시계 발달의 역사

   지구는 태양 주위를 돌고, 달은 지구 주위를 돈다. 지구는 또 지구축을 중심으로 스스로 돈다. 이런 운동은 지구상에 있는 대부분의 지점에서 쉽게 관측할 수 있다. 옛날 사람들은 이런 천체의 운동에 대해서 잘 알지 못했거나 잘못 알고 있었음에도 불구하고 천체를 관측하면 시간을 정하는데 유용하다는 것을 알았었다.
   이런 천체의 운동은 아주 오랜 세월 동안 반복되어 발생했기 때문에 천체 관측자들은 계절의 변화, 일식, 월식 등과 같은 천체 현상을 미리 알 수 있게 되었고, 그것도 아주 정확하게 예측할 수 있었다.
   지구가 지구 축을 중심으로 자전하지만 우리는 그 운동 중 일부만을 볼 수 있다. 즉, 해가 지평선에서 떠올랐다가 지평선으로 지는 것만 관측할 수 있다. 따라서 해시계는 낮 시간 동안에만 동작한다. 추시계의 발명은 시계의 역사에서 큰 전기를 마련하였다. 추시계의 정확도는 그 이전에 있었던 많은 시계들 - 물시계, 모래시계, 촛불시계 등 - 보다 월등히 우수하였다. 추시계는 그런 시계들이 잴 수 있는 시간간격 보다도 더 잘게 시간을 쪼개어 잴 수 있었는데, 대략 일초 단위까지 가능하였다. 이것은 그 이전과 비교하면 엄청난 발전이었다.
   추가 규칙적으로 흔들리도록 하는 것은 추시계에서 제일 중요한 문제인데, 이것은 cog wheel과 escapement를 사용함으로써 해결되었다. 이것의 역할은 마치 그네를 타고 있는 어린이를 뒤에서 살짝 밀어줌으로써 그네가 지속적으로 흔들리는 것과 마찬가지로 추가 흔들릴 때마다 밀어주는 역할을 한다. 추를 흔드는 동력은 추시계의 체인 줄에 매달린 무게로부터 나오는데, 이런 종류의 동력은 옛날 뻐꾸기 시계에서 많이 사용하였다.
   감겨진 스프링이 시계를 가게 하는 동력으로 사용되기도 하였다. 단, 스프링이 꽉 조여졌을 때나 느슨해졌을 때에도 동력은 항상 일정하게 나와야 하는 것이 관건이었다. 이 문제는 fusee라는 복잡한 메카니즘을 사용하여 해결할 수 있었다. 이것은 발명된지 얼마 되지 않아서 한 단계 더 발전된 형태인 스프링과 밸런스휠로 바뀌었다. 이 시스템은 시계바늘을 돌리는 작은 톱니바퀴들과 직접 연결되기 때문에 추가 필요 없게 되었다. 추의 흔들림에 해당하는 부분이 시계 내부로 들어감으로써 시계는 아주 작게 만들 수 있게 되었고, 가지고 다니는 것도 가능해졌다.  
   그러나 이런 기계적인 시계로 잴 수 있는 시간보다 더 정밀한 측정이 필요하다는 것을 간파한 과학자들은 사람이 셀 수 있는 진동수 보다 훨씬 더 빨리 진동하는 물체들을 찾기 시작하였다. 예를 들면, 소리굽쇠는 1초에 440번 진동하는데, 이 진동수는 음악에서 계명 "라"음에 해당한다. 옛날 손목시계 중에는 시계 내부에 작은 소리굽쇠가 들어있는 것이 있었다. 이 소리굽쇠는 배터리에서 오는 전기적인 충격에 의해 진동을 일으키는데 일초에 360번 진동한다.
   교류전기는 일반적으로 초당 60번 진동한다. 이 주파수를 이용하여 만든 시계가 전기시계인데, 동력뿐만 아니라 진동수도 전기에서 공급받는다. 그러나 더 정밀하게 시간을 재는 것이 필요한 사람들에게는 이 전기시계는 마치 향수를 파는 상인에게 1 리터 계량컵을 주는 것과 마찬가지로 아무 쓸모 없는 것이었다. 이 사람들에게는 1초를 훨씬 더 잘게 쪼개어 재는 것이 필요하였다. 실제로 전력회사에서도 60 Hz 전기를 생산하기 위해서는 1/60 초보다 더 짧은 시간을 잴 수 있어야만 했다.
   오늘날, 전력회사, 전화회사, 방송국을 비롯한 많은 사람들은 수정 발진자에서 나오는 진동을 이용한 시계를 가지고 있다. 수정 발진자는 전기로 활성화되어 초당 백만번 (MHz) 정도 진동한다. 그 진동수는 수정의 두께에 따라 달라지는데, 얇아질수록 진동수는 많아진다. 일반적으로 2.5 MHz, 5 MHz의 수정 발진자가 많다.
   믿어지지 않겠지만 이 보다 더 빠른 진동을 일으키는 것도 있다. 원자가 바로 그것이다. 화학의 주기율표에 나오는 원소들의 특성 중에는 원자가 진동하는 수, 다른 말로 하면, 원자가 공명을 일으키는 진동수가 있다.  예를 들면, 수소원자는 초당 1,420,405,752 번 진동한다. 루비듐 원자의 공명 진동수는 6,834,682,608 Hz 이고, 세슘 원자는 9,192,631,770 Hz이다. 이 원자들은 원자시계를 만드는데 가장 많이 사용되는 것들이다.
   자연에 존재하는 모든 것은 진동한다. 일정하게 진동하는 것은 모두 시간을 재는데 사용될 수 있다. 자연은 시계다.
(정리: 이호성, 1999.11.1.)