우리는 1킬로그램이 얼마의 무게인지 어떻게 아는걸까?

이 실리콘 구체는 세상에서 가장 완벽하고 매끈한 구체야

너무 둥글어서 굉장히 미끄럽고 이걸 찍는 카메라가 표면에 그대로 비춰지는데

이 구체를 제작하는데에는 약 백만유로, 한화로 약 12억이 들었어

얼마나 둥근 구체냐면 만약 저게 지구였다면 가장 낮은 지점과 가장 높은 지점의 높이 차이가 14m야

지구 반지름이 약 6317km인데 

높이차이가 0.000002%인 셈

이 구체 두개가 충돌하면 정말로 그 충돌 면적이 실리콘 원자 하나의 표면적이야.

왜 12억이나 들여가면서 가장 둥근 구체를 만든 것일까?

사실 이 구체는 단순 관상용이나 기술 시범용이 아니고

상당히 복잡한 배경이 있어.

고대 이집트에는 큐빗이라는 단위를 길이를 재는데에 사용했어.

근데 이 1 큐빗의 기준이 죶같았던게 집권중인 파라오의 팔길이를 1 큐빗으로 정했어.

1큐빗이 얼마나 긴 건지는 왕조에 따라 바뀌었지

우리 일상속에서 언제나 사용하는 단위인 킬로그램

그런데 1킬로그램이 정확히 얼마인지는 도대체 누가 정한거고

뭘 근거로 정했기에 1킬로그램은 세월이 지나도 언제나 그대로 정확히 1킬로그램이 있는걸까?

한창 산업혁명이 일어나고 과학 공업이 발전하던 18세기 유럽에서는

과학 발전을 위해 국가간 과학 교류를 하고 학회도 열고 그랬는데

나라마다 도량형이 달라서 논문 토론하기 전에 도량형 계산을 먼저 했어야 했었어

그래서 물리학에서 유명한 앙투안 라부아지에 아재가 도량형을 통일하고자

국제 단위계 (SI단위)라는 것을 개발해냈는데

그 중 물건의 무게를 나타나는 단위를 처음으로 프랑스식 단위 '그라브(Grave)' 로 통일하자고 하였어.

그러면서 정확하게 1 그라브는  0도에서 0.1 세제곱미터의 물의 무게라고 정하였어.

다른말로는 1리터의 물이 1 그라브 라는거지.

하지만 타이밍이 굉장히 안좋았어

이때 프랑스 혁명이 발생했고

귀족들 머가리가 싹다 잘려나갔지

그라브:Grave 라는 단어는 라틴어 Gravitas:중력 에서 온 단어이지만

프랑스 시민들이 보기에는 프랑스 귀족을 의미하는 그라브:Graf 라는 단어와 매우 흡사했고...

평등 정신에 깃든 군중은 중력이라는 무게 단위에 귀족스러운 이름을 주면 안된다면서 이름을 바꿔야 한다 했지

공교롭게도 이때 라부아지에는 혁명에 휘말려 단두대에 처형을 당하고 말아.

물론 단위 이름이 귀족스럽다는 똥같은 이유는 아니지만

귀족으로서 세금징수를 하고 다녔기 때문에...

어찌되었던간에

혁명이후에 세워진 프랑스 공화국은 '그라브' 단위가 너무 크다고 생각해서

그 1000분의 1에 해당하는 '그램:gramme' 단위를 만들어 냈어.

그런데 곧 다시 1 그램 단위는 너무 작다는것을 깨닫고

그라브 단위를 다시 쓸려고 하는데

앞서 말했다시피 혁명정부는 불평등한 귀족 느낌의 이름을 가진 단위는 쓸 수가 없잖아?

그래서 1000개의 그램을 의미하는 '킬로그램' 단위가 등장하게 된거야.

(킬로 = 1천)

이런 해프닝 때문에

6개의 국제 단위중에서 키로그램만 '킬로' 라는 규격 명사를 가지게 되었지.

다른 단위는 미터, 초, 암페어 등 고유명사인데 말이야.

그런 해프닝을 뒤로하고 1799년 국제 학회는

킬로그램 단위를 더 정확하게 측정하기 위해

1 킬로그램을 섭씨 4도에서 1리터의 물의 무게 라고 다시 정의하였어.

왜냐하면 4도에서 물 분자가 가장 밀집한 것으로 관찰되었기 때문이야.

그런데 게이들도 알듯이

물이란게 썩 안정적인 물건은 아니야.

가만히 냅둬도 알아서 증발해버리고

물 분자사이사이에 공간도 많고 그래서 물을 기반으로 1kg을 정의하면 파라오의 팔꿈치에 따라 1 큐빗 단위가 바뀌듯

결국 언젠가는 1kg 단위도 바뀔거란 말이야.

그래서 곧 학회는 '킬로그램' 이라는 물건을 만들었어.

이 쇳덩이는 백금으로 만들어지고 4도에서 1리터의 물과 같은 무게를 가졌지.

그리고 이제부터 1 킬로그램은 더 이상 물의 부피같은걸로 계산되는게 아니고 이 쇳덩이 그 자체가 되었어.

이 쇳덩이의 무게가 곧 전 세계에서 사용하는 1 킬로그램의 지표인거야.

1889년에 이 '킬로그램'은 훨씬 더 안정적인 백금-이리듐 합금 실린더로 제작되었고

"국제 프로토타입 킬로그램" 이란 이름을 받았지

그리고 2017년 지금까지도 이 쇳덩이가 우리 일상에 쓰는 1kg을 정의하고 있어.

이 '킬로그램'은 3개의 진공관 속에 포장되고

다른 6개의 킬로그램들과 함께

기온 조절이된 3중 보안의 금고 안에 보관되어

https://tools.wmflabs.org/geohack/geohack.php?pagename=International_Bureau_of_Weights_and_Measures¶ms=48_49_45.55_N_2_13_12.64_E_

프랑스 파리 외곽의 국제 도량형국 지하에 보관되어있지

만약에 일게이 하나가 이 금고를 털고 들어가서 기온을 조금이라도 바꾸면

전 세계의 1kg단위가 바껴버리는거야.

근데 만약에 이렇게 철저히 관리된 킬로그램들의 질량이 100년 넘게 지난 지금 변해있다면?

이 '킬로그램'들은 40개의 복제품이 제작되어 전 세계로 보내졌고

똑같이 관리되었어.

물론 각각의 '킬로그램'마다 오차는 있었지만 그 오차마저도 철저히 기록되었지.

'그런데 말입니다...'

1948년에 이 40개의 복제품을 다시 프랑스로 불러와서

무게를 다시 재보니까 아니 씨발 진짜로 무게가 달라진거야

마이크로그램 규모의 차이지만 1948년과 1990년에 측정했을때

분명 이 킬로그램들은 무게가 불규칙하게 바뀌어 있었어.

최대 50 마이크로 그램의 차이가 나는데

이건 지문 한점보다 안되는 차이이긴 해.

물론 실제 측정 전에 굉장히 정밀한 세척작업이 이루어졌기 때문에

100년 사이에 어떤 일게이가 진짜 저 킬로그램들을 만져서 차이가 나는건 아니야.

결국 진짜로 킬로그램들의 상태 자체가 바뀌었다는 것이었고

백금-이리듐 합금도 불안정하다는걸 알게 되었어.

그럼 이건 파라오의 큐빗으로 돌아가는거잖아.

국제 규격단위가 시간에 따라 중량이 바뀐다고?

게다가 7개의 국제 단위중

mol

candela

ampere

kilogram 

총 4개가 이 '킬로그램' 쇳덩이의 무게에 의존하기 때문에

이는 학계에서 정말 큰 문제가 되었어.

거기다가 다른 수십가지의 KG기반 단위들 쥴J 뉴턴N 파스칼Pa 등등 까지 하면... 

심지어는

막장 라이베리아

똥송 미얀마

..

그리고

갓조국!

얘네들은 모두가 Kg를 쓸 때 똘추소리 들으면서 파운드를 쓴 나라들이야

그래서 Kg의 단위가 변화한다는 소리를 듣고 공중제비를 돌려고...했지만

최근에 이놈들도 1 파운드를 정확히 

0.453 592 37 Kg 로 정의하게 되면서 이 문제를 피할 수 없게 되었어

근본적인 문제는 1kg의 정의를 자연 변화의 영향을 받는 실체적인 물건에 의존한다는 것이었어

그래서 만들어진게 이 12억짜리 실리콘 구체야

구체의 표면적과 부피를 구하는데 필요한건 반지름의 길이 뿐이야.

그 '길이'만 알면 이론적으로 이 구체를 얼마든지 재구현 할 수 있지

그렇기 때문에 이 구체가 12억을 들일 정도로 정밀하게 둥근 모양이어야 했어

레이져를 이용하여 정확한 지름을 알아내면

그 부피를 구할 수 있고

실리콘의 부피당 원자 갯수는 정확하게 알려져있기 때문에

이 구체가 몇개의 실리콘 원자로 구성되어있는지까지도 계산이 가능해

여기서 12g의 탄소를 구성하는 원자의 수를 '아보가드로 상수'라고 하는데

현재 아보가드로 상수는 kg단위를 기반으로 정의되어있어

하지만 실리콘 구체의 원자 숫자로 이 아보가드로 상수를 다시 정의해버리면

그걸 통해서 다시 정확하게 탄소 12g의 무게를 계산 할 수 있어.

따라서 무게의 단위가 더 이상 실체하는 물건에 의지하지 않고

이론적인 완벽한 실리콘 구체에 있는 실리콘 원자의 수로 계산될 수 있게되.

앞서 나온 국제 프로토타입 킬로그램 덩어리들과는 달리, 실존하는 구체가 사라지거나 손상되어도 

계산될 수 있고, 그 결과가 시간에 따라 바뀌지도 않아.

그래서 정확하게 1kg은

2.15 x 10²⁵ 개의 실리콘-28 원자의 무게로 정의 할 수 있어.

그리고 그 계산의 시작은 '길이' 단위로 시작하지

아직까지는 1kg은 국제 프로토타입 킬로그램 쇳덩이들로 정의되어있어.

실리콘 구체를 사용하는 방식이

물리학에서 핵심 개념으로 사용되는 아보가드로 상수를 건드리는 일이기 때문에

현재는 적용되지 않고 조심스럽게 연구가 진행되고있어.

2018년 정도에는 실현이 될 가능성이 높다는 소식이 있는데

시간이 걸릴 뿐 언젠가는 될 일이야. 

실현될 경우 kg단위의 정의를 오차없이 정확하게 내릴 수 있게된다!