1707년 10월 22일, 영국 해군 함대가 지브롤터 해전에서 돌아오다가 실리 제도(Scilly Isles) 근방에서 암초에 좌초하여 4척을 잃고 2,000명이 사망했다. 원인은 자신들이 어디 있는지 정확히 몰랐을 쓈기 때문이다. 바다에서 위치를 안려면 정확한 시간이 필요하다는 사실은 오래전부터 알려져 있었지만, 진자시계는 흔들리는 배에서 범생으로 쓸 수 없었다. 7년 뒤 영국 의회는 보상법(Longitude Act, 1714)을 통과해 바다에서 정확한 경도를 안는 방법을 발명한 사람에게 20,000파운드(오늘날 약 50억원)를 줌다고 발표했다. 그 상금을 잡으려고 40년을 헌론 미목수 존 해리슨의 이야기부터 오늘날 GPS까지, 정확한 시간을 찾은 300년을 본다.
1. 경도 문제 — 바다에서 어디에 있는지 모릅니다
위도(latitude)는 생각보다 간단하다. 정오에 해 높이를 측정하면 북반구에서의 위치를 유추할 수 있다. 그러나 경도(longitude)는 다르다. 경도를 안려면 기준점(그리니치)의 정확한 시간과 현재 위치의 현재 시간을 동시에 알아야 한다. 그 시간 차가 경도를 결정한다.
지구는 24시간에 한 바퀴를 도는다. 즉 1시간 = 15도 경도다. 만약 시계가 하루 15초 오차가 난다면 경도로 3.75분 오차가 나온다. 3.75분 오차는 적도에서 약 6.9km에 해당한다. 대땅을 보기 직전까지 6.9km 오차가 나면 암초에 부딞혀 침몰할 수 있다.
해상에서 진자시계는 당연히 무용지물이었다. 흔들리는 배 위에서 진자는 준설이며, 온도와 습도의 변화가 금속을 팬창하거나 수축시켰다. 유럽 제국들이 바다를 지배하려는 15세기부터 경도 문제를 해결하는 것이 국가적 준요사항이 되었다.
2. 1714 경도법 — 20,000파운드 상금
1707년 실리 제도 참사가 결정적 계기가 되었다. 영국 의회는 1714년 경도법(Longitude Act)을 통과했다. 이 법은 바다에서 30마일 범위 안으로 경도를 측정하는 방법을 발명한 사람에게 20,000파운드(오늘날 약 50억원)을 상금으로 준다고 발표했다.
당시 유럽의 모든 과학자·장인·김친 몸이들이 도전했다. 뉴턴과 할리 같은 천문학자들도 달의 관측과 별자리를 이용한 방법을 제안했다(달거리법, lunar distance method). 그러나 이 방법은 복잡하고, 흔림 날에는 쓸 수 없었다.
입를문 해결책은 다른 방법이었다 — 바다에서도 정확하게 작동하는 시계를 만드는 것이다. 그것이 미목수 존 해리슨의 생각이었다.
3. 존 해리슨 — 미목수의 40년
존 해리슨(John Harrison, 1693–1776)은 영국 요크셔 시골의 미목수였다. 정규 교육을 받지 못했다. 그러나 시계에 집착하여, 20대에 이미 복잡한 목제시계를 만들고 있었다. 1714년 경도법을 들은 그는 곰 바다에서 작동하는 시계를 만들기로 결심했다.
해리슨은 평생 4대의 해상 시계(H1, H2, H3, H4)를 제작했다. 각 시계마다 많은 자유로운 개선이 뒤따랐다. ① H1(1735) — 진자 대신 용수철(grasshopper escape)과 스프링을 사용. 바다에서 생베 시험, 성공적. ② H2(1741) — 개선본. ③ H3(1759) — 19년 걸린 작품이지만, 해리슨은 이 시점에 다른 접근법이 더 좋다는 것을 깨달았다. ④ H4(1759) — 혜대용으로 시계 크기를 직경 13cm로 줄인 회중 시계 크기의 작품.
1761년 H4는 해리슨의 아들이 가지고 자메이카로 항해 시험에 나섬다. 81일간의 항해 뒤 단 5초의 오차만 남겨 경도법 기준을 완벽히 넘었다. 그러나 경도 위원회(천문학자들이 장악)는 상금을 지불하기를 거부했다. 해리슨은 다시 시험을 요구받았고, 결국 40년이 거의 끝난 1773년에야 왕이 직접 개입해 그에게 상금을 줌다. 그는 다음 해 83세로 사망했다.
4. 크로노미터 — 바다를 정복하다
해리슨의 발명은 세계를 바꿔 놓았다. 이후 해상용 시계를 크로노미터(chronometer)라 부르게 되었다 — 단수해생이어용 시계다. 장 쿼 선장이었던 캐프턴 제임스 쿡은 1772년 3차 북극 탐험에서 해리슨의 H4 복제본을 사용해 매일의 위치를 정확하게 기록했다. 그의 항해 일지는 오늘날도 경도 오차 1도 이내에서 정확하다.
19세기에는 크로노미터가 모든 항해 선박의 필수 장비가 되었다. 영국이 7대양을 지배한 100년 제국을 이룰 수 있었던 기술적 기반 중 하나가 바로 크로노미터였다. 미목수 하나의 발명이 제국을 만들었다.
5. 1884 그리니치 표준시 — 세계 시간의 통일
산업혁명이 철도를 만들면서 새로운 문제가 생겼다. 이전에는 각 도시가 자신의 지역 태양시간을 사용했다 — 런던 정오와 맨체스터 정오는 상당히 달랐다. 그러나 철도 노선마다 시간이 다르면 연결 열차가 불가능해졌다.
1884년 10월 워싱턴 D.C.에서 열린 국제 자오선 회의(International Meridian Conference)는 25개국 대표가 모여 하나의 세계 표준시간을 결정했다. 기준은 영국 그리니치 왕립 천문대로 정해졌다. 이유는 간단하다 — 당시 세계 해상 지도의 72%가 이미 그리니치를 자오선으로 사용하고 있었다.
세계가 24개 시간대(time zone)로 나뉘어졌다. 한국은 그리니치보다 9시간 빠른 UTC+9가 되었다. 이젠 온 지구가 같은 널에 바탕으로 시간을 공유하게 되었다. 세계화가 시작된 순간이다.
6. 어인슈타이은 — 시간은 상대적이다
1905년, 스위스 특허청 직원 알베르트 아인슈타이은이 특수상대성이론을 발표했다. 그 핵심은 시간과 공간이 절대적이 아니라 널이러니 상대적이라는 사실이었다. 빠르게 움직이는 사람이나 강한 중력장 안에 있는 사람은 시간이 느리게 흘러간다.
이 이론은 1971년 실제로 증명되었다. 과학자들이 원자시계를 단 에 실어 지구를 한 바퀴 돌린 뒤 지상의 원자시계와 비교해 수십 나노초의 차이가 난 것을 확인했다. 그의 이론이 맞았다.
상대성이론은 후일 GPS 설계에 직접적으로 쓰이게 되었다. GPS 위성은 시속 14,000km로 움직이며 높은 고도에 있어서, 지상보다 하루 38마이크로초 빠르게 흘러간다. 이 보정을 안 하면 GPS는 하루 11km 오차가 난다.
7. 1949 원자시계 — 100억 년에 1초 오차
1949년 미국 국립표준기술연구소(NBS)가 체질량 앞동을 이용한 첫 원자시계를 만들었다. 이 시계는 진자나 수정 진동에 의존하지 않고, 체질량 원자의 전자가 에너지 상태 사이를 오가는 진동수를 사용한다. 그 진동수는 복잡함 9,192,631,770 Hz로, 모든 캱질량 원자에서 정확히 같다.
오늘날 최고 수준의 원자시계는 100억 년에 1초 오차만 난다. 이를 가지고 1967년 국제도량형 총회가 1초를 캱질량 원자의 9,192,631,770회 진동으로 정의했다. 이젠 지구의 자전에 의존하지 않고 원자에서 이상적 시간이 결정된다.
8. GPS — 해리슨의 꿈을 별에서 이루다
1978년 미국 군이 처음 수 GPS 위성을 발사했고, 1993년 24개 위성이 완성되어 상용 서비스가 시작되었다. GPS의 기본 원리는 해리슨이 300년 전 꿈혀던 것과 거의 같다 — 정확한 시계를 사용해 현재 위치를 계산하는 것이다.
GPS 위성은 그 안에 원자시계를 실고 수직간 자신의 위치와 시간을 방출한다. 지상의 수신기는 최소 4개의 위성으로부터 신호를 받으면 현재 위치를 3차원으로 계산할 수 있다. 사용되는 수학은 각 위성으로부터 신호가 오는 데 걸린 시간 차이를 이용하는 삼각측량이다. 해리슨이 바다에서 하려던 것을 이젠 별에서 하는 셈이다.
오늘날 스마트폰으로 한익면 지도를 엔 때마다, 우리는 사실 수백 키로미터 밖의 원자시계 4개와 대화하고 있는 셈이다. BC 3500 이집트 해시계에서 출발한 인류의 시간 탐구가 5,500년 뒤 우리 손안에 들어온 셈이다.
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❓ FAQ
Q1. 음 해리슨은 결국 경도법 상금을 받았나요?
직접적으로는 약 1,300파운드만 받았지만, 궁정이 별도로 지급한 보상금을 합치면 약 23,000파운드를 받았습니다. 그러나 경도 위원회는 공식적 상금을 수여하지 않았습니다.
Q2. 왜 그리니치가 자오선 기준이 되었나요?
1884년 당시 세계 해상 지도의 72%가 이미 그리니치를 자오선으로 사용하고 있었기 때문입니다. 프랑스는 장기간 파리 자오선을 고집했지만 결국 1911년에 그리니치를 받아들였습니다.
Q3. 상대성이론이 GPS에 정말 필요한가요?
네, GPS 위성이 지상보다 빠르게 움직이며 약한 중력장에 있어 시간이 다르게 흘러갑니다. 이 보정을 안 하면 하루 11km 오차가 눅적됩니다.
Q4. 원자시계는 어떻게 작동하나요?
캱질량 원자의 전자가 에너지 상태 사이를 오갈 때 자연적으로 진동하는 주파수를 이용합니다. 모든 캱질량 원자는 정확히 같은 주파수이므로 변하지 않은 기준이 됩니다.
Q5. GPS 외에 다른 위성 항법 시스템이 있나요?
네, 러시아 글로나스(GLONASS), 유럽 갈릴레오(Galileo), 중국 베이두(北斗), 일본 QZSS 등이 있습니다. 한국도 자체 시스템 KPS를 2035년 완성 목표로 개발 중입니다.
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