'1초의 정의와 정확한 시간'[2014 7030 Final 실전 모의고사 A형[실전 모의고사 4회]

[구렛나루]

[22~24] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

누구나 주변의 시계가 모두 다 조금씩 다른 시각을 표시하는 것을 본 적이 있을 것이다. 현재의 정확한 시간은 어떻게 알 수 있을까? 가장 간단한 방법은 116에 전화하는 것이다. 한국 통신에서 제공하는 116은 정확한 현재 시각을 전화로 안내해 주고 있다. 컴퓨터의 시간을 정확하게 맞추려면 정확한 시간을 알려 주는 인터넷 시간 서버와 내 컴퓨터의 시간을 동기화하면 된다. 현재 한국에서 가장 정확한 시계는 한국 표준 과학 연구원이 보유하고 있는 세슘 시계이며, 이를 바탕으로 인터넷 시간 서버 또한 제공되고 있다. 그렇다면 정확한 시간이란 어떻게 정해지는 것일까?

정확한 시간을 정하기 위해서는 시간의 기초 단위인 1초를 먼저 정의할 필요가 있다. 역사적으로 인류는 태양이 떠서 지는 일주 운동의 주기를 하루로 여겨 왔으며, 이를 바탕으로 하는 태양시를 이용해 왔다. 하루는 24시간이며 한 시간은 60분, 그리고 1분은 60초이므로, 일반적으로 ‘1초’는 ‘1일의 8만 6400분의 1’로 정의할 수 있다. 그런데 지구의 자전은 의외로 일정하지 않다. 조석의 마찰, 중심핵의 운동, 계절적인 기상 현상 등으로 지구 자전의 주기는 끊임없이 변화한다.

보다 더 정확하게 1초를 정의하기 위해 과학자들은 물질의 고유 진동수에 주목했다. 모든 물질은 고유의 진동수가 있는데 이는 변하지 않기 때문이다. 이러한 원리를 바탕으로 1967년 국제 도량형 총회에서는 1초를 ‘세슘 원자가 91억 9263만 1770번 진동할 때 걸리는 시간’으로 정의하였다. 그리고 이 정의에 맞춰 만든 시계가 ‘세슘 원자 시계’다. 세슘 원자는 시계의 진자 역할을 하는 세슘 원자의 고유 진동수가 일정하면서도 빠르기 때문에 태양의 움직임을 기준으로 한 것보다 훨씬 더 정확하게 시간을 잴 수 있다. 오늘날 세슘 원자 진동수를 가장 정확하게 측정할 수 있는 세슘 원자 시계는 1억 년 동안 1초가 어긋나지 않을 만큼 정밀하다고 한다. 현재 국제 도량형국은 전 세계의 세슘 원자 시계의 정보를 위성으로 취합하여 국제 원자시를 발표하고 있다.

그렇다면 ㉠국제 원자시를 세슘 원자 시계보다 더 정확하게 결정할 수 있는 시계를 만들 수는 없을까? 세슘보다 더 빠르게 진동하는 원자를 사용하면 가능하다. 최근에는 이터븀, 스트론튬, 알루미늄 이온 등을 이용한 ‘광시계’를 개발 중인데, 광시계는 이론상 300억 년 동안 1초밖에 틀리지 않는다고 한다. 또한 이보다도 더 정확한 시계를 만들기 위해 토륨 이온을 이용한 핵시계의 개발 가능성도 논의되고 있는데, 핵시계는 이론상 3조 년 동안 1초가 어긋나지 않는다는 연구 결과가 제시되기도 하였다. 하지만 광시계를 통해 산출된 시간 정보는 위성 통신보다 더욱 정밀하기 때문에 세계적인 정보를 취합하기 위해서는 새로운 통신 방법을 찾아야 하는 난제가 남아 있다. 우리나라는 현재 표준 과학 연구원에서 세슘 원자 시계를 운용 중이며, 최근 이터븀을 이용한 시계 개발에 성공하기도 하였다.

그런데 이렇게 인위적으로 정의된 1초는 정확한 시간의 길이를 나타내기는 하지만 인류가 사용하는 구체적인 시각을 나타낼 수는 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 편의상 기존에 사용해 온 세계시의 1958년 1월 1일 0시에 새로운 1초의 정의를 바탕으로 한 시간이 시작한 것으로 정하였으며, 이러한 시간을 국제 원자시라고 부르게 되었다.

22. 윗글의 내용과 일치하는 것은?

① 각각의 시계가 나타내는 시각은 달라도 시계마다 1초의 길이는 동일하다.

② 조석의 마찰은 지구 자전의 속도에 영향을 주어 태양시의 변화를 유발한다.

③ 현재 한국에서 가장 정확한 시각은 이터븀 광시계를 바탕으로 제공되고 있다.

④ 태양시는 지구 자전의 영향을 받기 때문에 ‘1초’에 대한 정의 역시 그에 따라 변경하고 있다.

⑤ 세슘 원자의 진동수는 정확한 주기로 증감되므로 그 주기에 맞추어 정확한 시계를 제작할 수 있다.

23. ㉠을 만들기 위한 전제로 적절하지 않은 것은?

① 시계의 진자의 진동수가 더 빨라야 한다.

② 진자의 진동수가 변함없이 일정해야 한다.

③ 다양한 진자를 복합적으로 활용할 수 있어야 한다.

④ 진자의 진동수를 더 정확하게 측정할 수 있어야 한다.

⑤ 정확한 시각 정보를 전 세계적으로 공유할 수 있어야 한다.

24. 윗글과 (보기)를 함께 읽고 알 수 있는 내용으로 적절하지 않은 것은?(3점)

(보기)

윤초(閏秒)는 지구 자전의 불규칙성 때문에 발생하는 시간차를 보정하기 위해 태양력에 따라 정해지는 협정 세계시(1)에 1초를 더하거나 빼는 것을 말한다. 협정 세계시는 원자 시계를 기준으로 하는 국제 원자시와 0.9초 이내에서 항상 일치하도록 만든다. 이를 위해 12월이나 6월의 마지막 날 마지막 분에 1초를 더하거나 빼는데, 이때는 1분이 61초가 되거나 59초가 된다. 지금까지 빼기 윤초를 적용한 경우는 없고 모두 더해지기만 했다. 1972년에는 두 번의 윤초가 더해져서 현대에 들어 가장 긴 1년이 되었으며, 가장 최근에는 2012년 6월 30일에 1초를 더하였다.

(주) (1) 협정 세계시: 1972년 1월 1일부터 세계 공통으로 사용하고 있는 표준시.

① 아직까지는 태양시의 1년이 원자시의 1년보다 짧다.

② 1972년에는 지구의 공전 속도가 2012년보다 더 느렸다.

③ 협정 세계시는 태양의 일주 운동을 반영하여 조정하게 된다.

④ 윤초는 1년에 두 번 주기적으로 반영되어 태양시를 보완한다.

⑤ 국제 원자시는 세슘의 고유 진동수를 이용하기 때문에 일정하게 유지된다.

2014 7030 Final 실전 모의고사 A형

[실전 모의고사 4회]

[22~24] 1초의 정의와 정확한 시간

해제: 이 글은 1초를 정의하는 개념의 변화와 정확한 시간 정의를 위한 시계의 개발 방향에 대해 설명하고 있다. 시간의 기본 단위인 1초는 태양의 일주 운동을 기반으로 정의되었다. 그러나 지구 자전의 주기는 끊임없이 변화하기 때문에 1초를 정확하게 정의하기가 어렵다. 이를 해결하기 위해 세슘 원자의 고유 진동수를 바탕으로 1초가 새롭게 정의되었다. 이것이 세슘 원자 시계다. 또한 보다 더 정확한 시계를 개발하기 위해 광시계가 개발되기도 하였다. 원자 시계를 바탕으로 새롭게 정의된 시간을 원자시라고 한다.

주제: 1초의 정의와 정확한 시간 측정 및 결정의 방법

내용 흐름

1문단: 정확한 시간을 확인하는 방법

2문단: 지구의 자전을 기준으로 한 1초의 정의

3문단: 1초의 정의의 변화와 세슘 원자 시계

4문단: 보다 정확한 시계의 개발

5문단: 새로운 1초의 정의를 바탕으로 한 원자시

22. 세부 정보 파악

답: ②

정답이 정답인 이유

② 확인 1: 지구 자전 속도에 영향

2문단에서 조석의 마찰 등으로 인해 지구 자전의 주기는 끊임없이 변화한다고 언급하고 있다.

확인 2: 태양시의 변화를 유발

태양시는 지구 자전으로 인해 태양이 뜨고 지는 주기를 기준으로 정해지므로, 지구 자전의 속도가 변하면 태양시 역시 변화하게 된다.

오답이 오답인 이유

① 확인: 각 시계의 1초의 길이는 동일

정확한 시간을 측정하기 위한 원자 시계나 광시계도 미세한 오차가 있다. 따라서 모든 시계의 1초의 길이가 동일할 수는 없다.

③ 확인: 이터븀 광시계

1문단에서 현재 한국에서 가장 정확한 시계는 한국 표준 과학 연구원이 보유하고 있는 세슘 시계라고 하고 있다. 4문단에 한국 표준 과학 연구원에서 이터븀 시계 개발에 성공했다고 하였으나, 광시계는 통신 방법의 난제 때문에 아직 세계적인 표준이 되지는 못하였다.

④ 확인: 1초에 대한 정의 변경

3문단의 내용을 바탕으로 1초의 정의는 지구 자전의 영향에 따라 변하는 것이 아니라, 변하지 않는 정확한 시간으로 정의하기 위해 변하는 것임을 알 수 있다.

⑤ 확인: 정확한 규칙에 맞추어 증감

3문단의 내용을 보면 세슘 원자의 진동수는 증감하는 것이 아니라 변하지 않는다는 것을 알 수 있다.

23. 전제, 결론 추론

답: ③

정답이 정답인 이유

③ 확인: 다양한 진자, 복합적 활용

보다 정확한 시계를 만들기 위한 전제 조건은 더 빠르고 일정한 진자가 있어야 하며 이를 정확하게 측정할 수 있어야 하고, 또한 측정 결과를 전 세계적으로 공유하여 확정할 수 있어야 한다. 따라서 다양한 진자가 필요하지는 않다.

오답이 오답인 이유

① 확인: 진자의 진동수가 더 빨라야

4문단에서 세슘보다 더 빠르게 진동하는 원자를 사용하면 더 정확한 시계를 만들 수 있다고 하고 있다.

② 확인: 진자의 진동수가 변함없이 일정

2문단에서는 지구 자전의 주기가 변화한다고 하였고, 3문단에서는 이에 비해 세슘 원자의 진동 주기는 일정하면서도 빠르기 때문에 더 정확하게 시간을 잴 수 있다고 언급하고 있다. 즉 빠르고 일정한 진자의 운동이 정확한 시계를 만드는 조건임을 알 수 있다.

④ 확인: 더 정확하게 측정

3문단에서 세슘 원자 진동수를 가장 정확하게 측정할 수 있는 원자 시계의 오차율을 언급하고 있다. 이를 통해 진자의 일정한 진동수를 정확하게 측정하는 것도 정확한 시계를 만드는 데 중요하다는 것을 알 수 있다.

⑤ 확인: 시각 정보를 전 세계적으로 공유

3문단에서는 현재 세슘 원자 시계의 정보를 위성으로 취합하여 세계 원자시를 발표하고 있다고 하였으며, 4문단에서는 광시계의 시간 정보를 취합하기 위한 새로운 통신 방법이 필요함을 설명하고 있다. 즉 시각에 대한 정보를 전 세계적으로 공유할 수 있어야 정확한 시각을 결정할 수 있다.

24. 다른 상황에 적용하기

답: ④

정답이 정답인 이유

④ 확인 1: 1년에 두 번 주기적으로 반영

(보기)에서 윤초는 ‘12월이나 6월의 마지막 날 마지막 분에 1초를 더하거나 뺀다.’고 하였다. 이는 필요할 때 윤초를 적용한다는 의미이지 1년에 두 번 주기적으로 반영한다는 의미는 아니다.

확인 2: 태양시를 보완

원자시는 세슘 원자의 고유 진동수를 바탕으로 정의되었기 때문에 전혀 변화가 없다. 그러나 태양시는 지구 자전의 영향으로 변화가 있기 때문에 원자시와 태양시의 차이를 조정할 필요가 있다. 윤초는 태양시를 바탕으로 하는 협정 세계시를 조정하여 원자시와 일치하도록 보완하는 역할을 한다.

오답이 오답인 이유

① 확인: 태양시의 1년이 원자시의 1년보다 짧다.

아직까지는 더하기 윤초만 적용하였으므로, 태양시가 원자시보다 짧다는 것을 알 수 있다.

② 확인: 지구의 공전 속도가 더 느렸다.

1972년에는 두 번의 윤초가 더해져서 현대에 들어 가장 긴 1년이 되었는데, 2012년에는 한 번만 윤초를 더하였다. 즉 1972년에 지구가 더 느리게 돌아 공전의 주기인 1년에 더 많은 시간이 소요되었음을 알 수 있다.

③ 확인: 태양의 일주 운동 반영

태양의 일주 운동은 지구 자전으로 인해 발생하는 것이며, 지구 자전의 주기는 일정하지 않다. 협정 세계시는 이렇게 일정하지 않은 태양시를 보정하기 위해 반영된다.

⑤ 확인: 국제 원자시, 일정하게 유지

원자시는 변하지 않는 세슘 원자의 고유 진동수를 바탕으로 하므로 변화하지 않고 일정하게 유지된다.