1초는 세슘 원자의 91억 번 떨림? 원자시계가 1초를 정하는 법과 2030년 재정의

BOTH 초침 편집팀 · 2026년 11월 12일 작성

2026년 11월 12일 기준으로 정리한 글입니다. 1초의 정의와 그 변천은 국제도량형국(BIPM)이 공개한 SI 단위 설명과 제13차(1967)·제28차(2026) 국제도량형총회 결의문(영문판), 세슘 분수 시계의 원리와 성능은 미국 국립표준기술연구소(NIST) 자료를 따랐습니다. 한국표준과학연구원(KRISS)의 표준시 서비스는 KRISS 공식 페이지, 이터븀 광시계 이야기는 공식 페이지에서 찾지 못해 언론 보도를 기준으로 했습니다. 1960년대 이전의 옛 정의가 정확히 어떤 문구였는지는 확인한 공식 페이지에 나와 있지 않아 자세히 쓰지 않았습니다.

티켓 오픈 1분 전, 휴대폰 화면의 초가 59에서 00으로 넘어가기를 기다려 본 적 있으시죠. 그때 우리가 노려보는 '1초'는 대체 누가, 무엇으로 정했을까요? 해가 뜨고 지는 하루를 8만 6,400으로 나눈 것쯤으로 생각하기 쉽습니다.

그런데 답은 하늘이 아니라 아주 작은 원자 안에 있습니다. 지금 세계가 쓰는 1초는 세슘 원자가 내는 빛이 9,192,631,770번 진동하는 시간입니다. 약 91억 9천만 번이죠. 왜 하필 세슘이고, 이 숫자는 어떻게 재는 걸까요? 그리고 이 정의마저 곧 바뀔 수 있다는 이야기는 또 무슨 뜻일까요?

1초는 왜 지구를 버리고 원자를 택했을까

오랫동안 시간의 기준은 지구의 움직임이었습니다. 문제는 지구가 생각만큼 일정한 시계가 아니라는 점입니다. 지난 글 윤초 이야기에서 본 것처럼, 지구의 자전은 빨라졌다 느려졌다를 반복합니다. 기준이 흔들리면 그 위에 쌓은 1초도 흔들립니다.

그래서 과학자들은 흔들리지 않는 기준을 찾았습니다. 원자는 정해진 에너지 상태 사이를 옮겨 갈 때 언제나 같은 주파수의 빛(전자기파)을 주고받습니다. 같은 종류의 원자라면 서울에 있든 파리에 있든 똑같습니다. 이것이 원자시계의 출발점입니다.

NIST 자료에 따르면 첫 원자시계는 1949년 NIST가 만든 암모니아 시계였고, 처음으로 실용적인 세슘 원자시계는 1955년 영국 국립물리연구소(NPL)에서 나왔습니다. 그리고 1967년, 국제도량형총회는 결의 1로 1초를 세슘 원자로 정했습니다. 결의문은 그 전까지 쓰던 정의가 "오늘날 측정에 필요한 수준에 부족하다"고 적었습니다. 원자가 지구보다 더 믿을 만한 시계가 된 순간입니다.

91억 번을 어떻게 셀까: 세슘 분수 시계 안에서 일어나는 일

'91억 번 진동을 센다'고 하면 누군가 엄청 빠르게 숫자를 세는 장면이 떠오르지만, 실제 원리는 조금 다릅니다. 원자시계는 진동을 하나하나 세기보다, 세슘 원자가 가장 잘 반응하는 주파수를 찾아내 그 주파수에 맞춰 두는 장치에 가깝습니다. 라디오 다이얼을 돌려 잡음 없이 가장 선명한 방송을 찾는 것과 비슷합니다.

미국 표준시를 만드는 NIST-F2를 예로 들어 보겠습니다. NIST 설명을 따라가면 이렇습니다. 진공 상자 안에서 레이저 6개가 세슘 원자 약 1,000만 개를 한데 모아 절대영도(영하 273도) 가까이 식힙니다. 그다음 레이저로 이 원자 덩어리를 약 1.3m 위로 쏘아 올립니다. 원자들은 마이크로파가 흐르는 공간을 지나 올라갔다가, 중력에 끌려 다시 내려오며 한 번 더 지나갑니다. 분수처럼 솟았다 떨어진다고 해서 '분수 시계'라고 부릅니다.

원자들이 내려오면 다른 레이저를 비춰, 마이크로파 때문에 상태가 바뀐 원자가 몇 개인지 빛으로 셉니다. 상태가 바뀐 원자가 가장 많아지는 주파수가 바로 세슘의 고유 주파수, 9,192,631,770Hz입니다. 이 과정을 한 시간에 수천 번 되풀이하며 주파수를 맞춥니다. 원자를 차갑게 식히는 이유는 느리게 움직이게 해서 마이크로파와 만나는 시간을 늘리기 위해서입니다. 오래 들여다볼수록 더 정확하게 맞출 수 있으니까요.

이렇게 만든 시계는 얼마나 정확할까요? NIST는 2014년 NIST-F2를 공개하며 약 3억 년 동안 1초도 빨라지거나 늦어지지 않을 정도라고 밝혔습니다. 공룡이 나타나기도 전부터 켜 두었어도 지금쯤 1초 차이가 날까 말까 하다는 뜻입니다.

그런데 2019년, 정의 방식이 뒤집혔습니다

여기서 반전이 하나 있습니다. 2019년부터 1초의 정의는 문장 구조 자체가 바뀌었습니다. 1967년 정의는 "1초는 세슘이 내는 빛이 9,192,631,770번 진동하는 시간"이라는 식이었습니다. 1초라는 길이를 먼저 두고, 그것을 세슘으로 설명한 셈이죠.

지금 BIPM의 공식 정의는 거꾸로입니다. 세슘 주파수의 값을 9,192,631,770Hz로 '고정'하고, 거기서 1초가 따라 나오게 했습니다. Hz는 1초에 몇 번 진동하느냐를 나타내는 단위이니, 숫자를 못 박으면 1초의 길이는 저절로 정해집니다. 결의문 설명에 따르면 이 개정은 2018년 제26차 총회에서 결정돼 2019년부터 시행됐습니다.

그렇다면 1초의 길이가 바뀌었을까요? 아닙니다. 같은 숫자를 다른 방향에서 썼을 뿐이라 일상의 1초는 그대로입니다. 바뀐 건 철학입니다. 기준이 되는 물건이나 현상이 아니라, 숫자 자체를 기준으로 삼은 것이죠. 그리고 이 방식은 다음 변화를 위한 길을 열어 두었습니다.

세슘보다 100배 정확한 시계, 그리고 2030년

세슘 시계가 쓰는 마이크로파는 1초에 약 92억 번 진동합니다. 그런데 눈에 보이는 빛은 1초에 수백조 번 진동합니다. 눈금이 촘촘한 자가 더 정밀하게 길이를 재듯, 더 빨리 진동하는 빛을 쓰면 시간을 더 잘게 쪼갤 수 있습니다. 이것이 '광시계'입니다. NIST는 2014년에 이미 광시계가 지금의 세슘 표준보다 100배 이상 정확한 기준이 될 수 있다고 내다봤습니다.

그 전망은 현실이 됐습니다. 2026년 10월 열린 제28차 국제도량형총회의 결의 4 '초의 미래 정의'는 가장 좋은 광주파수 표준이 현재 정의로 구현하는 정확도를 최대 100배 뛰어넘는다고 적었습니다. 한국에도 이런 시계가 있습니다. 보도에 따르면 KRISS가 2021년 완성한 이터븀 광시계 KRISS-Yb1은 세계 표준시 생성에 참여하고 있고, 2026년 5월에는 국제우주정거장의 원자시계와 정밀도를 비교하는 연구도 시작했습니다.

그래서 '2030년에 1초가 바뀐다'는 말이 자주 나오는데, 결의문을 읽어 보면 조금 다릅니다. 결의 4는 2030년 제29차 총회에 새 정의의 '제안'과 시행 날짜의 '제안'을 내도록 준비하라고 요청했습니다. 어떤 원자를 쓸지, 한 종류로 할지 여러 종류를 묶을지도 아직 합의가 없다고 적혀 있습니다. 광시계가 국제원자시(TAI) 계산에 기여하는 것 같은 필수 조건 일부도 아직 채워지지 않았지만, 결의문은 2030년까지 현실적으로 채울 수 있다고 봤습니다. 정리하면 2030년은 '확정'이 아니라 '제안'을 목표로 한 해입니다.

원자시계의 1초가 내 휴대폰에 오기까지

이렇게 정교한 1초가 어떻게 우리 손에 올까요? 세계 각국의 표준 기관은 자기 원자시계로 그 나라의 기준시를 만들고, 시계 자료를 BIPM에 보냅니다. BIPM은 이를 모아 국제원자시(TAI)와 협정세계시(UTC)를 계산하고, 매달 내는 'Circular T'에 약 80개 기관의 시계가 UTC와 얼마나 차이 나는지 5일 간격으로 발표합니다. 한국에서는 KRISS가 이 역할을 맡아 대한민국 표준시를 만듭니다.

그리고 마지막 반전이 남아 있습니다. 3억 년에 1초를 다투는 시계도, 인터넷을 거쳐 내 휴대폰에 도착할 때는 훨씬 거칠어집니다. KRISS는 표준시 서버(ntp.kriss.re.kr)로 시계를 맞출 때의 정확도가 네트워크 상황에 따라 수 ms에서 수백 ms라고 안내합니다. 1ms는 1,000분의 1초입니다. 원자시계의 정밀도보다, 신호가 오가는 길이 오차를 더 크게 좌우하는 셈입니다.

초침 체크포인트 정각 클릭에서 중요한 건 원자시계 수준의 정밀도가 아니라, 내 기기 시계가 표준시와 몇 초씩 어긋나 있지 않은지입니다. 기기 시계를 표준시에 맞추는 방법은 휴대폰·PC 시계를 표준시에 맞추는 법에, 예매처 서버 시각을 따로 재는 이유는 초침은 서버시간을 어떻게 재나에 정리해 두었습니다.

자주 묻는 질문

1초의 정확한 정의는 무엇인가요?

BIPM 공식 정의에 따르면, 세슘-133 원자의 바닥 상태 초미세 전이 주파수를 9,192,631,770Hz로 고정해 정한 시간입니다. 쉽게 말해 그 빛이 9,192,631,770번 진동하는 시간이 1초입니다.

1초를 원자로 정한 건 언제부터인가요?

1967년 제13차 국제도량형총회 결의 1부터입니다. 지금 쓰는 '숫자를 고정하는' 문장 방식은 2018년에 결정돼 2019년부터 시행됐지만, 1초의 길이는 달라지지 않았습니다.

2030년에 1초가 바뀌나요?

확정된 건 아닙니다. 2026년 결의 4는 2030년 총회에 광시계 기반의 새 정의와 시행 날짜를 '제안'하도록 준비하라고 했고, 어떤 원자를 쓸지는 아직 합의되지 않았습니다. 바뀌더라도 일상의 1초 길이는 사실상 그대로일 것입니다.

원자시계는 얼마나 정확한가요?

NIST에 따르면 세슘 분수 시계 NIST-F2는 약 3억 년에 1초 정도의 오차입니다. 광시계는 이보다 최대 100배 정확한 수준까지 와 있다고 2026년 결의문이 적었습니다.

정리하면, 우리가 정각을 기다리며 바라보는 1초는 지구의 하루가 아니라 차갑게 식힌 세슘 원자 안에서 나옵니다. 그리고 그 기준은 지금 더 빠르게 진동하는 빛으로 옮겨 갈 준비를 하고 있습니다. 다만 손안의 시계에서는 원자보다 네트워크가 더 큰 변수라는 것, 정각 클릭을 앞둔 날엔 이것 하나만 기억해 두면 됩니다.

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