시간의 측정과 표준

시각과 시간
시간은 과거로부터 미래를 향해서 끊임없이 균일하게 흘러가고 있다. 이 시간의 흐름은 한쪽으로만 진행될 뿐 결코 반대 방향으로 흐르는 일은 없다.
시간은 정의하기가 매우 어려운 개념이다. 시간의 일반적인 정의는 연속적이고 앞으로만 진행하는 사건의 흐름이다. 균일하게 진행하고 있는 시간적 흐름의 어느 한 시점을 시각이라 하고, 두 시각 사이의 길이를 시간이라고 한다. 예를 들어 3월 1일 오전 8시 30분이라고 하면 이것은 시각이고, 8시 30분부터 9시 20분 사이의 50분은 시간을 말한다.

시간의 측정
시간을 측정하기 위해서는 규칙적으로 반복하는 현상이나 운동을 이용한다. 일상생활에서는 시계와 같은 장치를 이용하고, 시간의 기본적인 단위로 초(s)가 사용된다. 물리에서 사용하는 시간의 범위는 대단히 넓다. 태양의 수명(10^18초)처럼 긴 시간이나 빛이 원자핵을 지나는데 걸리는 시간(10^-23초)처럼 짧은 시간도 다루어지고 있으며, 이렇게 매우 긴 시간이나 짧은 시간은 직접적인 방법으로는 측정이 불가능하다.

(1) 긴 시간과 짧은 시간의 측정
긴 시간의 측정 : 지구의 나이(10^17초)처럼 긴 시간은 지층, 화석, 방사성 동위 원소의 반감기 등 여러 가지 과학적 방법을 이용한 간접적인 계산을 통해 측정한다.
짧은 시간의 측정 : 원자시계나 오실로스코프 등을 사용하면 10^-10초 정도까지 측정할 수 있고, 스트로보스코프, 다중 섬광 장치, 시간기록계 등을 이용하면 10^-5~10^-2초 정도의 시간을 측정할 수 있다.

(2) 스트로보스코프를 이용한 짧은 시간 측정
회전하는 선풍기 날개나 초인종의 때리개처럼 똑같은 운동을 되풀이하는 장치의 짧은 주기(시간)는 다중 섬광 장치나 스트로보스코프를 이용하여 측정할 수 있다.
스트로보스코프는 같은 간격으로 여러 개(4~12개)의 슬릿(slit, 틈)이 뚫려 있는 큰 원반 모양으로 되어 있다.
예를 들어 1개의 슬릿이 있는 스트로보스코프를 사용하여 일정한 속력으로 회전하는 날개가 2개인 선풍기의 회전 주기를 측정한다고 하자. 스트로보스코프를 손가락으로 돌리면서 슬릿 사이로 선풍기 날개를 볼 때 스트로보스코프의 회전 속력을 점차 증가시키면 어느 회전 속력에서 선풍기 날개가 정지해 있는 것처럼 보인다. 즉, 슬릿이 1회전할 때 선풍기 날개가 1/2 회전, 1회전, 3/2회전, 2회전하면 선풍기 날개는 정지해 있는 것처럼 보인다. 스트로보스코프의 회전 속력을 점점 증가시켜 더 이상 날개가 정지해 보이는 경우가 없다면 날개가 정지해 보이는 스트로보스코프의 최고 속력이 측정하려는 선풍기 날개의 회전 속력과 같다. 스트로보스코프의 슬릿 수가 n개, 시간 t초 동안 f회전시켰다면 슬릿 1칸이 지나는 시간 T는 다음과 같다.

T = t/nf

이때 회전체가 정지해 있는 것처럼 보이면 시간 T는 회전체의 주기가 같다.

(3) 우리 나라의 전통 천문 시계
앙부일구 : 서울 창덕궁에 소장되어 있는 보물 제 845호이다. 1434년 장영실이 처음 만든 해시계의 일종이다.
동쪽에서 뜬 해가 서쪽으로 질 때까지 영침의 그림자가 시각선을 비추므로 시각을 알 수 있고, 연중 해의 고도가 달라지므로 계절선을 비추는 그림자 길이를 보고 절기를 확인할 수 있다. 영침의 끝은 천구의 북극을 향해 세워져 있고, 선과 글은 은상감으로 새겨져 있다.

일성정시의 : 세종 19년에 제작하였으며, 여주군 세종대왕 능에 설치되어 있다.
일성정시의는 천체 관측 기기로, 낮에는 태양의 움직음을, 밤에는 주요 별의 위치를 관측해서 시각을 측정한다. 별을 볼 수 있는 날이면 밤낮을 가리지 않고 매우 정밀하게 시각을 측정할 수 있는 장점이 있는 반면, 날이 흐리거나 비가 오면 사용할 수 없는 단점이 있다.

시간 표준은 태양을 중심으로 지구가 공전하는 현상을 이용한 시태양시를 오랫동안 사용했다.

시각과 시간

1. 시각 : 어떤 사건이 일어난 순간

2. 시간 : 시각과 시각 사이의 간격

시간의 측정

1. 시간 측정 기구

• 진자의 운동과 같이 일정한 주기로 반복되는 운동을 이용하여 측정한다.
• 원자시계 : 워자에서 방출하는 빛의 진동 주기를 이용하여 시간을 측정한다.
• GPS (Global Positioning System) : 24개의 인공위성으로 구성되어 있고, 각 위성에는 시각을 맞춘 원자시계가 있으며, 어떤 물체의 위치와 고도 및 현재의 시각을 알아낸다.

2. 우리나라의 전통적인 시간 측정 기구 - 앙부일구, 일성정시의, 혼천시계, 자격루 등

• 앙부일구 : 조선 시대에 사용한 대표적인 해시계로, 이시계에는 시간과 계절을 알 수 있도록 세부 눈금이 새겨져 있다.
• 일성정시의 : 해시계의 원리와 항성이 북극성을 중심으로 그 주위를 규칙적으로 돈다는 별시계의 원리를 하나로 모아서 낮과 밤의 시간을 측정한다.
• 혼천시계 : 자명종의 원리를 이용하여 시각을 알려 주는 시계 장치와 태양과 달의 위치를 알려 주는 혼천의 부분으로 된 시계이다.
• 자격루 : 일정한 빠르기로 흐르는 물의 양으로 시간을 측정하여 일정한 시간마다 소리를 내어 알려준다.

<앙부일구의 원리>

• 시각선(세로선) :하루 중 이동하는 태양에 의해 생기는 그림자가 어느 세로선을 가리키는지를 보고 시각을 알 수 있다.

• 절기선(가로선) :계절에 따라 태양의 남중 고도가 달라져 그림자의 길이가 가장 길 때는 동지, 가장 짧은 때는 하지를 나타낸다. 즉, 그림자가 가로선 중 어느선을 가리키는지를 보아 계절을 알 수 있다.
• 앙부일구의 문제점 : 해가 없으면 시간을 알 수 없고, 지역에 따라 남중 시각이 다르므로 시각에 차이가 생긴다.

3. 현재의 시간 측정

• 현재는 세슘원자가 방출하는 복사선의 진동주기를 측정하여 시간을 측정한다.

시간의 표준

1. 시간의 표준

• 시간은 여러 가지 기본 물리량(길이, 질량, 온도, 전류 등)중 하나이며, 다른 물리량의 측정 표준이 된다.

2. 시간의 단위

• 시간은 일반적으로 초(s), 분, 시간 등의 단위를 사용하지만, 국제 단위계에서 시간은 SI 기본 단위로 초(s)를 사용하기에 크거나 작은 경우 SI 접두어를 붙여 사용한다.

3. 시간 표준의 역사

• 태양시 : 1초를 평균 태양일(하루)의 1/86400로 정하였다.
• 역표시 : 1초를 서기 1900년도 1년 길이의 1/31556925.9747로 정하였다.
• 원자시 : 현재 사용하는 표준시로 , 1초를 세슘원자에서 방출하는 특정한 빛이 9192631770번 진동하는 데 걸리는 시간으로 정하였다.

표준 시간대

• 일정 지역마다 대표가 되는 곳의 남중 시각을 기준으로 하는 표준 시간대를 정하여 사용한다.
• 영국 그리니치 천문대를 지나는 자오선을 기준하여 24개의 표준 시간대를 채택하여 사용한다.
• 한국 표준시(KST) - 동경 135º를 기준으로 하는 표준 시간대를 사용한다. 협정 세계시(UTC)인 그리니치 평균시(GMT)에 9시간 앞선다.

• 영국 그리니치 천문대를 기준으로 24개의 표준 시간대를 채택하여 동일한 시간대에서는 같은 시간을 남용한다.
• 태양이 남중하는 시각이 다르므로 일정마다 대표가 되는 곳의 남중 시각을 시간의 기준으로 하는 표준 시간대를 정하여 사용하고 있다.