초 (시간)

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1. 개요
2. 유래 및 역사
3. 현대적 정의
- 3.1. 광학 시계와 미래의 초 정의
4. 표기
5. SI 배수 및 분수
6. 시간 표준
7. 윤초
참조

1. 개요

초는 시간의 단위로, 1967년 이후 세슘-133 원자의 진동을 기준으로 정의된다. 고대부터 다양한 방식으로 시간을 측정해왔으며, 기계식 시계의 발명과 함께 초 단위의 정밀한 시간 측정이 가능해졌다. 1950년대에는 지구의 공전을 기준으로 초를 정의하려는 시도가 있었고, 1960년 국제단위계에 채택되었다. 현재는 원자시계가 시간 표준을 설정하며, 광학 시계를 기반으로 한 초의 재정의가 논의되고 있다. 한국의 시간 표준은 협정 세계시(UTC)를 따르며, 윤초를 통해 원자시와 태양시의 차이를 보정한다.

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초 (시간)
시간 단위
SI 단위	기본 단위
물리량	시간
기호	s
차원	T
정의	초(기호는 s)는 시간의 SI 단위이며, 세슘 주파수 ∆νCs, 즉 세슘-133 원자의 섭동을 받지 않는 기저 상태의 초미세 구조 전이 주파수를 단위 Hz(s⁻¹과 같음)로 나타낼 때, 그 수치를 9192631770으로 정하는 것으로 정의된다.
유래	평균 태양일(LOD)의 1/86400

2. 유래 및 역사

'초'라는 시간 단위의 이름은 라틴어에서 유래했다. '분'(pars minuta prima^la)은 시간을 처음으로 잘게 나눈 부분이라는 뜻이고, '초'(pars minuta secunda^la)는 두 번째로 잘게 나눈 부분이라는 의미이다.^[3]

과거에 1초는 지구의 자전을 기준으로 한 평균 태양일의 1/86,400로 정의되었다. 하지만 지구의 자전 속도는 일정하지 않아 시간의 정확성을 보장하기 어려웠다.

이에 1956년, 시간 단위를 보다 엄밀하게 정의하기 위해 지구의 공전을 기준으로 한 태양년을 이용한 새로운 표준이 도입되었다. 이때 1초는 "1900년 1월 0일 12시 기준으로 태양년의 1/31556925.9747"로 정의되었다. 이는 천문 관측 자료를 바탕으로 계산된 역표(ephemeris)를 기반으로 했기 때문에 '역표시'(ephemeris time)라고 불렸다.

원자 시계가 발명되면서 시간을 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있게 되었고, 이를 이용해 시간 단위를 새롭게 정의하게 되었다. 1967년 제13차 국제도량형총회(CGPM)에서는 시간의 정의를 세슘-133 원자의 복사를 기준으로 변경했다. 1초는 "세슘-133 원자의 바닥상태에 있는 두 초미세 에너지 준위 사이의 전이에 해당하는 복사선이 9,192,631,770번 진동하는 데 걸리는 시간"으로 정의되었다.

1997년에는 이 정의가 0K의 온도에서 외부 영향을 받지 않는 이상적인 상태의 세슘 원자를 기준으로 한다는 점이 명확히 추가되었다. 2018년 결정되어 2019년 5월부터 시행된 현재의 정의는 세슘-133 원자의 특정 전이 주파수(Δν_Cs) 값을 정확히 9,192,631,770 Hz(s⁻¹)로 고정하여 초(s)를 정의한다.^[25]^[26]

2004년에는 시간주파수 자문위원회(CCTF)에서 세슘 원자 외에 루비듐 원자를 초의 2차적 표현으로 사용할 수 있다는 권고안이 채택되었다. 이는 특정 조건에서 루비듐 원자가 세슘 원자보다 주파수 변화가 적을 수 있기 때문이다.^[94]

한편, 원자 시계가 정의하는 시간(원자시)과 지구의 자전을 기준으로 하는 태양시 사이에는 미세한 차이가 발생하는데, 이를 보정하기 위해 윤초가 사용된다.

2. 1. 고대 및 중세 시대의 초

고대 바빌로니아와 중국에서는 하루를 12등분하는 시간 단위를 정하고, 이를 해시계 관측으로 확인하였다.^[31] 기원전 2000년경 이집트에서는 하루를 낮과 밤으로 나누어 각각을 12시간 단위로 구분하는 부정시법을 사용했다.^[31] 이는 계절에 따른 낮과 밤의 길이 변동으로 인해 시간 단위의 실제 길이는 일정하지 않았다.

고대 그리스의 히파르코스(기원전 150년경)와 고대 로마의 클라우디오스 프톨레마이오스(150년경)는 하루를 60진법으로 세분하여 시간을 표현했다. 그들은 평균화된 1시간(하루의 24등분)이나, 1시간의 단순한 분수(1/4이나 2/3 등) 그리고 시간의 정도(현대의 "분"에 통하는 하루의 360등분) 등을 사용하였지만, 이것들은 현대의 분이나 초와는 달랐다.^[32]

60진법에 따라 하루를 나누는 방식은 1/60의 n승 시간 구분을 만들었다. 300년경 바빌로니아에서는 적어도 (1/60)⁶까지의 분할(2마이크로초보다 짧음)을 계산했지만, 이러한 짧은 시간 단위를 실제로 사용하지는 않았다. 예를 들어 1년이라는 시간을 세분 단위로 나타낼 때는 하루의 60등분 단위를 기초로 하였다. 바빌로니아에서는 하루를 360등분한 'she'(현대의 4분에 해당)라는 단위와, 이를 다시 72등분한 'helek'(현대의 10/3초에 해당, 유대력의 "헤렉"과 같음)이라는 단위를 사용하였다.^[33] 그들은 이러한 단위 시간을 정확하게 측정하는 수단은 없었지만, 계산을 통해 1삭망월의 평균 시간을 60진법으로 29;31,50,8,20일(약 29.5305941358일)이라는 값을 얻었다. 이 계산 방법은 히파르코스와 프톨레마이오스도 사용했다. 이 "헤렉"은 1080분의 1시간이다.^[34] 유대력에서는 평균 월을 29일 12시간 793 헤렉(helek^영어) (29일 12.734시간)으로 한다.

중세 자연철학자들의 저술에는 달의 한 주기를 구성하는 "초"에 대한 언급이 있는데, 이는 기계적으로 측정할 수 없는 수학적 세분화였다. 서기 1000년경, 페르시아 학자 아부 라이한 알 비루니는 특정 주의 삭 사이의 시간을 일요일 정오 이후의 일, 시간, 분, 초, 3차(third^영어), 4차(fourth^영어)로 나누어 정의하였다.^[7]^[35] 1267년, 중세 영국의 과학자 로저 베이컨은 보름 사이의 시간을 특정 달력 날짜의 정오 이후의 시간(horae^la), 분(minuta^la), 초(secunda^la), 3차(tertia^la), 4차(quarta^la)로 정의하였다.^[8]^[36] "초"를 60분의 1로 세분하는 용어 tertia^la는 영어로 third^영어가 되며, 현대 폴란드어 "tercja^pl"와 튀르키예어 "salise^tr"에 남아 있지만, 보통은 소수점 이하 2자리로 표시된다. tertia^la 아래의 quarta^la는 영어로 fourth^영어가 된다.

현대 영어 단어 "분(minute^영어)"은 라틴어 pars minuta prima^la에서 유래했는데, 이는 "첫 번째 작은 부분", 즉 시간을 60으로 나눈 첫 번째 단위를 의미한다. "초(second^영어)"는 라틴어 pars minuta secunda^la에서 유래했는데, 이는 "두 번째 작은 부분", 즉 시간을 다시 60으로 나눈 단위를 의미한다.^[3] 원래 "초"는 "두 번째 분"을 의미하는 "second minute^영어"라고 불렸고, "분"은 "첫 번째 분"을 의미하는 "prime minute^영어"라고 불렸다. 이는 1시간에 대한 첫 번째 분할과 두 번째 분할이라는 의미이다.^[37]

2. 2. 기계식 시계와 초

14세기부터 등장한 초기의 기계식 시계는 시간을 반, 삼분의 일, 사분의 일, 때로는 12분의 1로 나누어 표시했지만, 60개의 분으로 나누지는 않았다. 당시에는 시간의 길이가 일정하지 않았기 때문에 시간을 60분으로 나누는 것이 일반적이지 않았고, 분 단위로 시간을 측정하는 것은 16세기 말 분을 표시하는 최초의 기계식 시계가 등장하기 전까지는 실용적이지 않았다. 기계식 시계는 해시계가 표시하는 ''겉보기 시각''과는 달리 ''평균시''를 유지했다.

초를 표시하는 최초의 시계는 16세기 후반에 등장했다. 초는 기계식 시계의 발달과 함께 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 초를 표시하는 초침이 있는 최초의 태엽식 시계는 프레머스도르프 소장품에 있는, 서명되지 않은 오르페우스를 묘사한 시계로, 1560년과 1570년 사이의 것으로 추정된다.^[9]^[10] 16세기 3/4분기에 타키 알-딘은 1/5분(12초) 단위의 눈금을 가진 시계를 만들었다.^[11] 1579년 요스트 뷔르기는 헤세의 빌헬름 4세를 위해 초를 표시하는 시계를 만들었다.^[9] 1581년 티코 브라헤는 자신의 천문대에서 분만 표시하던 시계를 초까지 표시하도록 개조했지만, 그 초는 정확하지 않았다. 1587년 티코는 자신의 네 개의 시계가 ±4초의 오차를 보인다고 불평했다.^[9]

1656년, 네덜란드 과학자 크리스티안 호이겐스는 최초의 추시계를 발명했다. 이 시계는 약 1m 길이의 추를 사용하여 1초의 진동 주기를 만들었고, 매 초마다 소리를 내는 이스케이프먼트(탈진기)를 가지고 있었다. 이것은 초 단위로 정확하게 시간을 측정할 수 있는 최초의 시계였다. 1670년에는 윌리엄 클레먼트(William Clement)가 호이겐스의 시계에 초 단위 진자(seconds pendulum)를 추가하여 정확성을 더욱 높였다. 이 진자는 한 번 왕복하는 데 2초가 걸렸고, 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 움직일 때 나는 소리가 1초 간격을 알려주었다. 이후 정밀 시계의 문자판에는 1분에 한 바퀴 도는 초침이 추가되었다.^[45]

1730년대에는 존 해리슨의 해상 크로노미터가 개발되어 100일 동안 1초 이내의 오차를 보이는 높은 정확도를 달성했다.

1832년, 가우스는 밀리미터-밀리그램-초 단위계에서 초를 시간의 기본 단위로 사용할 것을 제안했다. 1862년 영국 과학진흥협회(BAAS)는 "모든 과학자들은 평균 태양시의 초를 시간의 단위로 사용하는 데 동의한다"고 명시했다.^[12] BAAS는 1874년 CGS 단위계를 공식적으로 제안했지만, 이 단위계는 이후 MKS 단위계로 점차 대체되었다. CGS 단위계와 MKS 단위계 모두 초를 시간의 기본 단위로 사용했으며, MKS 단위계는 초를 평균 태양일의 1/86,400로 정의했다.

2. 3. 역표시와 초

과거에는 1초를 지구의 자전에 따른 평균 태양일의 1/86,400로 정의했다. 그러나 지구의 자전 속도는 일정하지 않고 여러 요인에 의해 불규칙하게 변동하여 시간의 정확성을 보장하기 어려웠다. 지구 자전 속도 변동의 주요 원인으로는 조석력^[49]^[50]과 계절 변화^[51](약 1~2밀리초, 즉 10⁻⁸일 정도의 변동^[52])가 있으며, 해류와 대기 순환, 지구핵의 유동, 심지어 지진 발생^[53] 등도 미미하지만 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.

1940년대 후반, 약 100kHz의 주파수로 작동하는 석영 수정 발진기 시계가 개발되면서 하루 동안의 오차가 10⁻⁸ 이하로 줄어드는 등 시간 측정 기술이 크게 발전했다. 여러 석영 시계의 평균값이 지구 자전 속도보다 더 정확한 시간을 유지할 수 있다는 것이 명확해졌고, 시간 측정 전문가들은 지구가 태양 주위를 도는 공전 운동(1년)이 자전 운동보다 훨씬 안정적이라는 사실에 주목했다. 이러한 배경에서 1950년대 초부터는 1년의 길이를 기준으로 초를 정의하려는 제안이 나오기 시작했다.

지구의 공전 운동은 사이먼 뉴컴이 1750년부터 1892년까지의 천문 관측 결과를 바탕으로 1900년 시점의 태양 운동 공식을 정리한 '태양표'(Tables of the Sun, 1895)에 기술되어 있다.^[13] 이를 기반으로 1952년 국제천문연맹(IAU)은 특정 시점(1900년)의 항성년을 단위로 하는 역표시각(Ephemeris Time, ET) 척도를 채택했다.^[14] 이 역표시각은 천체의 관측 위치를 뉴턴 역학 이론과 일치시키는 시간 척도이다.^[13] 이후 1955년, IAU는 항성년보다 더 기본적인 단위로 여겨지는 태양년을 시간의 기준으로 선택했다.

1956년, 국제도량형위원회(CIPM)는 초를 특정 시점의 태양년을 기준으로 새롭게 정의했다. 이 정의는 "초는 역표시각으로 1900년 1월 0일 12시(율리우스력 1899년 12월 31일 정오)를 기준으로 한 태양년 길이의 1/31,556,925.9747이다"라는 내용이었다.^[13]^[37] 이는 시간의 기준을 지구의 자전에서 공전으로 바꾼 중요한 변화였다. 이 정의에 사용된 시각과 태양년의 길이는 천문 관측 자료를 바탕으로 계산된 역표(ephemeris)를 기반으로 했기 때문에 '역표시각'이라는 이름이 붙었다. 이 새로운 정의는 1960년 제11차 국제도량형총회(CGPM)에서 국제단위계(SI)의 시간 단위 정의로 공식 채택되었다.^[15]

일본에서는 1958년 개정된 계량법을 통해 이 정의를 반영하여, "초는 1899년 12월 31일 오후 9시(일본 표준시)에서의 지구 공전 평균 각속도를 기반으로 산정한 1 태양년의 1/31,556,925.9747로서 도쿄천문대가 제시하는 것으로 한다"고 규정했다.^[54] 당시 도쿄천문대에서는 사진천정관(PZT)으로 시각을 측정하고 수정시계로 시간을 유지했다고 전해진다.^[55]

하지만 이 역표시각 기반의 정의는 기준 시점인 1900년으로 거슬러 올라가 다시 측정하는 것이 불가능했기 때문에, 정의를 실제로 구현하고 재현하는 데 어려움이 있었다.^[51] 이러한 한계는 이후 원자 시계의 발명으로 이어져 새로운 시간 정의의 필요성을 제기하게 되었다.

2. 4. 원자시계와 초

기존에 1초는 지구의 자전을 기준으로 한 평균 태양일의 1/86,400로 정의되었으나, 지구 자전의 불규칙성 때문에 시간의 정확도를 보장하기 어려웠다. 1956년에는 시간 단위를 더 엄밀하게 정의하기 위해 지구의 공전을 기준으로 한 태양년을 사용, "1초는 1900년 1월 0일 12시 기준으로 태양년의 1/31556925.9747"로 정의했다. 이는 천문 표를 바탕으로 한 ‘역표시’(Ephemeris time)이다.

원자 시계가 발명되면서 시간을 더 정확하게 측정할 수 있게 되었고, 이를 이용해 시간 단위를 새롭게 정의하게 되었다. 1967년 제13차 CGPM에서는 시간의 정의를 세슘-133(la) 원자의 복사를 기준으로 변경했다. 1초는 "세슘-133 원자의 기저 상태(바닥상태)의 두 초미세 준위(hyperfine levels) 사이의 전이에 해당하는 복사(방사선) 주기의 9,192,631,770배에 해당하는 지속 시간"으로 정의되었다.^[16] 이 길이는 기존의 역표시 1초와 일치하도록 정해졌다. 원자 시계는 이 주파수를 기준으로 초당 사이클 수를 세어 시간을 측정하며, 이는 자연에서 가장 안정적이고 재현성이 높은 현상 중 하나로 평가받는다.^[16]

1997년 CIPM는 이 정의가 0K의 온도에서 정지 상태에 있는 세슘 원자를 기준으로 한다는 점을 명확히 했다. 이는 외부 자기장, 전기장, 흑체 복사 등의 영향을 받지 않는 이상적인 상태를 의미하며, 실제 측정 시에는 이러한 외부 요인에 대한 보정이 필요하다.

원자 시계는 현재 전 세계 시간 표준의 기준이며^[5], 현 세대의 원자 시계는 수억 년에 1초 이내의 오차를 가질 정도로 정확하다.^[17] 세슘-133 외에도 더 정밀한 원자 시계들이 개발됨에 따라 미래에는 초의 정의가 다시 개정될 가능성이 있다.^[17] 2004년 시간주파수 자문위원회(CCTF)에서는 세슘 원자 외에 루비듐 원자를 초의 2차적 표현으로 사용할 수 있다는 권고안을 채택했다. 이는 세슘 원자를 레이저 냉각 및 포획하여 원자분수(atomic fountain)를 만들 때 원자 간 충돌로 인해 고유 진동수가 변할 수 있는데, 루비듐 원자가 이러한 충돌에 의한 주파수 변화가 더 적기 때문이다.^[94]

2018년 제26차 CGPM에서 결정되어 2019년 5월 20일부터 시행된 현재의 정의는 "초(기호 s)는 시간의 SI 단위이며, 세슘 주파수 Δ''ν''_Cs, 즉 세슘-133 원자의 외부 영향을 받지 않는 바닥상태 초미세 전이 주파수를 Hz(s⁻¹와 같음) 단위로 나타낼 때 그 수치를 9,192,631,770으로 고정하여 정의된다."^[25]^[26] 이 정의는 외부 영향을 받지 않는 이상적인 상태의 원자를 기준으로 하며, 일반 상대성 이론에서 말하는 고유 시간의 단위이다.

한편, 원자 시계가 정의하는 시간(원자시)과 지구의 자전을 기준으로 하는 태양시 사이에는 미세한 차이가 발생하는데, 이를 보정하기 위해 윤초가 사용된다.

3. 현대적 정의

과거에는 지구의 자전을 기준으로 평균 태양일의 1/86,400을 1초로 정의했으나, 지구 자전의 불규칙성 때문에 시간의 정확도를 보장하기 어려웠다. 이에 1956년에는 지구의 공전을 기준으로 태양년을 이용한 새로운 정의, 즉 '역표시(ephemeris time)'가 도입되었다. "1초는 1900년 1월 0일 12시 기준으로 태양년의 1/31556925.9747"로 정의되었으며, 이는 시간 기준을 지구의 자전에서 공전으로 변경한 것이었다.

원자 시계가 발명되면서 시간을 더욱 정밀하게 측정할 수 있게 되었다. 원자 시계에서 측정한 시간과 역표시 사이의 관계를 정밀하게 측정한 결과를 바탕으로, 1967년 제13차 CGPM에서는 세슘-133 원자의 특정 전자기 복사를 기준으로 시간의 정의를 변경했다. 이후 1997년에는 원자 상태에 대한 조건을 명확히 하기 위해 절대 영도에서 외부 자기장 등의 영향을 받지 않는다는 기준을 추가하여 정의를 보완했다.

2019년 5월 이후, 초(기호 s)는 SI 단위로서 다음과 같이 정의된다.

"초(기호 s)는 시간의 SI 단위이며, 세슘 주파수 Δν_Cs, 즉 세슘-133 원자의 섭동을 받지 않는 바닥 상태(ground state)의 초미세 구조 전이 주파수를 Hz(s⁻¹와 같음) 단위로 나타낼 때, 그 수치를 9,192,631,770으로 고정하여 정의된다."^[25]^[26]

이 정의에서 세슘-133 원자의 특정 전이 주파수는 고정된 상수 값이지만, 실제 구현 과정에서는 원자 간 상호작용 등으로 미세한 오차가 발생할 수 있다. 2004년 시간주파수 자문위원회(CCTF)에서는 세슘 원자를 레이저로 냉각하고 포획할 때 원자 간 충돌로 인해 고유 진동수가 변할 수 있는 문제를 고려하여, 충돌에 의한 주파수 변화가 세슘보다 적은 루비듐 원자가 초의 '2차 표현(secondary representation)'으로 적합하다는 권고안을 채택했다.^[94]

원자 시계로 측정하는 원자시와 지구 자전에 기반한 태양시 사이에는 미세한 차이가 발생하는데, 이를 보정하기 위해 윤초가 사용된다.

3. 1. 광학 시계와 미래의 초 정의

아직 어떤 시간 측정 표준에도 포함되어 있지는 않지만, 가시광선 영역의 주파수를 갖는 광격자 시계가 현재 존재하는 가장 정확한 시간 측정 장치이다. 2010년대에는 가시광선의 붉은 영역에서 430 THz의 주파수를 갖는 스트론튬 시계가 정확도 기록을 보유했다. 이 시계는 150억 년(우주의 추정 나이보다 긴 시간)에 1초 미만의 오차를 발생시키는 정밀도를 가진다. 이러한 시계는 중력 시간 지연으로 인한 속도 변화를 통해 2cm만큼 작은 고도 변화도 측정할 수 있다.^[6]

2022년 기준으로, 1초의 가장 정확한 구현은 IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU-CsFO2 또는 SYRTE-FO2와 같은 세슘 기준 시계를 사용하여 이루어진다. 이 시계들은 자기광학 트랩에서 세슘 원자 구름을 마이크로켈빈까지 레이저 냉각시켜 작동한다. 그 후 차가운 원자를 레이저 광으로 수직 발사하고, 마이크로파 공진기에서 램지 여기(Ramsey excitation)를 거치게 한 뒤, 레이저 빔으로 여기된 원자의 비율을 검출한다. 이러한 시계는 5 × 10⁻¹⁶의 계통적 불확실성을 가지며, 이는 하루 약 50 피코초의 오차에 해당한다. 전 세계 여러 원자 분수 시계 시스템이 국제 원자시(TAI)에 기여하며, 이 세슘 시계들은 광 주파수 측정의 기반이 된다.

광 시계는 이온이나 원자에서 금지된 광학 전이를 기반으로 한다. 이 시계는 약 10¹⁵ Hz의 주파수를 가지며, 일반적인 자연 선폭 Δf는 1 Hz이다. 따라서 Q값은 약 10¹⁵ 이상으로 매우 높다. 이는 마이크로파 시계보다 안정성이 뛰어나 더 낮은 불확실성을 평가하는 데 유리하며, 시계의 틱이 더 빨라 시간 분해능 또한 더 우수하다.^[18] 광 시계는 단일 이온 또는 10⁴에서 10⁶개의 원자를 포함하는 광격자를 사용한다.

리드베리 상수를 기반으로 한 정의도 연구되고 있다. 이는 리드베리 상수 R_∞ = (m_e e⁴) / (8 ε₀² h³ c) = (m_e c α²) / (2h)의 값을 특정 값으로 고정하는 것을 포함한다. 리드베리 상수는 비상대론적 근사 E_n ≈ -(R_∞ c h) / n²를 사용하여 수소 원자의 에너지 준위를 설명한다. 그러나 리드베리 상수를 고정하는 유일한 실행 가능한 방법은 수소를 포획하고 냉각하는 것인데, 수소는 매우 가볍고 원자가 빠르게 움직여 도플러 편이가 발생하기 때문에 어렵다. 수소를 냉각하는 데 필요한 121.5nm 파장의 방사선을 생성하는 것도 기술적 난관이다. 또한 양자 전기역학(QED) 계산, 특히 수소 원자의 1s-2s 전이에서 램 이동의 불확실성을 개선해야 하는 과제도 있다.^[19]

더욱 정밀한 정의를 위해 기존의 마이크로파 기반 정의에서 빛 기반 정의로 변경하는 연구가 진행 중이며, 국제도량형국(BIPM)은 "초의 2차 표현"(초의 새로운 정의 후보)으로 9가지^[70]를 채택하고 있다.^[71] 광격자 시계로는 스트론튬 광격자 시계와 이터븀 광격자 시계^[72] 두 가지가 있다. 이 연구의 발전으로 10⁻¹⁸ 정도의 정밀도를 가진 시계가 실현 단계에 있으며,^[73] 이를 바탕으로 2026년(제28회 국제도량형총회 개최) 또는 2030년(제29회 국제도량형총회 개최)을 목표로 새로운 초의 정의가 채택될 전망이다.^[74]^[75]^[76]^[77]^[78]

초의 재정의를 위해서는 개선된 광시계 신뢰도가 필요하며, BIPM이 재정의를 확정하기 전에 광시계를 통해 국제 원자시(TAI)에 기여해야 한다. 또한, 광섬유 등 신호를 안정적으로 전송하는 방법 개발도 선행되어야 한다.^[19] 정의 채택 조건으로는 다음 다섯 가지가 제시되고 있다.^[77]^[79]

다음은 초의 새로운 정의 채택 조건이다.^[77]^[79]

번호	조건 내용
1	약 10⁻¹⁸의 상대 불확실성을 가진 광시계가 3개 이상 등장할 것.
2	3개 이상의 서로 다른 연구소에서 약 10⁻¹⁸의 상대 불확실성으로 광시계의 동등성을 확인할 수 있을 것.
3	원자분수형 세슘 1차 주파수 표준기와의 비교에서, 3×10⁻¹⁶ 이하의 상대 불확실성으로 주파수를 결정할 수 있을 것.
4	서로 다른 광시계의 주파수 비가 2개 이상의 연구기관에서 5×10⁻¹⁸ 이하의 상대 불확실성으로 측정되고, 이러한 주파수 비 측정 실적이 5개 이상이 될 것.
5	국제 원자시(TAI)에 대한 정기적인 기여가 가능해질 것.

4. 표기

초의 단위 기호는 소문자 로마자 's'이다.^[27] 간혹 'sec' 또는 'sec.'로 표기하는 경우가 있으나, 이는 국제단위계(SI) 및 일본의 계량법에서 인정하지 않는 잘못된 표기이다.^[28]^[29]

5. SI 배수 및 분수

SI 접두어는 배율단위·분량단위로서 초에 붙여 사용할 수 있다.^[83] 1초보다 짧은 시간을 나타낼 때는 밀리초(ms), 마이크로초(μs), 나노초(ns) 등 SI 접두어를 붙인 분량단위가 일반적으로 사용된다. 반면, 초의 배율단위는 규정상 킬로초(ks), 메가초(Ms) 등이 가능하지만, 실제로는 비SI 단위인 분, 시, 일 등 관용적인 단위를 주로 사용하기 때문에 SI 접두어가 붙은 배수 단위는 거의 사용되지 않는다.^[20]

초(s)의 SI 배수
값	SI 기호	이름	값	SI 기호	이름	해당하는 시간
소수배			rowspan="14" \|	배수
10⁻¹ s	ds	데시초	10¹ s	das	데카초	10초
10⁻² s	cs	센티초	10² s	hs	헥토초	1분 40초
10⁻³ s	ms	밀리초	10³ s	ks	킬로초	16분 40초
10⁻⁶ s	μs	마이크로초	10⁶ s	Ms	메가초	1주 4일 13시간 46분 40초
10⁻⁹ s	ns	나노초	10⁹ s	Gs	기가초	약 31.7년
10⁻¹² s	ps	피코초	10¹² s	Ts	테라초	약 31,700년
10⁻¹⁵ s	fs	펨토초	10¹⁵ s	Ps	페타초	약 3170만 년
10⁻¹⁸ s	as	아토초	10¹⁸ s	Es	엑사초	약 317억 년
10⁻²¹ s	zs	젭토초	10²¹ s	Zs	제타초	약 317조 년
10⁻²⁴ s	ys	욕토초	10²⁴ s	Ys	요타초	약 317경 년
10⁻²⁷ s	rs	론토초	10²⁷ s	Rs	로나초	약 317해 년
10⁻³⁰ s	qs	퀘크토초	10³⁰ s	Qs	퀘타초	약 317자 년

'''주:''' 자주 사용되는 단위는 '''굵은 글씨'''로 표시함.

다음 단위들은 국제단위계(SI)와 함께 사용하도록 공식적으로 허용된 비SI 단위이다.^[84]

1 min(분) = 60 s
1 h(시) = 60 min = 3,600 s (= 3.6 ks)
1 d(일) = 24 h = 86,400 s (= 86.4 ks)

참고로, 평균태양일(LOD)은 관측에 의해 결정되며, 단위로서의 일(d)은 정확히 86,400 s를 의미하므로 서로 차이가 있을 수 있다(지구의 자전, 윤초 참조).

다음 단위들은 국제단위계(SI)에서 정의하지 않은 관용 단위이다. 천문학에서는 보통 율리우스년과 율리우스세기를 사용하며, 이는 국제천문연맹의 정의를 따른다.^[85]

주 = 7일 = 604,800 s (= 604.8 ks)
월 = 28일, 29일, 30일 또는 31일 (달력에 따라 다름)
율리우스년 (단위: a) = 365.25일 = 31,557,600 s (= 31.5576 Ms)
율리우스세기 (단위: T) = 100 율리우스년 = 36,525일 = 3,155,760,000 s (= 3.15576 Gs)

초의 분량단위에 대한 설명은 다음과 같다.

분량단위	기호	시간	비고
밀리초	ms	10⁻³초 (1000분의 1초)	음성학에서 음소의 지속 시간을 측정하거나, 일반적인 스톱워치의 최소 단위로 사용된다.
마이크로초	μs	10⁻⁶초 (100만분의 1초)	원자 반응이나 화학 반응처럼 매우 짧은 시간에 일어나는 현상을 측정하는 데 사용된다.
나노초	ns	10⁻⁹초 (10억분의 1초)	일상생활에서는 거의 쓰이지 않지만, 컴퓨터, 통신, 펄스 레이저 등 기술 분야에서 자주 사용된다. 빛은 진공에서 1나노초 동안 정확히 299.792458 mm를 진행한다. 공기(굴절률 n = 1.000292) 중에서는 약 298.9 mm, 물(굴절률 n = 1.33) 속에서는 약 225.4 mm를 진행한다.
피코초	ps	10⁻¹²초 (1조분의 1초)
펨토초	fs	10⁻¹⁵초 (1000조분의 1초)	가시광선 영역의 전자기파는 약 1펨토초 주기로 진동한다.
아토초	as	10⁻¹⁸초 (100경분의 1초)	현재 측정 가능한 가장 짧은 시간 단위 중 하나이다(2004년 기준 100아토초^[86]).
젭토초	zs	10⁻²¹초 (10해분의 1초)
욕토초	ys	10⁻²⁴초 (1자분의 1초)
론토초	rs	10⁻²⁷초 (1000자분의 1초)
퀘크토초	qs	10⁻³⁰초 (100양분의 1초)

6. 시간 표준

전 세계의 원자 시계 집합은 합의를 통해 시간을 유지한다. 여러 원자시계의 측정값을 평균하여 국제원자시(TAI, Temps Atomique International^프랑스어)라는 통일된 시간 척도를 결정한다. TAI는 원자적인 과정에 기반한 매우 안정적이고 연속적인 시간 척도로, 세슘 원자의 특정 전이 주파수를 기준으로 정의된 '원자초'를 사용한다.^[5]

일상생활에서 사용되는 민간 시간은 지구의 자전과 어느 정도 일치하도록 정의된다. 이러한 시간 측정의 국제 표준은 협정 세계시(UTC, Coordinated Universal Time^영어)이다. UTC는 TAI와 동일한 원자초 간격을 사용하지만, 지구 자전 속도의 불규칙한 변화를 보정하기 위해 필요에 따라 윤초를 삽입하거나 생략한다. 이는 UTC가 태양의 위치를 기준으로 하는 시간(즉, 정오 무렵 태양이 정중하는 시간)과 크게 벗어나지 않도록 하기 위함이다.^[5]

초의 간격이 원자초와 정확히 같지 않은 시간 척도로는 세계시의 한 형태인 UT1이 있다. UT1은 태양에 대한 지구 자전의 실제 각도를 기반으로 정의되며, 윤초 보정을 하지 않는다.^[5] UT1과 UTC의 차이는 항상 0.9초 미만으로 유지되도록 관리된다.

국제원자시(TAI)는 1958년 1월 1일 0시 세계시(UT)에 맞춰 시작되었다.^[87] 그러나 지구 자전 속도는 일정하지 않기 때문에, 지구 자전을 기준으로 하는 세계시(UT1)는 시간이 지남에 따라 국제원자시(TAI)와 차이가 벌어진다.^[88]

현재의 협정 세계시(UTC) 체계는 1972년부터 시행되었다. 이전(1961년~1971년)에는 표준 주파수의 오프셋 조정과 시간 단계 조정을 통해 세계시 UT2에 근사시키는 방식(구 협정 세계시)을 사용했으나, 1972년부터는 이러한 복잡한 조정 방식을 폐지했다. 대신 UTC와 TAI의 차이가 항상 정수 초가 되도록 유지하며, UTC와 UT1의 차이가 0.9초를 넘지 않도록 윤초를 삽입(또는 이론적으로는 삭제)하는 방식으로 변경되었다. 이 변경에 따라 1972년 1월 1일 0시를 기점으로 UTC는 TAI보다 정확히 10초 뒤처지도록 특별 조정되었다.

1972년 이후 윤초 조정은 모두 1초를 추가하는 방식이었으며, 2017년까지 총 27회의 윤초가 실시되었다. 따라서 1972년의 초기 차이 10초에 27초가 더해져, 2017년 기준으로 UTC는 TAI보다 총 37초 느리다.^[87]

7. 윤초

원자시계로 정의된 국제원자시(TAI)와 지구 자전을 기준으로 하는 세계시(UT1) 사이에는 지구 자전 속도의 불규칙성 때문에 시간이 지남에 따라 차이가 발생한다.^[88] 일상생활에서 널리 사용되는 협정세계시(UTC)는 이러한 차이를 보정하기 위해 도입된 윤초 시스템을 사용한다.

협정세계시(UTC)는 1972년 이후 국제원자시(TAI)와 동일한 초의 길이(속도)를 사용하지만, 세계시 UT1과의 차이가 0.9초를 넘지 않도록 인위적인 윤초를 삽입하거나 삭제하여 조정한다.^[87] 이는 정오 무렵 태양이 정중에 오도록 시간을 설정하여 일상생활의 시간과 거의 일치시키기 위함이다.

1972년 1월 1일 0시를 기점으로, UTC와 TAI의 차이가 정확히 10초가 되도록 특별 조정이 이루어졌다 (UTC가 TAI보다 10초 느림).^[87] 이후 UTC와 TAI의 시간 차이를 조정하는 방식은 필요에 따라 윤초 1초를 더하거나 빼는 방식으로 변경되었다.

1972년 이후 시행된 윤초 조정은 모두 1초를 추가하는 방식이었으며, 2017년까지 총 27회 실시되었다. 따라서 1972년의 초기 조정값 10초를 포함하여, 2017년 기준으로 UTC는 TAI보다 총 37초 느리다.^[87]

참조

_[1] 웹사이트 SI Brochure (2019) https://www.bipm.org[...] BIPM 2019-05-23
_[2] 논문 When should we change the definition of the second? 2011-10-28
_[3] 웹사이트 second {{!}} Etymology of second by etymonline https://www.etymonli[...] 2024-10-04
_[4] 웹사이트 mathematics – Ancient mathematical sources https://www.britanni[...] 2021-09-20
_[5] 서적 Time: From Earth Rotation to Atomic Physics Wiley 2009
_[6] 뉴스 The most accurate clock ever built only loses one second every 15 billion years https://www.theverge[...] 2015-04-22
_[7] 서적 The chronology of ancient nations https://books.google[...] 2016-02-23
_[8] 서적 The Opus Majus of Roger Bacon University of Pennsylvania Press
_[9] 서적 Revolution in Time Harvard University Press
_[10] 서적 Clocks & watches https://archive.org/[...] Dial Press
_[11] 서적 Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Western Cultures https://books.google[...] Springer Science & Business Media 1997-07-31
_[12] 서적 Reports of the committee on electrical standards https://books.google[...] British Association for the Advancement of Science
_[13] 웹사이트 Leap Seconds http://tycho.usno.na[...] Time Service Department, United States Naval Observatory
_[14] 간행물 Explanatory Supplement to the Astronomical Ephemeris and the American Ephemeris and Nautical Almanac https://archive.org/[...]
_[15] 웹사이트 SI Brochure (2006) https://www.bipm.org[...] BIPM 2019-05-23
_[16] 서적 Time: From Earth Rotation to Atomic Physics Wiley
_[17] 문서 Draft resolutions https://www.bipm.org[...] 2022-11-01
_[18] 논문 When should we change the definition of the second? 2011
_[19] 논문 When should we change the definition of the second? 2011-10-28
_[20] 웹사이트 Recommendations Concerning Units http://www.iau.org/U[...] 2007-02-18
_[21] 웹사이트 計測工学 ‐第1回（測定と単位系）‐pp. 1–2‐平成20年4月10日 http://www.ube-k.ac.[...] 宇部工業高等専門学校 2010-11-13
_[22] 문서 length of day
_[23] 서적 Splitting the second: the story of atomic time https://books.google[...] Institute of Physics Pub 2000
_[24] 문서 和田 (2002)、第2章長さ、時間、質量の単位の歴史、pp. 34–35、3.時間の単位：地球から原子へ
_[25] 문서 国際単位系（SI）第 9 版（2019） https://unit.aist.go[...] 2020-03-01
_[26] 문서 国際単位系における正式の言語はフランス語である。ここでの定義は英語及びこれを日本語に翻訳したものである。正式な本文の確認が必要な場合又は文章の解釈に疑義がある場合はフランス語版を確認する必要がある。
_[27] 웹사이트 計量単位規則（平成四年通商産業省令第八十号）別表第二（第２条関係）時間、「秒」の欄 https://laws.e-gov.g[...] 2019-12-23
_[28] 문서 国際単位系（SI）は世界共通のルールです（PDF） https://unit.aist.go[...]
_[29] 문서 国際単位系（SI）第9版（2019）日本語版 https://unit.aist.go[...]
_[30] 웹사이트 維基文庫「孫子算經」 http://zh.wikisource[...]
_[31] 문서 西條 (2009)、3講.秒 pp. 23–24、3.時間測定の始まり
_[32] 서적 Ptolemey's Almagest プリンストン大学出版局 1998
_[33] 논문 The astronomy of Maimonides and its sources 1949
_[34] 서적 A history of ancient mathematical astronomy シュプリンガー・サイエンス・アンド・ビジネス・メディア 1975
_[35] 서적 The chronology of ancient nations: an English version of the Arabic text of the Athâr-ul-Bâkiya of Albîrûnî, or "Vestiges of the Past" https://books.google[...] 1879
_[36] 서적 The Opus Majus of Roger Bacon ペンシルベニア大学出版局 2000-01-01
_[37] 문서 西條 (2009)、3講.秒 pp. 24–26、4.「秒」の起源と制定‐天文時から原子時へ‐
_[38] 문서 Fremersdorf collection
_[39] 문서 Landes (1983), pp. 417–418.
_[40] 서적 Clocks & watches Dial Press 1975-01-01
_[41] 웹사이트 Taqi al-Din https://books.google[...]
_[42] 웹사이트 The astronomical clock of Taqi al-Din: Virtual reconstruction http://muslimheritag[...]
_[43] 문서 Landes (1983), p105
_[44] 문서 Landes (1983), p104
_[45] 학술지 The Long Case Clock: The Science and Engineering that Goes Into a Grandfather Clock http://illumin.usc.e[...] 2002-01-01
_[46] 간행물 計量法（公布時）（昭和26年法律第207号） https://www.shugiin.[...] 1951-06-07
_[47] 웹사이트 リーフラー天文時計 https://www.kahaku.g[...] 国立科学博物館 2008-01-01
_[48] 학술지 昭和26年の東京天文台見学の栞 https://prc.nao.ac.j[...] 国立天文台 2009-01-28
_[49] 웹사이트 1秒の定義 http://www2.nict.go.[...] 独立行政法人情報通信研究機構
_[50] 웹사이트 宇宙・天文まめ知識地球の自転速度は一定か? http://rikanet2.jst.[...] 財団法人科学技術振興機構
_[51] 웹사이트 単位、秒 http://www.math.kobe[...] 神戸大学理学部数学科
_[52] 웹사이트 Excess of the LOD 過去の約1年間のLODの揺れ http://hpiers.obspm.[...]
_[53] 웹사이트 スマトラ沖地震と地球 http://www.sci.hokud[...] 北海道大学理学研究科・地球惑星科学専攻・宇宙測地学研究室
_[54] 웹사이트 計量法の一部を改正する法律（昭和33年法律第61号） https://www.shugiin.[...] 衆議院 1958-04-15
_[55] 학술지 保時と報時 https://www.asj.or.j[...] 日本天文学会 1955-05-01
_[56] 웹사이트 Leap Seconds http://tycho.usno.na[...] Time Service Department, アメリカ海軍天文台
_[57] 웹사이트 基礎物理学 2007年度 http://www.rist.kind[...] 近畿大学理工学総合研究所
_[58] 웹사이트 タイムスタンプ局に対するUTCトレーサビリティ保証のTA技術要件に関する検討中間報告 http://www.dekyo.or.[...] TA認定基準の国際整合化に向けた検討WG 財団法人日本データ通信境界
_[59] 서적 量子の鼓動：原子時計の原理と応用 https://books.google[...] シュプリンガー・ジャパン 2006-01-01
_[60] 학술지 Frequency of cesium in terms of ephemeris time http://www.leapsecon[...] 1958-01-01
_[61] 웹사이트 How does one arrive at the exact number of cycles of radiation a cesium-133 atom makes in order to define one second? (The Story of Atomic Time) http://www.scientifi[...] Scientific American 2002-12-16
_[62] 웹사이트 Final Answers Measurements & Units http://www.numerican[...] numericana.com
_[63] 학술지 秒の定義に関する諮問委員会 https://doi.org/10.1[...] 計測自動制御学会 1958-01-01
_[64] 학술지 日本測地学会20周年紀念特別講演時と測地―測地衛星と月レーザ観測のすすめ― 日本測地学会 1974-01-01
_[65] 웹사이트 1秒の定義 http://www2.nict.go.[...] NICT 情報通信研究機構
_[66] 웹사이트 計量法の一部を改正する法律（昭和47年法律第27号） https://www.shugiin.[...] 衆議院 1972-05-09
_[67] 웹사이트 時間 http://www.nmij.jp/l[...] 独立行政法人産業技術総合研究所計量標準総合センター
_[68] 학술지 日本の時間・周波数標準制度の変遷 (時間・周波数標準特集) -- (時間・周波数標準の基礎) https://www.nict.go.[...] 通信総合研究所 2003-03-01
_[69] 웹사이트 標準時・周波数標準のQ&A 周波数と時刻に関するQ&A - Q 時間の国家標準 https://jjy.nict.go.[...] 情報通信研究機構 2005-01-01
_[70] 보고서 光格子時計の研究開発状況と応用に関する調査研究 https://www.nmij.jp/[...] 産総研計量標準報告 2018-06-01
_[71] 서적 단위는 진화한다 궁극의 정도를 목표로 하여 株式会社化学同人 2018-08-20
_[72] 뉴스 이테르븀 광격자 시계가 새로운 초의 정의의 후보에 https://www.aist.go.[...] 산업기술종합연구소 2012-11-01
_[73] 간행물 광격자 시계의 연구개발 상황과 응용에 관한 조사연구 https://www.nmij.jp/[...] 산업기술종합연구소 2018-06
_[74] 간행물 시간의 단위 「초」에 관한 기초해설과 최신동향 https://unit.aist.go[...] 산업기술종합연구소 2019-02
_[75] 서적 단위는 진화한다 궁극의 정도를 목표로 하여 株式会社化学同人 2018-08-20
_[76] 뉴스 장기간 운전 가능한 이테르븀 광격자 시계의 개발 https://www.aist.go.[...] 산업기술종합연구소 2018-09-21
_[77] 논문 단위 자문 위원회(CCU) 보고 https://doi.org/10.1[...] 2016
_[78] 논문 The revision of the SI—the result of three decades of progress in metrology https://iopscience.i[...] 2019-02-22
_[79] 간행물 시간의 단위 「초」에 관한 기초해설과 최신동향 https://unit.aist.go[...] 산업기술종합연구소 2019-02
_[80] 논문 초의 정의의 지금까지와 앞으로-단위의 정의 변천에서 보이는 것- https://doi.org/10.1[...] 2008
_[81] 웹사이트 자세한 이야기로 죄송하지만 http://photon.c.u-to[...] 도쿄대학 대학원 종합문화연구과 2010-11-13
_[82] 웹사이트 Draft Resolutions – 27th meeting of the CGPM https://www.bipm.org[...] 2021-12
_[83] 간행물 국제단위계(SI) 제9판(2019) 일본어판 https://unit.aist.go[...] 산업기술종합연구소, 계량표준종합센터 2020-04
_[84] 간행물 국제단위계(SI) 제9판(2019) 일본어판 https://unit.aist.go[...] 산업기술종합연구소, 계량표준종합센터 2020-04
_[85] 웹사이트 Table 5. Non-SI units that are recognised for use in astronomy. http://www.iau.org/s[...] 국제천문연맹
_[86] 뉴스 Shortest time interval measured http://news.bbc.co.u[...] 영국방송협회
_[87] 웹사이트 연구업무내용・표준시 국제원자시・협정세계시와 윤초 https://jjy.nict.go.[...] 독립행정법인 정보통신연구기구 일본표준시 프로젝트 2010-11-13
_[88] 웹사이트 국제원자시・협정세계시와 윤초 https://jjy.nict.go.[...] 독립행정법인 정보통신연구기구 일본표준시 프로젝트
_[89] 논문 시각의 기준과 비교 https://doi.org/10.1[...] 1992-06-10
_[90] 논문 초의 정의의 문제 (I) https://doi.org/10.2[...] 1967-12-10
_[91] 웹사이트 CJK Compatibility https://www.unicode.[...] 2015
_[92] 웹사이트 The Unicode Standard, Version 8.0.0 http://www.unicode.o[...] The Unicode Consortium 2015
_[93] 웹사이트 원자시계 한국 표준과학연구원 http://www.kriss.re.[...]
_[94] 웹사이트 시간의 단위 “초”의 새로운 표현 http://www.kps.or.kr[...]

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