국제표준원기 및 단위의 역사와 유래

[정종태]

1.도량형및 단위의 역사및 유래

국제단위계의 역사를 살펴 봄에 있어서 우선 수를 나타내는 기호의 체계 및 규칙들을 살펴 볼 필요가 있다.

왜냐하면 이들이 모두 합쳐서 고도로 발달된 단위계를 형성하는 요소가 되며 또한 현대의 정확한 측정에 근거한 과학에서 중심 역할을 하기 때문이다.

초기 이집트의 계량체계에서(주로 길이, 넓이, 부피에 관한 것이었지만) 이미, 수를 세는데 십진법이 사용되었고,

1, 10, 100, 1000을 나타내는 별개의 기호들이 있었다. 비록 체계적은 아니었지만, 십진법이 기본량의 배량을 나타내는 데도 사용되었다.

즉 길이의 기본단위는"meh" 또는 큐빗이었고, "khet"은 100큐빗과 같았다. 넓이의 단위"sethat"은 평방 khet와 같은 것 등이다. 그러나 큐빗의 분량은(십진법의) 소수를 사용하지 않았다. 예로서, "shesap"과 "djeba"는 각각 큐빗의 1/6과 1/24에 해당하는 것이었다.  

수메르 사람과 바빌로니아 사람이60진법을 사용한 사실은 잘 알려져 있다. 실제 60진법은 여러가지 장점을 가지고 있는데 그 이유는 60이 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12 등으로 쉽게 나뉘어지기 때문이다. 초기 메소포타미아 문명시대에 발달되었던 천문학과 시간 측정기술은 추후에 과학의 발달에 큰 영향을 주었고 그 결과 60진법의 주요한 특성이 서양 문명 속에 흡수되었다.

우리는 아직도1시간을 60분으로, 1분을 60초로 나누고 있으며, 이 단위들이 전 세계에 너무나 널리 사용되고 있으므로 버릴수가 없어서 현재 국제단위계와 함께 사용되게 된 것이다.

아주 중요한 획기적인 발전이 수메르 사람의 설형문자로 된 기록에서 발견되는데, 60을 나타내는 기호와 1을 나타내는 기호가 같고 다만 위치에 따라서 그 값이 정해졌다는 점이다. 이와 같이 수메르 사람이 수를 기입하는데에 숫자 자리표기법을 사실상 도입한 셈이다. 이것은 이집트 사람과 대조를 이루는 것으로 이집트 사람은 큰 수를 나타내기 위하여 1,10, 100 등의 기호를 필요한 만큼 반복해서 기입하였다.

숫자 자리표기법의 발명이 수치 계산을 단순화하는데 지극히 중요한 것은 잘 알려졌지만 이집트의 십진법과 숫자 자리표기법이 결합되기 까지는 퍽 긴 시간이 필요했다. 이를 위하여 필요한 것은 1에서 9까지와 영(zero)을 나타내기 위한 기호들인데 이것들이 1세기(AD)경 인도에서 도입되었다.

이 인도 기호로부터 아라비아 숫자가 시작된 것이고, 여기서 오늘날의 숫자가 유래된 것이다. 인도 숫자로 십진법 자리표기법을 실제로 사용한 가장 오래된 기록은 AD 600년경으로 믿어지며 그후 200∼300년 후에 영(Zero)이 사용되기 시작한 것 같다.

초기 유럽사회 도량형제도의 대부분은 사실 로마 사람으로부터 물려받은 것이다. 이 도량형은 길이와 무게의 기본단위들인"pes"(또는 피트)와 "libra"(또는 파운드)에 기초를 둔 것이다. 용적의 단위인"amphora"는 1입방 pes와 같았다.

그러나 토지의 측정에 평방pes는 너무 작아서 로마 사람은 "jugerum"을 사용하였다.  1 jugerum은 한 변이 120pedes 인 정사각형의 2배의 넓이였다. 이에 추가하여 이 단위들의 분량과 배량을 나타내는 많은 단위가 도입되었는데 십진법이 세계적으로 사용되지는 않았다.

로마 도량형의 많은 부분이 서유럽 문명에 계승되었지만 서로마제국의 멸망 후 봉건제도의 사회가 발달되면서 지방마다 풍습이 다르고 도량형도 다양해 짐에 따라 많은 혼돈의 원인이 되기 시작하였다.

칼 대제(Charlemagne, 742∼814)는 789년에 이미 자기 통치 하에 있는 모든 나라에 계량 통일에 관한 법령을 공포하였지만 이러한 시도는 칼 제국과 함께 사라졌다.

프랑스에서는 15세기 말경에 질량의 표준인"Pile de Charlemagne"로 "Livre poids dumarc"(490g, 프랑스 파운드)를 정의하였고, 약 1670년 경에 길이의 표준인 "Toise du Chatelet"이 도입되었는데, 이 길이의 1/6로서 "pied du Roi"(32.5cm, 프랑스 피트)를 정의하였다.

영국에서는 엘리자베스1세가 16세기 말에 "avoir du poids"(452g, 영국 파운드)를 도입하여 16온스로 나누었고, 야드를 3피트(30.5cm)로, 1피트가 12인치가 되도록 하였다. 그러나 도량형을 통일하려는 이러한 귀중한 노력에도 불구하고 혼돈이 계속되기만 하였다.

미터법의 기원

실험과학이 현대적 면모를 갖추게 된17, 18세기에 과학자들은 그들의 실험결과를 나타내는데 이 도량형을 사용하지 않을 수 없었기 때문에 당시 도량형에 존재했던 무질서와 불확실성에 관해서 걱정하지 않을 수 없었다. 1742년 수명의 과학자들이 소위 "파리 계량표준"과 당시 영국에서 사용되던 표준을 면밀히 비교하였는데 그 결과는 프랑스의 "Pied"와 "livre"가 영국의 "foot"와 "pound"보다 각각 6%와 8%씩 더 큰 것이 발견되었다.

과학자들은 세계 모든 나라가 같이 사용할 측정 체계의 기본이 될 수 있는 보편적인 단위를 찾기 시작하였는데 길이의 기본단위로서 두 가지의 매우 다른 제안이 나왔다. 하나는 진자의 길이를, 다른 하나는 자오선 일부분의 길이를 사용하는 것이었다.

영국에서는 초 진자에 의한 방법이 영국 왕립학회의 지지를 받았으나 프랑스에서는 과학 학사원이 초 진자의 길이가 중력가속도에 의하여 결정되므로 지구사의 위치에 따라서 변한다는 잘 알려진 이유로 그 제안을 받아들이지 않았다. 학사원은 두번째의 제안에 찬동하였고, 1791년 이 추천에 따라 총회는 길이의 기본단위인 "미터"위에 전적으로 기반을 갖는 도량형제도의 원칙을 채택하였다. 그러나 이 미터는 자오선 4분원 길이의 1000만분의 1로 정의되었다.

넓이와 용량의 단위는 각각 평방미터와 입방미터의 십진배수와 분수로 하고 무게(또는 질량)의 단위는 밀도가 가장 큰 온도 (4℃)에서의 물 1입방 데시미터의 무게(또는 질량)로 하였다. 또한 분량과 배량을 나타내기 위하여 단위의 명칭에 밀리(1/1000), 센티(1/100), 데시(1/10)와 데카(10), 헥토(100), 킬로(1000)와 같은 접두어를 사용하여 전 체계가 온전히 십진법이 되도록 한 것이다. 그 기반을 완전히 미터 위에 두었다하여 "미터법"이란 이름을 얻게 되고 점차적으로 전 세계에 보급될 것이다.

이 결정이 내린 후 바로Delambre와 MeChain은 Dunkerque와 Barcelona사이의 자오선의 호의 길이를 측정하였고, 또 한편으로 Lavoisier는 부피를 아는 물의 무게(또는 질량)를 측정하였다. 이 측정을 기초로하여 소결시킨 백금의 미터 단면표준과 백금킬로그램 표준을 만둘게 되고, 이렁게 확정된 표준이 1799년 6월 22일 파리의 공화국 문서보관소 (Archives de la Republique)에 보관되었다. 두 개의 표준이 현재 전세계적으로 채택된 국제단위계의 실질적 시작점이 된 것이다.

1867년 파리의 세계박람회에서 많은 과학자들이 엄청난 산업발정에 감명을 받고 "도량형과 화폐위원회"를 조직하고 국제 통일성을 이룩하자는 과제를 수행하려고 하였다. 이에 따라 1869년 프랑스 정부는 여러 나라에 "국제미티위원회"에 대표를 보내 줄 것을 요청했고 24개국에서 대표를 보내어 1870년 회의를 시작하였다.

회의에 참석한 대부분의 대표들이"파리 문서보관서"에 보관된 미터와 킬로그램을 기준으로 하여 여러개의 복제원기를 만들어 참가국에 배포하여야 한다고 생각했다.

1875년 3월 1일 프랑스 정부는 "미티외교회의"를 열었는데 20개국이 정부 대표자와 과학자를 보내었고, 이 대표들은 위원회의 제안 사항을 승인하고 마침내 1875년 5월 50일"미터협약"에 공식적이 조인을 하였다. 새로 형성된 "국제도량형위원회"는 미터와 킬로그램의 원기 및 복제를 만드는 일에 모든 노력을 경주하여 많은 어려움을 극복하고 마침내 1899년 제 1차 국제도량형총회에서 국가 원기가 배포되고 미터와 킬로그램 국제원기를 승인할 수 있게 되었다. 이 두 개의 원기가 이때부터 미터법의 기초가 된 것이다.

국제도량형총회

General Conference on Weights and Measures,약어: CGPM)

1875년미터조약체결에 따라서 국제단위계(SI 단위계)를 유지하기 위해 만들어진 3개 기구 중의 하나이다.4년 또는 6년마다 파리에서 개최된다.2002년 도량형총회에서는 51개 회원국과 10개 준회원국이 참여했고,2005년 현재 준회원국은 17개국이다.

미터조약

Metre Convention)은 1875년5월 20일 현재 SI 단위계로 불리는 표준화를 위해 체결된 국제 조약이다.

이 협약을 통해 만들어진 3개의 주요 기구:

• 국제도량형총회(Conférence générale des poids et mesures, CGPM) - a meeting every four to six years of delegates from all member states;
• 국제도량형국(Bureau international des poids et mesures, BIPM) - an international metrology centre atSèvresin France; and
• 국제도량형위원회(Comité international des poids et mesures, CIPM) - an administrative committee that meets annually at the BIPM.

2.국제표준원기

1)길이 (미터)

1차 CGPM(국제도량형총회, 1889년)에서 정한 1미터의 표준은 ‘북극에서 적도까지

길이의 1000만분의 1’이라고 정하고 백금과 이리듐의 혼합으로 만든 원기를 내놓았는데,

이 원기는 금속이기 때문에 외부의 충격이나 온도에 따라 변형의 우려가 높았습니다.

그래서 11차 CGPM(1960년)에서 ‘1미터는 크립톤86원자의 2p10과 5d5의 준위간의 전이에

대응하는 복사선의 진공에서의 파장의 1650763.73배와 같은 길이’라고 새롭게 정의하게 되었죠.

그 후 여러 가지 레이저가 개발되고 기술이 높아짐에 따라,

1983년 17차 CGPM에서 빛의 속력에 근거를 둔 현재의 정의인 ‘빛이 진공(공기가 없는 상태)에서

299,792,458분의 1초 동안 진행하는 경로의 길이’로 바뀌게 되었습니다.

2)질량 (킬로그램)

제1차 CGPM(1889년)에서 백금과 이리듐으로 이루어진 ‘국제킬로그램원기’를 내놓으며

이것이 앞으로는 1kg이라고 선언을 하게 되었고 그것이 바로 1kg의 표준이 되었습니다.

이 국제킬로그램원기는 높이와 지름이 39mm이며 모양은 원통형으로 되어있으며

재질은 백금 90%와 이리듐 10%의 합금으로 되어있습니다. 우리나라에도

국제도량형에서 만든 국제킬로그램원기가 있는데, 고유번호는 72번이며

현재 한국표준과학연구원에서 보관중입니다.

3)시간 (초)

초기에 1초는 하루를 24시간으로 나누고, 24시간은 다시 60분, 60분은 다시 60초로 나누었었습니다.

하지만 몇 초의 차이지만 하루가 정확하게 24시간이 아니라 24시간 보다

짧은 날도 있고 긴 날도 있다는 것을 알게 되었죠.

그래서 과학자들은 정확한 시간의 단위를 찾기 위해 노력을 하게 되었고

그 결과 찾아낸 것이 바로 세슘이라고 하는 원자입니다.

세슘원자에 일정한 크기의 에너지를 주면 원자 주위에 있던 전자가 좀 더 안쪽으로 이동하게 됩니다.

하지만 전자는 이내 곧 다시 원래자리로 돌아옵니다.

만약 에너지를 계속 주게 되면 전자는 안쪽으로 들어갔다 나왔다 계속 반복하게 되는 것이죠.

이렇게 오가는 시간이 매우 일정하다는 것을 알게 되었고,

그리하여 오가는 시간의 9,192,631,770배를 1초로 결정하게 되었던 것입니다.

4)전류 : 암페어, A
무한히 작은 원형 단면적을 가지고 무한히 긴 두 개의 평행한 직선 도체가 진공중에서 1m떨어져 있을 때 이 두 도체 사이에 매 미터마다 2×10^(-7)N의 힘을 생기게 하는 일정한 전류이다.

5)열역학적 온도 : 켈빈,K
물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/273.16이다.

6)물질량 : 몰, mol
탄소-12의 0.012kg중에 있는 원자의 갯수와 같은 수의 구성 요소를 포함한 계의 물질량이다. 몰을 사용할 때에는 구성요소가 무엇인지 발혀야 한다.

7)광도 : 칸델라,㏅
주파수 540×10^12Hz인 단색광을 방출하는 광원의 복사 강도가 어떤 주어진 방행으로 매 스테라다안마다 1/883와트일 때 이 방향에 대한 광도이다.

※ 우리가 사용하는 시계는?

우리가 쓰는 시계에는 매우 작은 수정(수정막)이 들어있습니다.

수정막이 건전지의 전압을 받으면 진동을 하는데, 32768번째 진동하는 그 순간을 1초로 잡습니다.

그리고 그 순간 시계바늘이 1칸 움직이게 되는 것이죠.

이것은 QUARTZ라는 회사에서 개발한 방법이며,

이 원리를 이용한 모든 시계에는 ‘QUARTZ’라는 글씨가 새겨져 있습니다.

[모래]

잘 보았습니다.