킬로그램의 역사: '르 그랑 K'에서 플랑크 상수까지

킬로그램의 기원과 '르 그랑 K'

18세기 프랑스 혁명 이후, 혼란스러운 측정 단위를 통일하기 위한 노력이 시작되었습니다. 그 결과, 1795년 프랑스는 길이의 단위로 미터를, 질량의 단위로 그램을 도입했습니다. 그러나 실용적인 이유로 그램의 1,000배인 킬로그램이 일상 생활에서 더 많이 사용되었고, 이를 정확하게 정의하기 위해 물의 밀도를 기반으로 한 표준이 제안되었습니다. 하지만 물의 밀도는 온도와 압력에 따라 변하기 때문에, 보다 안정적인 기준이 필요했습니다.

이러한 필요성에 따라 1879년, 백금 90%와 이리듐 10%로 이루어진 원통형의 국제 킬로그램 원기(International Prototype of the Kilogram), 일명 '르 그랑 K(Le Grand K)'가 제작되었습니다. 이 원기는 프랑스 세브르에 위치한 국제 도량형국(BIPM)의 엄격한 보안 아래 보관되었으며, 전 세계의 질량 측정의 기준이 되었습니다.

'르 그랑 K'의 문제점

'르 그랑 K'는 130년 이상 전 세계 질량 측정의 표준으로 사용되었지만, 시간이 지남에 따라 미세한 질량 변화가 발생한다는 문제가 제기되었습니다. 실제로, '르 그랑 K'는 그 복제본들과 비교했을 때 약 50마이크로그램(소금 알갱이 하나의 무게에 해당) 정도의 질량 변화를 보였습니다. 이러한 변화는 미세하지만, 정밀한 과학 연구와 산업 분야에서는 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

이러한 이유로 과학자들은 물리적 원기에 의존하지 않고, 변하지 않는 자연 상수를 기반으로 한 새로운 질량 정의를 모색하게 되었습니다.

플랑크 상수를 통한 재정의

2018년 11월 16일, 프랑스 베르사유에서 열린 제26차 국제 도량형 총회(CGPM)에서 과학자들은 킬로그램을 플랑크 상수(Planck constant)를 기반으로 재정의하기로 만장일치로 결정했습니다. 플랑크 상수는 양자 물리학에서 에너지와 주파수 사이의 비례 상수로, 그 값은 변하지 않는 자연 상수입니다.

새로운 정의에 따르면, 킬로그램은 플랑크 상수의 고정된 값과 미터 및 초의 정의를 결합하여 결정됩니다. 이를 통해 킬로그램은 물리적 원기에 의존하지 않고, 우주의 변하지 않는 특성에 기반한 단위로 거듭나게 되었습니다.

새로운 정의의 의미

이러한 변화는 과학과 산업 전반에 걸쳐 중요한 의미를 가집니다. 물리적 원기의 미세한 변화에 영향을 받지 않기 때문에, 전 세계 어디서나 동일한 기준으로 질량을 측정할 수 있게 되었습니다. 이는 정밀한 측정이 필요한 나노기술, 약학, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 큰 이점을 제공합니다.

또한, 다른 국제 단위들(예: 미터, 초)이 이미 자연 상수를 기반으로 정의된 것처럼, 킬로그램도 이에 합류함으로써 국제 단위계(SI)의 일관성과 안정성이 더욱 강화되었습니다.

마무리

'르 그랑 K'는 오랜 시간 동안 인류의 질량 측정의 기준으로 중요한 역할을 수행해왔습니다. 그러나 과학의 발전과 함께, 우리는 변하지 않는 자연 상수를 기반으로 한 새로운 정의를 채택함으로써 더욱 정확하고 신뢰성 있는 측정 체계를 구축하게 되었습니다. 이는 과학과 기술의 발전에 있어 또 다른 중요한 이정표로 기록될 것입니다.