지난 11월 새롭게 재정의된 단위 체계 결정에 대한 표준과학자들의 표현입니다. 엄청난 변화이지만 사실상 변화한 것은 없다. 말장난같이 들릴 수도 있습니다. 본 칼럼을 끝까지 읽으신 뒤에도 ‘뭐, 그게 그렇게 중요한가?’라는 생각을 갖게 되실 수도 있습니다. 과학계에서는 올해의 가장 큰 과학이슈 중 하나로 꼽을 정도로 대단한 일이라고 떠들어 대지만, 일상 생활이나 그 어떤 분야에서도 그에 의한 변화를 찾아보기는 힘들기 때문입니다. 빗대어 말하자면, 집에 가장 중요한 기둥 하나가 약간의 문제를 갖고 있었던 것을 완벽한 것으로 교체한 것과 비슷하다고 할 수 있습니다. 기둥이 완전히 잘못되었던 것은 아니기에 사는데 큰 문제는 없었지만, 집의 구조를 좀 더 확장하거나 세련되게 바꾸려고 할 때마다 그 기둥의 문제점이 신경쓰여 왔거나, 아니면 그 문제점때문에 구조확장에 한계가 있었던 것과 비슷합니다. 이제는 그 기둥을 완전한 것으로 교체하였기에 앞으로 그런 문제점이 생기지는 않을 것입니다. 하지만, 당장 인테리어를 바꾼다던지 하는 작업은 하지 않기 때문에, 집안에서의 일상 생활에서는 아무런 변화를 느끼지 못하는 것과 비슷한 상황이라고 말씀드릴 수 있습니다. 이와 비슷한 맥락으로 단위 체계의 새로운 정의를 미래에 대한 투자 및 대비라고 말하는 분들도 있습니다. 

인간은 관찰함으로부터 모든 사고를 시작합니다. 첫인상을 보고 사람을 판단하거나, 음식의 모양과 냄새만으로 처음 보는 음식을 먹을지 말지를 결정하기도 합니다. 과학적 사고를 하는가 안하는가에 상관없이 모든 행위는 관찰로부터 시작된다고 말할 수 있습니다. 이러한 관찰에 있어서 크다, 작다, 무겁다, 빠르다 등의 정성적 분석(qualitative analysis)와 달리 정확한 수치를 측정하여 말하는 것을 정량적 분석(quantitative analysis)라고 하며, 이러한 정량적 분석에는 그에 합당한 단위(unit)를 사용하여야만 합니다. 단위는 측정의 결과를 서로 공유함에 있어서 기준이 되는 값이라고 볼 수 있습니다. 그렇기 때문에 모두가 동일한 단위를 사용한다는 사실은 정보를 공유하기 위해 매우 중요한 문제가 됩니다. 인류는 꽤 오랫동안 나름대로 단위를 통일하기 위한 노력을 해왔습니다. 문제는 로마가 지배할 당시에는 로마식 단위를 사용할 것을 강요했고, 영국의 힘이 미치던 지역에는 영국식 단위가, 프랑스의 지배하에 있던 지역은 프랑스식 단위체계 사용을 하다보니 결국엔 단위체계의 혼돈을 더 가중시키는 결과가 되었습니다. 

이러한 혼돈 속에서 가장 골치가 아팠던 사람들은 실험결과를 공유해야 했던 과학자들이었고, 1800년대말부터 단위체계를 통일하고자 하는 노력이 시작되었습니다. 이런 노력의 결과로 일곱개의 국제 단위(SI Unit)이 결정되었는데, 이들이 바로 길이의 기본단위 미터(m), 질량의 기본단위 킬로그램(kg), 시간의 기본단위 초(sec), 전류의 기본단위 암페어(A), 온도의 기본단위 켈빈(K), 물질의 양을 측정하기 위한 기본단위 몰(mol), 그리고 빛의 세기를 재기 위한 기본단위 칸델라(cd)입니다. 이 기본 단위들에 대한 기준이 중요한 이유는 이 단위의 정의가 흔들리면 모든 측정값들의 오차가 생길 뿐만 아니라, 얼마나 큰 오차를 갖고 있는지를 이야기할 수 조차 없기 때문입니다. 기준값으로부터 얼마만큼 틀리다라는 식의 오차를 이야기해야 하는데, 기준값 자체에 모호함이 있다면 오차측정 자체가 의미를 잃어버리기 때문입니다. 사실 초기에 정의된 단위들의 의미는 매우 불확실했고, 이러한 모호함을 없애기 위해 전세계의 과학자들은 오랜 기간 단위의 정의를 정확하기 위해 노력해 왔습니다. 그런 노력의 결실로 20세기 들어 파리를 통과하는 자오선의 10,000,000분의 1의 길이로 정의되었던 길이의 단위 ‘미터’는 빛이 299,792,458분의 1초동안 진공상태에서 직진할 수 있는 거리로 정의가 바뀌었고(1983년), 하루의 86,400분의 1이라고 정의되었던 시간의 단위 ‘초'는 바닥상태의 세슘원자의 두 에너지준위 사이를 9,192,631,770번 진동하는 데 걸리는 시간으로(1967년), 빛의 세기 단위 ‘칸델라'는 처음에 배관공들이 가지고 다니던 특정한 형태의 양초 하나에서 나오는 빛의 강도로 정의되었던 것을 1 스테라디안(steradian)의 각도내에서 555 나노미터(nm) 파장의 단색광원이 683분의 1의 광출력을 낼 때의 빛의 세기로 재정의(1979년) 되었습니다. 

그 외 초기 정의의 모호함을 계속 갖고 있던 네가지의 단위들인 질량 (kg), 전류 (A), 물질의 양 (mol) 그리고 온도 (K)의 정의가 올해 2018년 11월 모두 재정의 됨으로서 이제는 모든 단위들의 정의가 완벽해졌다고 표준관련과학자들은 확신하고 있습니다. 이번에 재정의된 단위들은 모두 ‘물리상수'를 이용해서 결정되었습니다. 현재의 물리학적 지식에 따르면, 변화하지 않는 완전수라고 여겨지는 몇가지의 물리상수들이 있는데, 이렇게 정확한 상수를 기준으로 정의되었기 때문에 새로운 정의들은 모호함을 더이상 갖지 않는다고 보는 것입니다. 

질량의 기준은 우습게도 백금과 이리듐의 합금으로 만들어진 금속덩어리 하나를 ‘표준원기'라고 정해놓고 그동안 이를 모든 질량의 기준으로 삼아왔습니다. 먼지를 제거하는 중에도 손상될 수 있기에 1889년에 만들어진 이후로 단 네번만 세상에 나왔고, 실제 계측은 복제본들로 이루어지는 다소 우스꽝스러운 질량에 대한 정의는 양자역학의 기본상수인 플랑크 상수(6.62607015e-34 Js, ‘e-34’는 소수점 34자리 아래의 숫자임을 의미)를 이용해서 재정의되었습니다. 플랑크 상수와 이미 완벽한 정의를 갖고 있는 1초, 1미터 값을 이용하면 1킬로그램의 값을 정의할 수 있다는 점을 이용한 것입니다.

1948년에 정해진 전류(current)에 대한 정의는 정의 자체가 “무한히 길고 단면적을 무시할 수 있을 만큼 작은 두개의 평행 도체가 진공상태에서 1미터 간격으로 위치할 때 두 도체에 1미터의 길이당 0.0000002 뉴튼(N)의 힘이 생기게 할 수 있는 전류’라고 되어 왔습니다. 무한히? 무시할 수 있을 만큼? 등 정의 자체가 모호함을 갖고 있었습니다. 새로 정의되는 전류는 전자(electron)의 전하값을 이용해서 정의되어 있습니다. 전류는 전자의 흐름에 관련된 값임에도 불구하고 그동안은 전자의 전하값을 정확히 측정하는 기술이 없었기 때문에 이를 이용해서 정의하지 못했지만, 이제는 발달된 기술로 전하값을 정확하게 측정할 수 있고, 이렇게 측정된 전하값을 이용해서 전류의 정의를 새롭게 하게 된 것입니다.

물질의 양을 측정할 때 사용하는 몰(mol) 단위는 아보가드로수에 해당하는 입자의 수라고 만 정의되어 있다가 1967년 0.012 킬로그램의 탄소-12(carbon-12)에 들어있는 원자의 수라고 재정의되어왔습니다. 이렇게 몰의 정의가 바뀌었던 것 역시 아보가드로 수를 정확히 측정하는 기술이 없었기 때문에 탄소를 이용해 정의했던 것인데, 실리콘 결정을 이용한 새로운 방법으로 정확한 아보가드로 수(6.02214129e23 1/mol)를 정할 수 있게 되었고, 이를 이용해서 몰값을 정확히 정의할 수 있게 되었습니다.

온도의 기준단위인 켈빈(K, kelvin)의 그동안 유지되어 온 정의는 ‘물의 열역학적 삼중점의 온도(섭씨 0.01도)를 1/273.16 켈빈(K)이라고 정의한다'입니다. 다른 단위들에 비해서는 꽤 정량적이고 정확한 정의처럼 들리지만, 사실 물이라는 기준자체가 여러가지 상황에 의해 변화될 수 있기 때문에 정확한 정이라고 보기 힘든 값입니다. 이를 플랑크 상수와 같이 물리상수중 하나인 볼츠만 상수(boltzmann constant, 1.38e-23 kgm2/s2K)를 이용해 정의되었습니다. 

일상 생활에 크게 문제가 없는데, 뭐하러 이렇게 정의를 정한다는 것에 신경을 쓰나라고 생각하실 수도 있습니다. 하지만, 이러한 정밀한 정의는 현재의 삶에는 어떤 변화를 가져오지 못한다 하더라도 처음에 말씀드렸듯이 이는 미래에 다가올 커다란 변화의 씨앗이 될 수 있습니다. 우리가 현재 스마트폰을 갖고 손쉽게 GPS기능을 사용할 수 있는 것은 위성과 스마트폰 기기간의 정확한 동기화(syncronization) 없이는 불가능하며, 이러한 동기화는 정밀한 시간측정이 없이는 있을 수 없었던 기술입니다. 즉, 1960년대에 시간에 대한 정의가 정밀하게 바뀌지 않았다면 지금의 편리한 GPS기능들은 존재하지 않을 수도 있습니다. 이와 마찬가지로 지금은 아무런 변화를 만들지 못하는 것 같지만, 이러한 단위의 재정의를 앞으로 다가올 미래를 바꿀 수 있는 큰 힘이 될 수도 있습니다. 그래서 저는 표준과학자들과는 비슷하지만 조금은 다르게 표현하고자 합니다.

No change, but huge change

아무런 변화도 아니다, 하지만, 엄청난 변화인 것이다.