MKS 단위계와 SI단위계에 대하여[정의,역사,변화과정]

 

MKS와 SI 단위계는 공학이나 자연과학에서 필수적으로 사용되는 개념입니다. 미터, 킬로그램, 초라는 기본 단위는 현대 사회에서 널리 사용되고 있으며, 이 단위들은 국제적으로 통용되는 표준으로 자리 잡았습니다.

사실 여기서 이러한 표준은 "얼마로 사용할 것인지"를 명확히 약속하여 과학과 공학의 모든 측정 기준이기에 중요성이 높지만. 항상 드는의문은 이걸 어떤방식으로 정의했을까? 입니다. 오늘은 SI 단위계와 MKS 단위계의 기원, 정의에 대해 한번 이야기해 보죠

---

MKS 단위계의 기원

 

MKS 단위계는 "Meter-Kilogram-Second"의 약자로, 미터(m), 킬로그램(kg), 초(s)를 기반으로 한 체계입니다. 이 단위계는 길이, 질량, 시간의 기본 단위를 일관되게 정의하기 위해 19세기 말에 도입되었습니다.

미터

미터는 1791년 프랑스 혁명 시기에 지구 자오선의 1/10,000,000에 해당하는 길이를 기준으로 정의되었습니다.

 

과학자 피에르 메셍(Pierre Méchain)과 장 밥티스트 들랑브(Jean-Baptiste Delambre)의 지구 측량 프로젝트를 통해 도입되었지만 당시의 측량 기술과 지구 자오선 길이에 대한 정보 부족으로 실제 측정값에는 약간의 오차 있었죠

킬로그램

킬로그램은 초기에는 물의 4°C에서 1리터(1,000 cm³) 부피의 질량으로 정의되었습니다.

 

이 정의는 1799년 프랑스에서 플래티넘 원통형 표준물체인 '킬로그램 원기(Kilogramme des Archives)'를 활용한 방식 이었으나 물의 밀도가 온도 뿐만아니라 압력 변화에 따라 달라질 수 있다는 점이 한계로 지적되었습니다.

초

초는 초기에는 지구 자전 주기의 1/86,400로 정의되었습니다.

 

17세기 후반 크리스티안 하위헌스(Christiaan Huygens)가 진자 시계를 설계하면서 시간 측정을 정밀화한 데서 비롯되었습니다.

 

이후 천문학자 존 플램스티드(John Flamsteed)와 제임스 브래들리(James Bradley)가 지구 자전을 기준으로 시간을 표준화하려 했으나, 지구 자전 속도가 일정하지 않다는 점이 발견되면서 새로운 정의 방식이 요구되었습니다.

SI 단위계의 기본 단위

현대 SI 단위계는 7가지 기본 단위로 구성됩니다. 사실 이건 잘알려진 사실이지만 7가지로 정한 이유가 뭘까요?

우선 이야기할껀 si단위계는 처음부터 7개가 아니었다는 겁니다.

 

SI 단위계의 철학은 "기본 단위의 조합을 통해 모든 물리량을 정의할 수 있도록 하는 것"에 있죠. 국제도량형국(BIPM)의 문헌에 따르면

 

"The seven base units are mutually independent and are used to define all other derived units in the SI system."

 

즉, 7개의 기본 단위는 서로 독립적이며, 모든 파생 단위는 이 기본 단위의 조합으로 표현됩니다.이 단위들은 다음과 같은 물리량을 독립적으로 측정할 수 있도록 설계하는것이 목적이었는데, 이를 순수하게 정의할수없는 단위가 등장한것이죠

실제로 처음에는 길이(미터), 질량(킬로그램), 시간(초)의 MKS 단위계를 기반으로 시작되었으며 이후 열역학 화학 광학의 분에서 필요한 단위들이 추가 되었습니다.

 

미터(m)

 

미터는 1983년 국제도량형총회(CGPM)에서 빛이 진공에서 1/299,792,458초 동안 이동한 거리로 정의되었습니다. 이는 빛의 속도라는 자연 상수를 활용하여 길이의 기준을 정밀하게 표준화하기 위한 결정이었습니다. 초기에는 1791년 프랑스 혁명 시기에 지구 자오선의 1/10,000,000로 정의되었으나, 측량 기술의 한계로 정확도가 떨어졌습니다. 이를 극복하기 위해, 1960년에는 크립톤-86 방출선의 특정 파장 기반으로 재정의되었고, 최종적으로 빛의 속도를 활용한 현재의 정의로 정착되었습니다.

 

킬로그램(kg)

 

플랑크 상수를 고정하여 정의되었습니다. 초기에는 1799년 프랑스에서 '킬로그램 원기(Kilogramme des Archives)'라는 플래티넘-이리듐 합금으로 만들어진 원통형 표준물체를 기준으로 정의되었습니다. 이 표준물체는 물의 밀도를 기준으로 한 정의를 대체했지만, 시간이 지나면서 표준물체의 질량이 미세하게 변한다는 문제가 발견되었습니다. 이를 해결하기 위해 2018년,

플랑크 상수를 고정하여 킬로그램을 재정의했습니다. 여기기서 거지같은 양자역학이 등장 합니다.

정확히 말하면 플랑크 상수()는 에너지와 주파수 사이의 관계를 설명하는 물리학 상수로, 쉽게 말해, 하나의 진동이 가진 에너지가 얼마인지를 나타냅니다. 이는 독일 물리학자 막스 플랑크(Max Planck)가 1900년대 초 흑체 복사 문제를 해결하기 위해 제안한 개념으로, 현대 양자역학의 토대죠

결국 킬로그램은 플랑크 상수를 기반으로 정의되며, 이를 통해 자연 상수와 연결된 단위로 재설계되었습니다. 이 새로운 정의는 Kibble 저울을 통해 전자기력과 중력을 비교하는 방식을 활용하여 정확도가 압도적으로 높습니다.

기존의 플래티넘-이리듐 원통 표준물체 대신, 물리학적 상수에 기반을 두어 시간의 흐름에 따른 변화 없이 안정적이고 정확한 질량 단위로 발전했다 이해하시면 됩니다. 사실 나노단위의 제어를 해야하는 요즘시대에 포문을 연 기술이라 보셔도 무방 하겠네요

초(s)

 

 초는 세슘-133 원자의 두 초미세 에너지 상태 간 전이에 해당하는 진동수를 기반으로 정의됩니다.

 

1967년 국제도량형총회(CGPM)에서 이 정의가 공식적으로 채택되었으며, 세슘-133 원자의 특정 전이에 해당하는

9,192,631,770회의 진동수를 1초로 정했습니다. 이 정의는 시간 측정을 지구 자전에서 원자 수준의 물리적 상수로 전환한 결과로 보셔도 됩니다만 머리가 아프죠? 그냥 1초를 정의하기위해 이만큼 많은 노력이 든다 정도만 아시면 됩니다.

 

이 과정은 1950년대부터 원자시계의 개발을 주도한 미국의 물리학자 루이스 에센(Louis Essen)과 잭 페리(Jack Parry)의 연구를 통해 가능해졌습니다. 이들은 세슘 원자를 사용한 원자시계를 개발하여 이전의 천문학적 시간 측정보다 수백 배 더 정확한 시간 측정을 구현했습니다.

 

암페어(A)

암페어는 전류의 단위로, 1881년 국제전기총회(International Electrical Congress)에서 처음 정의되었습니다. 초기 정의는 "두 평행한 도선 사이에 1미터 간격으로 2×10^-7 뉴턴의 힘을 발생시키는 전류"를 기준으로 삼았으나, 실험적 불확실성을 동반했습니다.

 

2018년 국제도량형총회(CGPM)에서 암페어는 기본 전하(전자 하나의 전하, )와 시간 단위를 기반으로 재정의되었습니다. 이는 암페어를 "1초 동안 의 전하가 이동하는 전류"로 설명하며, 자연 상수와 직접적으로 연결하는 것이죠. 기존의 정의였던 "1미터 간격의 두 평행 도선 사이에서 1N의 힘을 생성하는 전류"는 실험적 재현이 어렵고 불확실성이 높았기 때문에 대체되었다 보시면 됩니다.

 

사실 암페어의 개념은 19세기 전자기학을 발전시킨 앙드레 마리 암페르(André-Marie Ampère)의 연구에서 비롯되었으며, 그는 전류가 자기장을 생성한다는 사실을 규명하여 전자기학의 기본 원리를 세웠습니다. 사실상 그의 업적을 기리기 위해 단위 이름이 암페어로 명명되었죠, 전기는 이런 직접적인 이름을 쓴단위가 상당히 많긴합니다.

 

켈빈(K)

켈빈은  온도의 단위로, 1954년 국제도량형총회(CGPM)에서 처음 추가되었습니다. 초기에는 물의 삼중점(0.01°C, 즉 273.16K)을 기준으로 정의되었습니다. 이후 2018년, 볼츠만 상수(를 고정하여 재정의되었습니다.

볼츠만 상수는 오스트리아 물리학자 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann)의 연구에서 비롯되었습니다 . 기체 분자의 운동과 에너지의 관계를 규명하는 연구를 수행했으며, 이를 통해 열에너지의 미시적 해석이 가능해졌죠, 여기서 나오는것이 그유명한 엔트로피 정리로 다음과 같은 수식입니다.

여기서 말하는것이 볼츠만 상수로 이를 고정하여 켈빈 단위를 자연 상수와 연결된 방식으로 재정의하였습니다.

몰(mol)

 

몰은 1971년 국제도량형총회(CGPM)에서 기본 단위로 추가되었습니다. 초기 정의는 "1몰은 12g의 탄소-12 동위원소에 포함된 원자의 수"로, 아보가드로 상수를 기반으로 했습니다.

 

이 정의는 물질의 양을 표현하는 데 있어 화학 반응과 분자 구조를 정확히 다룰 수 있도록 설계된 값으로.

 

이탈리아 화학자 아메데오 아보가드로(Amedeo Avogadro)의 연구에서 시작되었습니다. 그의 연구는 1811년에 발표된 '아보가드로 법칙'에서 기인합니다. 이 법칙은 동일한 온도와 압력에서, 같은 부피의 기체는 동일한 수의 분자를 포함한다는 내용을 담고 있습니다. 아보가드로 상수는 이 법칙을 기반으로 하여 정의된 값으로, 1몰에 해당하는 입자의 수를 나타냅니다. 초기에는 탄소-12의 12g에 포함된 원자 수를 기반으로 정의되었으며, 2018년 SI 재정의에서 이를 정확히 으로 고정하였습니다. 이 정의는 화학 반응의 정량적 분석과 분자량 계산의 기반을 제공하여 현대 화학에서 분자량 계산, 화학 반응식의 정량적 분석, 그리고 나노기술 분야에서 응용되고 있습니다.

 

칸델라(cd)

칸델라는 1948년 국제도량형총회(CGPM)에서 SI 기본 단위로 추가되었습니다. 초기 정의는 "백금-백금-로듐 합금에서 섭씨 1,773도에서방출되는 특정 광원의 강도"를 기준으로 하였습니다.

 

그러나 이 정의는 실험적 재현성이 낮고, 실제 응용에서 비효율적이라는 한계가 명백하여 1979년, 칸델라는 "주파수 540 × 10¹² Hz의 단색광에서 방출되는 빛의 강도가 1/683 W/sr인 광원"으로 재정의되었습니다.

 

이는 사실 인간의 시각적 민감도를 기준으로 하여, 볼수있는 방식과 재현 가능한 방식으로 개선된 것이라 이해하시면 됩니다. 칸델라라는 이름은 라틴어로 "양초"를 의미하며, 이는 역사적으로 양초를 기준으로 빛의 밝기를 측정하던 방식에서 유래했습니다.