빈과 베이징의 원자핵 시계 두 대, 아직 원자시계를 넘지 못했다

TL;DR. 빈과 베이징의 두 독립 연구팀이 토륨-229를 이용한 최초의 원자핵 시계를 가동했다. 아직 최고의 원자시계보다 정확하지는 않지만, 방식이 작동한다는 것은 보여 주었다.

핵심 요약

두 팀, 두 도시, 하나의 결과. 핵심 사실은 단순하다.
시계는 실제로 무엇을 하는가, 그리고 여기서 무엇이 다른가. 원자시계는 1949년에 처음 만들어진 초고정밀 시간 측정 장치다.
공통의 레시피: 플루오린화 칼슘 속 토륨-229. 두 원자핵 시계는 모두 고체 플루오린화 칼슘 결정에 가둔 동위원소 토륨-229를 기반으로 한다.
정직한 성적표: 아직 원자시계보다 낫지 않다. 기록을 깨는 정확도 수치를 기대했다면, 그런 것은 없다.

작동하는 최초의 원자핵 시계 두 대가 서로 협력하지 않은 팀들에게서 동시에 나왔고, 어느 쪽도 최고의 원자시계를 넘어서지 못한다. 더 중요한 사실은 두 결과가 서로 독립적이라는 점인데, 이는 이 방식이 한 연구실의 특수한 장치 구성에 의존하지 않는다는 것을 시사한다.

두 팀, 두 도시, 하나의 결과 #

핵심 사실은 단순하다. 빈과 베이징에서 각각 따로 연구한 과학 팀들이 세계 최초로 작동하는 원자핵 시계 두 대를 개발했다. 한 팀은 TU Wien의 토르스텐 슘이, 다른 한 팀은 칭화대학교의 Shiqian Ding이 이끈다. 각 팀은 학술지 Nature에 실린 논문에서 자신들의 성과를 설명했다.

물리학의 많은 발표는 익숙한 패턴을 따른다. 한 연구실이 최초를 주장하면, 나머지는 누군가 그것을 재현하기를 기다린다. 이번 발표는 재현성에 대한 질문에 이미 절반쯤 답이 나온 상태로 나왔다. Ding은 두 팀이 독립적으로 연구했고, 서로 다른 실험 방식으로 같은 시기에 작동하는 토륨-229 원자핵 시계에 도달했다고 말했다. 이 문장은 처음 보이는 것보다 무게가 크다. 한 그룹은 자기 실험대나 결정 묶음, 레이저의 어떤 특이성 덕분에 작동하는 장치를 만들 수 있다. 두 도시의 두 그룹이 서로 다른 경로로 같은 종류의 장치에 도달했다면, 그런 특이성으로 설명할 여지는 어떤 단일 논문보다 훨씬 확실하게 사라진다.

Ding 자신도 같은 점을 짚었다. 그는 독립적인 결과가 고무적이라고 생각한다며, 그 결과들이 이 개념이 견고하고 특정한 기술적 구현에 의존하지 않는다는 것을 보여 주기 때문이라고 말했다. 이는 그의 해석이며, 측정된 양이 아니라 판단으로 다루는 것이 맞다. 그러나 합리적인 해석이다. 두 구현이 서로 다르고 둘 다 작동한다면, 그 밑에 깔린 아이디어는 우연처럼 보일 여지가 줄어든다.

슘 쪽의 이야기는 인내에 관한 것이다. 그는 자신의 팀이 2008년부터 원자핵 시계를 향해 연구해 왔다고 말했다. 이번에 시연된 장치는 갑작스러운 통찰의 산물이 아니다. 하나의 목표를 향한 긴 노력의 끝이다.

시계는 실제로 무엇을 하는가, 그리고 여기서 무엇이 다른가 #

원자시계는 1949년에 처음 만들어진 초고정밀 시간 측정 장치다. 레이저나 마이크로파로 전자라 불리는 아원자 입자를 원자 껍질의 두 에너지 준위 사이에서 오가게 하는 방식으로 작동한다. 세슘이나 스트론튬 같은 원소가 쓰인다. 그 도약의 규칙적이고 반복 가능한 성질이 시계에 박자를 준다.

이 방식의 성능은 이미 놀라운 수준이다. 최고의 기존 원자시계는 수십억 년을 가도 1초밖에 빨라지거나 늦어지지 않는다. 새로운 시계 설계는 모두 이 숫자에 비추어 평가받아야 하며, 그 기준은 높다.

항목	기존 원자시계	토륨-229 원자핵 시계
물리적 메커니즘	전자 껍질 전이(세슘/스트론튬)	토륨-229 원자핵 내부의 양성자/중성자 전이
탐침 수단	원자가 전자에 대한 마이크로파 또는 광학 레이저	결정에 박힌 원자핵에 대한 진공 자외선 레이저
호스트 기판	가스 셀 또는 레이저 냉각 광격자 트랩	고체 플루오린화 칼슘 결정($CaF_2$)
현재 성능	$\le 1$초 빨라지거나 늦어지는 데 수십억 년	암흑물질 탐색에서 원자시계 수준의 정밀도 달성
목표 안정도	확립된 국제 표준($10^{-18}$)	안정도가 한 자릿수 향상될 것으로 예상
하드웨어 형태	크고 섬세한 실험실 진공 장치	소형이고 견고한 고체형 현장 장비의 가능성

새 시계들은 도약이 일어나는 자리를 바꾼다. 껍질의 전자 대신, 레이저로 원자핵 내부, 여기서는 토륨-229 안에서 양성자와 중성자를 에너지 준위 사이로 도약시킨다. 원자핵 시계에서 시간은 고출력 레이저가 원자핵과 어떻게 상호작용하는지를 관찰해 계산한다.

작용을 안쪽으로 옮기는 이유는 결과가 아니라 가능성으로 제시된다. 원자핵 내부의 전이를 추적하면 전자의 전이를 추적할 때보다 더 높은 정확도에 이를 수 있는데, 원자핵이 그것을 둘러싼 껍질보다 훨씬 작기 때문이다. 이 단서는 중요하다. 주장은 더 작은 표적이 더 나은 정확도를 가능하게 할 수 있다는 것이며, 지금까지의 증거 어디에도 그것이 이미 이루어졌다는 말은 없다.

공통의 레시피: 플루오린화 칼슘 속 토륨-229 #

두 원자핵 시계는 모두 고체 플루오린화 칼슘 결정에 가둔 동위원소 토륨-229를 기반으로 한다. 빈과 베이징 팀은 자신들의 장치를 이 결정 속에 박힌 토륨-229 원자핵을 레이저로 탐침하는 것으로 설명한다.

무엇이 같고 무엇이 다른지 정확히 짚어 둘 가치가 있다. 동위원소와 호스트 물질은 둘 다 같다. 실험 방식은 같지 않다. 팀들이 서로 다른 실험 방식을 썼다는 Ding의 말과, 이후 슘이 두 시스템을 비교한 내용을 함께 보면, 차이가 어디에 있는지 적어도 일부는 알 수 있다. 결정의 품질과 레이저의 세기다.

그 비교는 이 이야기 전체에서 가장 유용한 세부 사항 가운데 하나다. 슘에 따르면 빈의 시계는 농도가 더 높고 광학 특성이 더 좋은, 조금 더 나은 토륨 결정을 갖고 있고, 베이징 팀은 더 강한 레이저를 갖고 있다. 각 팀이 상대에게 없는 강점을 쌓은 셈이다. 경쟁하는 장치의 1세대가 이렇게 깔끔하게 역할을 나누는 일은 드물며, 이는 이 분야에 분명한 다음 실험을 안겨 준다.

정직한 성적표: 아직 원자시계보다 낫지 않다 #

기록을 깨는 정확도 수치를 기대했다면, 그런 것은 없다. 연구팀들은 원자핵 시계가 최고의 기존 원자시계를 능가할 잠재력이 있지만 아직은 그렇지 않다고 밝혔다. 달리 말하면, 원자핵 시계는 아직 원자시계의 정확도를 넘어서지 못한다.

슘은 아직 남은 길에 대해 솔직했다. 그는 원자핵 시계가 목표 성능에 아직 한참 못 미치며, 연구자들이 이 기술을 완성하려 한다고 말했다. 과장을 경계해야 할 곳이 바로 여기다. 존재하고 작동하는 장치와 이기는 장치는 다른 것이다. 이번 성과는 작동하는 원자핵 시계가 이제 두 번 존재한다는 점이다. 그중 하나가 최고의 원자시계를 능가할 것이라는 주장은 결과가 아니라 잠재력으로 남아 있다.

이런 시각이 이야기를 덜 흥미롭게 만드는 것이 아니라 더 흥미롭게 만든다고 나는 본다. 완성된 우위를 들고 오는 발표는 쉽게 넘겨 버리게 된다. "이것은 작동한다, 아직 더 낫지는 않다, 그리고 더 나아질 수 있다고 보는 이유는 이렇다"라고 말하는 발표는 더 유용한 질문을 던지게 한다. 현재의 장치와 목표 사이에 정확히 무엇이 가로막고 있는가?

두 팀 모두 개선으로 가는 분명한 길을 보고 있으며, 슘은 구체적인 길 하나를 제시했다.

빈과 베이징의 장점을 합치기 #

슘은 빈과 베이징의 부품을 한데 모으면 훨씬 더 나은 시계를 만들 수 있다고 말했다. 그의 말 전체는 "이 부품들을 한데 모으기만 해도 훨씬 더 나은 시계를 만들 수 있다"였다. 이 발언은 만들어져 측정된 것이 아니라 만들 수 있는 것을 말한다는 점에서 신중하다.

논리는 주장들에서 쉽게 따라갈 수 있다. 빈의 결정은 토륨 농도가 더 높고 광학 특성이 더 좋아 조금 더 낫다. 베이징의 레이저는 더 강하다. 고출력 레이저가 원자핵과 어떻게 상호작용하는지 관찰하는 시계라면, 더 나은 표적과 더 나은 레이저 양쪽에서 이득을 볼 것이라고 보는 것이 자연스럽다. 다만 이것은 추가 발견이 아니라 슘의 지적에 대한 내 해석으로 적어 둔다. 그의 말은 부품을 합치면 훨씬 더 나은 시계가 나올 수 있다는 것이며, 성능 수치는 함께 제시되지 않았다.

젊은 기술 분야에서 무언가를 만드는 사람이라면 누구에게나 실용적인 교훈이 여기 있다. 별개의 그룹이 병행 개발하는 것은 낭비적인 중복처럼 보일 수 있다. 하지만 여기서는 서로를 보완하는 두 묶음의 강점과, 더 강한 세 번째 장치를 위한 기성 레시피를 낳았다. 두 팀이 실제로 그런 시계를 함께 만들지는 확보된 증거로 알 수 없으므로, 그렇게 암시하지는 않겠다. 남은 질문은 단순하다. 이 조합이 슘이 기대하는 개선을 가져올 것인가.

첫 번째 시험: 암흑물질 탐색 #

그저 똑딱거리기만 하는 시계는 원리 증명이다. 물리학을 하는 시계는 그 이상이다. 빈 팀은 암흑물질을 검출하려는 과정에서 자신들의 시계가 정밀 물리 실험을 수행할 수 있음을 보여 주었다.

실험은 암흑물질을 검출하지 못했다. 이 점을 분명히 말해 두는 것이 중요하다. 아무것도 찾지 못한 암흑물질 탐색은 실패로 오해받기 쉽기 때문이다. 여기서 중요한 결과는 입자가 아니라 장비에 관한 것이다. 원자핵 시계는 최고의 원자시계 수준으로 작동했다.

이 부분은 주의 깊게 읽어야 한다. 위에서 설명한 한계 바로 옆에 놓여 있기 때문이다. 원자핵 시계는 아직 원자시계의 정확도를 넘어서지 못하지만, 빈의 시계는 정밀 실험에서 최고의 원자시계와 대등했다. 이 두 진술은 모순되지 않는다. 최고와 대등한 것은 최고를 이기는 것이 아니며, 최초로 작동한 장치가 그 수준에 이르렀다는 것은 의미 있는 초기 이정표다. 이는 이 시계가 신기한 물건으로 보여 주는 데 그치지 않고 이미 과학 장비로 쓰일 만큼 좋다는 것을 말해 준다.

더 나아가 이것이 이 이야기 전체에서 가장 설득력 있는 단일 증거라고 말하고 싶다. 무언가에 잠재력이 있다고 주장하기는 쉽다. 맨 처음 작동한 버전이 현존 최고의 장비 수준으로 정밀 실험을 해낼 수 있음을 보여 주기는 쉽지 않다.

물리학이 원자핵 편일 수 있는 이유, 그리고 신중해야 하는 이유 #

원자핵 시계를 지지하는 논거는 크기에 있다. 원자핵은 그것을 둘러싼 껍질보다 훨씬 작고, 그 내부의 전이를 추적하면 전자의 전이를 추적할 때보다 더 높은 정확도에 이를 수 있다. 이것이 제시된 메커니즘이며, 여기에는 "수 있다"가 붙어 있다.

연구자들의 더 넓은 기대도 같은 패턴을 따른다. 그들은 원자핵 시계가 일단 완성되면 기존 원자시계보다도 더 잘 작동할 수 있고, 덜 크고 덜 섬세하게 만들 수 있을 것이라고 본다. 이 문장에는 두 가지 별개의 희망이 담겨 있다. 더 나은 성능, 그리고 덜 크고 덜 섬세한 구조다. 둘 다 시계가 먼저 완성되는 것을 전제로 하며, 둘 다 "수 있다"가 붙어 있다.

기술에 대한 베팅을 따져 보는 독자에게 필요한 규율은 단서를 떼어 내지 않는 것이다. 입증된 것: 작동하는 시계 두 대, 그리고 최고의 원자시계 수준에서 수행된 암흑물질 실험 하나. 기대되는 것: 더 높은 정확도, 더 작고 견고한 하드웨어. 이 두 목록 사이의 간극이 연구팀들에게 아직 남은 일이다.

원자핵 시계는 어디에 쓰일 수 있을까 #

슘은 위성 항법, 데이터 전송 동기화, 측량, 측정학 같은 분야에서 원자핵 시계를 활용하는 모습을 그린다고 말했다. 더 넓게 보면 원자핵 시계는 항법, 데이터 동기화, 암흑물질 탐색, 그리고 기본 상수가 공간과 시간에 따라 변하는지 검증하는 데 도움이 될 수 있다.

이것들은 가능성이며, 출처의 표현도 그렇게 남겨 둔다. 슘이 그것을 그리고, 시계가 도움이 될 수 있다는 식이다. 어느 것도 원자핵 시계로 시연된 적은 없다. 목록에서 실제로 시도된 유일한 응용은 암흑물질 탐색이며, 검출은 없었지만 시계의 성능은 보여 주었다.

그래도 그 폭은 눈여겨볼 만하다. 항법, 데이터 전송, 측량은 인프라에 가까운 실용적 용도다. 암흑물질과, 기본 상수가 공간과 시간에 따라 변하는지에 대한 질문은 물리학 자체의 구조에 관한 질문이다. 한 종류의 장비가 양쪽 모두에 제안되는 것은 드문 폭이다. 입증에 가장 가까운 응용을 고르라면 정밀 물리를 꼽겠다. 빈 팀이 이미 실험을 수행한 분야이기 때문이다.

창업자와 기술 독자가 여기서 얻어야 할 것 #

기술 독자는 대개 엔지니어링의 교훈을 원하는데, 이 결과가 나온 방식에는 분명한 교훈이 하나 있다.

첫째, 독립적인 수렴은 단일한 성공보다 강한 신호다. 따로 연구하는 두 팀이 서로 다른 방식으로 같은 시기에 작동하는 장치에 도달했다는 것은, 어떤 방향이 진짜라는 것을 알려 주는 종류의 증거다. 이 개념이 특정한 기술적 구현에 의존하지 않는다는 Ding의 해석이 그 핵심이다.

둘째, 한계를 처음부터, 장치를 만든 당사자들이 밝힌다. 연구팀들은 원자핵 시계가 최고의 기존 원자시계를 능가할 잠재력이 있지만 아직은 그렇지 않다고 밝혔다. 슘은 자신의 시계가 목표 성능과 거리가 멀다고 말했다. 젊은 기술을 평가하고 있다면, 만든 사람들의 이런 솔직함은 번지르르한 정확도 주장보다 값지다. 실제로 남은 일이 어디에 있는지 알려 주기 때문이다.

셋째, 개선의 길이 구체적이다. 빈의 결정과 베이징의 레이저는 이름을 댈 수 있는 특정 부품이며, 슘의 제안도 그만큼 구체적이다. 이는 "추가 개발"이 도움이 될 것이라는 막연한 약속과는 전혀 다르다. 식별된 부품으로 짠 로드맵은 열망으로 짠 로드맵보다 검증하기 쉽고, 실패했을 때도 눈에 잘 띈다.

상업적 해석도 여기서 나온다고 보지만, 단서가 하나 있다. 출처에 나온 응용은 항법, 데이터 동기화, 측량, 측정학이며 모두 제안이다. 증거가 뒷받침하는 것은 개선 단계가 식별된 연구 단계의 기술이지 제품이 아니다. 이를 바탕으로 무언가를 만드는 사람이라면, 덜 크고 덜 섬세한 구조를 시계가 완성되면 달성할 수 있다고 연구자들이 보는 목표로 다뤄야 하며, 이미 입증된 것으로 다뤄서는 안 된다.

다음에 지켜볼 것 #

증거가 제기하는 질문은 범위가 좁고 검증할 수 있다.

빈 수준의 결정과 베이징 수준의 레이저를 결합한 시계가 만들어질 것인가, 그리고 그 시계가 슘이 기대하는 훨씬 더 나은 성능을 낼 것인가? 출처는 그럴 수 있다고 말한다. 그렇게 되었다고는 말하지 않는다.

최고의 원자시계 수준에서 작동하는 것을 넘어 그것을 능가하는 선을 넘는 원자핵 시계가 나올 것인가? 연구팀들은 이를 결과가 아니라 잠재력으로 설명하며, 두 팀 모두 개선으로 가는 분명한 길을 보고 있다. 기준은 명확하다. 최고의 기존 원자시계는 수십억 년을 가도 1초밖에 빨라지거나 늦어지지 않으므로, 선두를 주장하는 원자핵 시계는 이 기준에 맞서 그것을 보여 주어야 한다.

그리고 장치가 완성되었을 때, 덜 크고 덜 섬세하다는 약속은 지켜질 것인가? 이는 연구자들이 밝힌 희망이지 측정이 아니다.

출처가 남겨 둔 질문이 하나 더 있는데, 내가 가장 답을 보고 싶은 질문이다. 빈의 암흑물질 실험은 아무것도 찾지 못했지만, 시계는 그 탐색을 수행하는 동안 최고의 원자시계와 대등했다. 완성된 원자핵 시계가 정말로 그보다 나아질 수 있다면, 같은 종류의 실험이 차이가 드러나는 첫 무대가 된다. 그 차이가 드러날지가 지금으로서는 가장 중요한 미해결 질문이다.

부문별 의미 #

작동하는 토륨-229 원자핵 시계의 등장이 정밀 시간 측정의 모든 영역에 똑같이 영향을 주는 것은 아니다. 운영상의 대응은 필요한 것이 지상의 1차 측정학인지, 자율 궤도 항법인지, 기초 실험실 분광학인지에 따라 달라진다.

측정학과 시간 표준 #

1차 시간 연구소들이 스트론튬 광격자나 세슘 표준을 하루아침에 교체하지는 않을 것이다. 원자핵 시계는 환경 민감도(떠도는 전기장과 자기장)가 전자 껍질 기반 시계와 근본적으로 다른 병행 교정 기준을 세우며, 이를 통해 국제 측정 기관들 사이에서 계통 오차를 처음으로 교차 검증할 수 있게 한다.

위성 항법과 통신 #

고체 플루오린화 칼슘 결정 기반 아키텍처가 양산 단계에서 덜 크고 덜 섬세하다는 것이 입증된다면, 우주 기관과 위성군 운영자들은 극저온 냉각이나 복잡한 광격자 진공 챔버 없이 광학급 정밀도를 궤도에 직접 배치할 수 있을 것이다.

기초 물리학과 천체물리학 #

원자핵 에너지 준위는 강한 힘과 전자기 결합 상수 $\alpha$에 직접 의존하므로, 원자핵 시계는 기본 물리 상수가 우주적 시간에 걸쳐 변하는지 검증하고 암흑물질 후보를 탐색하는 데 새로운 민감도를 제공한다.

결론 #

빈과 베이징에서 작동하는 원자핵 시계가 협력 없이 동시에 등장한 것은 정밀 시간 측정의 진정한 전환점이다. 어느 장치도 오늘날 최고의 원자시계의 정확도를 가리지는 못하지만, 첫 작동 세대에서 암흑물질 탐색 중 원자 수준의 정밀도에 도달했다는 것은 고체 토륨-229 방식이 실현 가능함을 증명한다. 당면한 다음 걸음은 통합에 있다. 빈의 우수한 결정 성장 기술과 베이징의 더 강한 여기 레이저를 짝짓는 것이다.

자주 묻는 질문 #

원자핵 시계에 쓰이는 동위원소가 왜 토륨-229뿐인가?

대부분의 원자핵은 전이 에너지가 킬로전자볼트(keV)나 메가전자볼트(MeV) 범위에 있어, 결맞은 탁상형 레이저로는 만들 수 없는 감마선이 필요하다. 토륨-229에는 약 8.3 eV라는 비정상적으로 낮은 이성질 상태가 있으며, 이는 현대 레이저 시스템이 닿을 수 있는 진공 자외선 범위에 들어간다.

원자핵 시계가 오늘날 원자시계를 대체하고 있는가?

아니다. 세슘-133과 스트론튬 광격자를 기반으로 한 기존 원자시계가 여전히 전 세계의 1차 주파수 표준이다. 토륨-229 원자핵 시계는 시연용 암흑물질 탐색에서 원자시계 수준의 정밀도에 도달했지만, 원자 정확도를 넘어서는 것은 여전히 예상되는 공학적 목표다.

고체형 원자핵 시계에 운영상 이점을 주는 것은 무엇인가?

토륨 원자핵을 고체 플루오린화 칼슘 결정에 박아 넣으면 광격자 원자시계에 필요한 복잡한 레이저 냉각 및 초고진공 포획 챔버가 필요 없어져, 훨씬 더 소형이고 견고한 현장 배치가 가능해질 수 있다.

참고문헌 #

Thorsten Schumm et al., (2024). TU Wien 원자핵 시계 시연 ⧉. Nature.
Shiqian Ding et al., (2024). 칭화대학교 토륨-229 원자핵 주파수 표준 ⧉. Nature.
BIPM, (2024). 시간주파수자문위원회(CCTF): 초의 미래 정의를 위한 전략 ⧉. BIPM.

최종 검토 2026-09-15.

최종 검토 2026-10-27.

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빈과 베이징의 원자핵 시계 두 대, 아직 원자시계를 넘지 못했다 — Sebastien Rousseau

빈과 베이징의 두 독립 연구팀이 토륨-229를 이용한 최초의 원자핵 시계를 가동했다. 아직 최고의 원자시계보다 정확하지는 않지만, 방식이 작동한다는 것은 보여 주었다.

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Originally published at https://sebastienrousseau.com/ko/2026-09-15-bingwa-beijingui-wonjahaek-sigye-du-dae/ by Sebastien Rousseau.
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SEBASTIEN ROUSSEAU FOUNDER · ENGINEER