해서 결정된다. 전력회사는 전기 주파수를 아주 조심스럽게 조정하는데 그 덕분에 전기시계는 꽤 정확한 시간을 유지한다. 옛날에 사용하던 카세트 녹음기나 레코드 플레이어는 내부에 장착된 모터가 돌면서 소리를 재생시키는 것인데, 그 모터의 회전 속도는 전기 주파수에 의해서 조절된다. 이것뿐만 아니라 전기 면도기, 진공 청소기, 세탁기 등도 전기 주파수가 정확해야만 효율적으로 동작한다.
   그러나 전기에서 주파수의 작은 변동은 피할 수 없다. 즉 어떤 도시에서 프로야구 중계를 보기 위해 많은 가정에서 동시에 텔레비젼을 켰다면 이 예상치 않았던 전력 사용량의 증가로 인해서 발전기에는 많은 부하가 걸리게 되고 이 때문에 회전 속도가 느려지게 된다. 회전속도를 정상으로 만들기 위해선 모터에 입력하는 에너지를 높히거나 부하를 줄여주어야 한다. 예를 들면, 전기 주파수는 부하가 증가하면 59.9 Hz가 되었다가 부하가 제거되면 다시 60.0 Hz로 복원된다.
  전기 주파수가 낮은 상태로 지속되는 동안에 전기 시계는 느리게 가는데, 나중에 60 Hz로 복원되어도 그 동안에 누적된 시간차이 때문에 늦은 시각을 나타내게 될 것이다. 이 시간 오차를 없애기 위해서 전력회사에서는 전기 주파수를 약간 올려서 일정시간 유지하다가, 시간 오차가 제거되었을 때 다시 60 Hz로 복원시키는 방법을 사용한다.
  지금까지의 예는 전기 주파수가 전기시계의 타임 베이스로서 작용하는 것을 보여준 것인데, 이것은 전력시스템에서 주파수가 하는 아주 작은 역할에 불과하다. 주파수는 전력시스템의 모든 지점에서 쉽게 측정되는 양이기 때문에 전력 사용량을 측정하는 방법으로도 사용된다.
   전기 주파수의 변화는 전력 소비량의 변화를 나타낸다는 것을 앞에서 언급하였다. 이 변화는 발전기에 공급되는 에너지 - 화력발전의 경우는 증기, 수력발전의 경우는 물 -를 조절하는 신호로 사용된다. 만약 어떤 지역에서 전력 소비량이 발전 용량을 초과한다면 전력이 남는 다른 발전소의 전기를 끌어다 쓰는 방식을 사용하여 전력공급의 신뢰성을 유지한다. 그런데 이 때 전력 공급선이 서로 연결되는 지점에서 전기 주파수는 아주 중요한 역할을 한다. 먼저, 연결 지점에 참여하는 모든 전력의 주파수는 동일해야 한다. 만약 놀고 있던 발전기가 전력 생산을 위해 돌기 시작했다면 연결지점에 참여하기 전에 다른 발전기에서 생산된 전기 주파수와 일치되어야 한다. 그렇지 않고 만약 이 발전기의 회전속도가 느리다면 회전속도를 높히기 위해 다른 발전기에서 생산된 전기가 거꾸로 이 발전기로 흘러들어 온다. 반대의 경우,
즉 이 발전기가 너무 빨리 돈다면 그 속도를 줄이기 위해 과도한 전류가 흘러 나가게 되는데, 두 경우 모두 발전기는 전류에 의해 손상을 입게 된다. 주파수뿐만 아니라 위상도 일치해야 하는데, 위상이 다를 경우에도 전류에 의해 발전기는 손상을 입는다.
  주파수와 위상을 구별하기 위해서 북소리에 맞추어 행진하는 군인들을 생각해보자. 모든 군인들이 북소리가 날 때 발이 땅에 닿는다면 그들은 같은 "주파수"로 행진하는 것이다. 그러나 그들 중 일부는 왼발이 닿고, 또 일부는 오른발이 닿는다면 "위상"은 틀리게 행진하는 것이다.
   오늘날은 새로운 장치가 개발되어서 한 발전기에서 생산되는 전기의 주파수와 위상이 일치하는 경우에만 다른 발전기와 서로 연결되게 되어있다. 이처럼 주파수는 전력의 생산 및 분배를 감시하고 조절하는 일을 도와준다. 전력 소비량과 발전양을 감안하여 전력을 서로 주고받는 시스템이 개발되어 있지만 송전설비에서의 고장 등과 같이 갑작스런 혼란 때문에 계획하지 않았던 수요를 충당시켜야 하는 경우가 생긴다. 이 때 이웃한 발전소 사이에 에너지의 흐름과 전기 주파수 변동에 민감하게 반응하여 조절하는 장치가 사용되고 있다. 이렇게 함으로써 주파수 변동을 최소화 할 뿐만 아니라 송전 계획이 바뀌는 것도 줄일 수 있다.
   시간주파수 기술은 태풍에 송전탑이 무너진 지점을 찾아내는데도 사용된다. 이것은 뒤에서 설명할 무선 항법 시스템과 비슷한 원리이다. 즉, 송전탑이 무너지면서 강한 전류가 누전 되는데 이 신호는 손상되지 않은 전선을 타고 흘러서 여러 군데의 전력 감시소에 기록된다. 그 신호가 감시소에 도착하는 시간은 거리에 따라 달라지므로 이것으로부터 누전지점을 알아낼 수 있다.
   오늘날, 전력을 조절하는 시스템은 점점 더 좋아지고 있다. 이를 위해서 더 자세하고 많은 정보 - 예를 들면, 전력량, 전압, 주파수, 위상 등 -가 수집되고, 이것들이 컴퓨터로 입력되어 시시각각 변하는 상황을 분석해 낸다. 이런 정보는 시간에 따라 기록되어지는데, 미래에는 더 정확한 분석을 위해서 50 마이크로초보다 더 짧은 시간에 발생하는 변화도 감지해야 할 것으로 예상하고 있다.

   텔레비젼은 메세지 전달을 위해 주파수가 응용되는 분야로서 우리에게 가장 친숙한 것이다. 만약 우리가 텔레비젼에서 9번 채널을 선택했다면 텔레비젼의 내부 회로에서는 그 채널의 방송국에서 보내는 반송 주파수에 일치되도록 맞추어진다. 다시 말하면 공중에 떠다니는 많은 주파수 중에서 특정한 한 개의 주파수만을 선택하여 텔레비젼 화면에 영상과 소리로 방송되고 나머지 주파수들은 버려진다.
   그런데 9번 채널에도 많은 프로그램이 있고, 우리는 그 중에서 저녁 9시에 방영하는 프로그램을 골라서 볼 수 있다. 이 때 우리는 시간을 알기 위해서 시계를 봐야 한다. 결론적으로 말하면, 주파수 정보는 정확한 방송국을 선택하도록 도와주고, 시간정보는 원하는 프로그램을 선택하도록 도와준다.
   이런 시간주파수 정보는 너무나 단순한 것이다. 반면에 시간주파수 정보에 전적으로 의존하는 다른 종류의 통신시스템이 있다. 예를 들어, 8개의 채널을 가지는 전화통신을 생각해 보자. 이 채널들을 통해서 8쌍의 사람들이 각각 통화를 한다고 할 때, 여덟 사람은 송신자 측에 다른 여덟 사람은 수신자 측에 있을 것이다. 송신을 위한 스위치가 있는데, 이것은 여덟 개의 고정된 접속단자가 둥근 형태로 배열되어 있고 가운데에서 회전하는 접속단자가 있다. 회전단자가 한바퀴 회전하면 여덟 개의 고정단자와 순차적으로 접속하면서 여덟 개의 다른 정보가 사이사이에 끼인 형태의 출력신호가 만들어진다. 이 여덟 채널의 정보를 가진 신호는 한 전화선을 통해서 수신자 측으로 전달된다. 수신자 측에서도 같은 형태의 스위치가 있고, 회전단자가 고정단자와 순차적으로 접속하면서 여덟 명의 다른 수신자에게 각각의 정보를 전
달한다. 그런데 이 때 송신자 측과 수신자 측의 스위치가 동기 되어야 한다. 그렇지 못할 때에는 혼신이 생겨서 제대로 말을 알아듣지 못한다. 이런 종류의 초고속 통신시스템에서는 두 스위치의 회전단자 사이에서 수 마이크로 초 이내에서 동기가 이루어져야 한다. 이처럼 전달하려는 정보를 시간적으로 쪼개어 통신하는 방식을 "시분할 방식"이라고 한다.
   다른 방식으로는, 여덟 개의 정보를 각각 다른 반송 주파수에 실어서 전달하는 것이다. 이 방식에서는 송신자 측의 반송 주파수에 수신자 측의 장치가 동조될 때 제대로 통신이 이루어진다. 이런 방식을 "주파수분할 방식"이라고 한다. 많은 통신시스템에서는 시분할과 주파수분할을 합친 방식을 채용하고 있기 때문에 송신자 측과 수신자 측의 장비에는 시간과 주파수 모두가 동기된 시계가 있어야 한다.
   그런데 세상의 어떤 시계도 완벽한 것이 없기 때문에 세월이 지나면 두 곳에 있는 시계는 점점 틀리게 될 것이다. 그렇기 때문에 통신시스템에서는 모든 시계가 동일한 시각을 나타내도록 확인하는 과정이 필요하다.   그런 방법으로서 어떤 송신자가 특정시각 - 예를 들면, 오후 4시 정각 - 을 알리는 펄스신호를 통신선로를 통해서 보냈을 때 수신자 측에서는 그 신호가 자기 시계로 몇 시 몇 분 몇 초에 도착했는지 재는 것이다. 그 신호가 도착하는데 소요되는 시간 (지연시간)이 있기 때문에 수신자에게는 그 만큼 늦은 시각에 도착할 것이다. 만약 수신자가 정기적으로 이 지연시간을 측정한다면 송신자 측에 있는 시계가 자기 시계 보다 얼마나 빨리 가는지 혹은 얼마나 느리게 가는지 알 수 있을 것이다.
   동기 펄스를 보내는 이 방법을 확대하여 사용하면 임의의 통신시스템에 포함되어 있는 모든 시계들을 서로 맞출 수 있다. 즉, 동기 시킬 수 있다. 그런데 얼마나 자주 동기 시켜야 할지는 시계의 성능에 의해 좌우된다. 예를 들면, 텔레비젼 방송국에서는 매초마다 15,000개의 동기 펄스를 내보내고, 텔레비젼 수상기에서는 이 동기신호를 이용하여 영상이 수상기에 제대로 재현되도록 한다. 그런데 이 동기신호가 차지하는 비율은 전체 텔레비젼 영상정보량의 수 퍼센트에 달한다. 만약 어떤 통신 시스템을 통해서 메세지를 보낼 때 송수신쪽 시계를 동기 시키는데 소요되는 시간을 최소로 줄이길 원한다면 정확한 시계를 사용해야 한다. 통신분야에서의 이런 요구 때문에 좋은 시계를 개발하는 연구가 지속되고 있다.

  250년 전에는 바다에서 배를 타는 사람들에게 길잡이 역할을 한 가장 중요한 도구는 나침반과 시계였다. 나침반은 그 배가 어느 방향으로 가고 있는지를 가리켜 주는 것이지만, 시계는 그 배가 지금 어디에 있는지를 아는데 필요한 것이었다. 낮에는 태양의 위치를 보고, 밤에는 별자리를 보면서 배가 있는 위치를 알아내는데, 언제 보느냐에 따라서 별자리는 달라지기 때문에 정확한 시계는 항해자들에게 필수적인 것이었다.
  오늘날에도 이 원리는 변하지 않았다. 다만 해나 별 대신에 인공위성을 이용한다는 것뿐이다. 정확한 시계가 실려있는 인공위성에서 발사하는 시간 신호를 수신하면 자기가 현재 있는 위치를 세계 어느 곳에서나 수십 미터 이내에서 알 수 있다.
  정보의 바다라고 일컫는 인터넷이 오늘날 같이 번창해진 것도 정확한 시계가 있음으로 가능해진 것이다. 컴퓨터 네트웍이나 전화망에서 송신 측과 수신 측에는 각각 시계 (clock)가 있고, 그 시계들이 서로 잘 맞아야만 혼선이 생기지 않고 정보 전달이 제대로 이루어진다. 디지털 네트웍에서 더 많은 정보를 더 빨리 전달하려면 더 좋은 시계가 있어야 한다.
  이런 일들은 네트웍을 구성하는데 필요한 것으로, 인터넷을 이용하는 사람들에게는 별로 관심 없는 일일수도 있다.
  그런데 최근에는 인터넷을 통하여 물건을 사고 팔기도 하고, 인터넷을 통해서 돈을 주고받기도 한다. 또한 인터넷을 통해서 기계를 동작시키기도 하고, 인터넷을 통해서 화상 회의를 하기도 한다. 이렇게 인터넷을 이용할 때 시계가 서로 맞지 않는다면 약속 시간을 지키지 못하는 것 이상으로 큰 문제가 생길 수 있다. 예를 들면, 은행에 돈을 입금한 시각과 은행에서 돈을 받은 시각이 서로 틀리면 그로 인해서 많은 문제가 야기될 수 있다. 이와 같이 인터넷 시대에 정보의 바다에서도 시간의 표준은 여전히 중요한 길잡이 역할을 할 것이다.
  그런데 이런 시간의 표준은 역사적으로 변천되어 왔다. 시간의 단위인 1 초가 정해지는 방법도 달라졌고, 현재 시각이 몇 시 몇 분 몇 초인지 정하는 방법도 달라졌다.
  1956년 이전에는 태양을 기준으로 1 초가 정해졌다. 즉, 태양이 머리 위에 온 시점에서 다음 날 머리 위에 올 때까지의 시간을 하루 (24시간=86,400초)라고 하는데, 이 시간이 매일 조금씩 달라진다. 이 달라지는 시간을 1 년 동안 평균하여 평균 태양일이라고 부르는 하루의 길이가 정해졌고, 그것의 86,400 분의 1로서 평균 태양초라고 부르는 1 초가 정해졌다.
  그런데, 시계 제작 기술이 점점 발전하여 원자시계라는 것이 등장하였고, 원자시계로써 평균 태양일의 길이를 측정해보니 이것도 일정하지 않다는 것이 밝혀졌다. 즉, 지구의 축이 일년에 15 미터 정도 흔들린다는 것을 알았으며, 계절에 따라서 지구의 회전속도가 달라지는 것도 알았다. 이에 따라 1967년부터는 세슘 원자시계를 이용하여 1 초를 정의하였으며, 이것을 원자초라고 부른다.
  과학자들은 원자초를 만드는 시계와 평균 태양초를 만드는 시계가 세월이 흐름에 따라 점점 차이가 난다는 것을 알아내었다. 즉, 지구가 회전하는 속도가 일정하지 않을 뿐만 아니라 회전속도가 점점 느려지고 있어서 태양을 기준으로 동작하는 시계에서의 일년과 원자시계로 측정한 일년 (365 일 x 24 시간 x 3600 초)이 서로 차이가 나는 것이다. 정확하게 1 초를 만드는 원자시계만을 가지고서 하루를 정한다면 오랜 세월이 흐른 후에는 태양이 지고 있는데 원자시계는 아침 시간을 가리키게 되는 일이 생기게 된다. 이런 불상사를 막기 위해서 "윤초"라는 것을 도입하여 일년에 한 번이나 두 번 일초를 더하여 두 시계를 맞추고 있다. 이렇게 서로 맞추어 만든 시간 척도를 "세계 협정시"라고 부르며 오늘날 전세계적으로 모두 이 시간 척도를 기준으로 시간을 정하고 있다. 1972년에 도입된 "윤초" 제도는 1998년 말에 1 초가 더해져서 지금까지 총 32초가 늘어났다. 다른 말로 하면, 지구는 그 동안에 약 32 초만큼 일년의 길이가 길어졌다.
  시간에 관련된 이런 일은 프랑스 파리에 있는 국제도량형국에서 총괄하고 있는데, 세계 각국에 퍼져 있는 원자시계에서 오는 데이터를 이용하여 세계 협정시를 정하고, 또 각 나라의 원자시계가 얼마나 빠른지 또는 느린지를 알려 준다. 우리 나라에서도 한국표준과학연구원에 있는 원자시계들이 세계 협정시 생성에 기여하고 있다.
  우리 나라와 일본은 같은 시간을 사용하지만 미국이나 다른 나라는 또 다른 시간을 사용한다. 이것은 영국의 그리니치 천문대를 기준으로 동쪽과 서쪽으로 경도를 각각 180도로 나눌 때 어느 지역에 해당하느냐에 따라서 정해지는 것으로, 대략 경도 15도 간격으로 1 시간씩 차이가 난다. 미국의 경우에는 땅이 넓기 때문에 본토에만 4개의 시간대가 있어서, 뉴욕과 LA는 4시간 차이가 난다. 우리 나라와 일본은 지역적으로 동쪽 경도 135도 선 부근에 위치하고 있기 때문에 같은 시간대를 사용하는 것이다. 시간대에 따라 1 시간 단위로 달라지는데, (일부 나라에서는 30분 간격을 채택하기도 함) 그렇더라도 분이나 초에서는 모두 같다. 또한 세계 협정시에서 채택하는 윤초가 모든 국가에 동일하게 적용된다.
  그런데 최근에 스와치라는 시계 회사에서 하루의 길이 (1440 분)를 1000 개로 나누고, 한 단위를 1.44 분으로 정하는 시간 척도를 제시하여 인터넷에공개하였다고 한다. 그러나 이것은 공식적으로 사용되는 시간척도가 아닐 뿐만 아니라 기존의 시간 표준과는 전혀 무관한 것이다.
  인터넷에서의 시간을 한국표준시에 쉽게 맞출 수 있다. 한국표준과학연구원의 홈페이지 (http://kriss.re.kr)에 들어오면 표준시각동기 프로그램을 다운로드 받을 수 있고, 이것을 이용하면 사용자 PC의 시각을 0.5 초 이내에서 한국표준시에 맞출 수 있다. 인터넷 사용자들이 모두 각자의 시계를 한국표준시에 맞추면 우리 나라 인터넷에서의 시간은 모두 표준 시간을 가지게 되는 것이다.

표준시간 & 표준주파수에 대하여

시간과 주파수의 개념

표 1.

Best Measurement Capability