지구의 나이, 납-납(Pb- Pb) 등시선법에 대한 의문
Bill Hoesch(지질학석사), ACT뉴스 2017년 11월
1956년이었다. 엘비스 프레슬리는 “왕”이었으며 일회용 기저귀가 발명됐고, 지구의 나이는 약 45.5억 년 정도라고 확신과 함께 선언됐다. 오늘날도 45.5억 년의 오랜 지구 연대는 여전히 견고히 서있다. 방사성 동위원소에 대해서 전혀 모르는 학생들은 이 연대가 마치 사실인 것처럼 배운다. 공무원(1)이나 기독교 지도자들을 평가하는 “과학 이해 평가” 시험에도 이 오랜 지구 연대가 사용된다. 단지 이에 대해 의심을 표현한다는 이유로 과학을 부정하는 사람 또는 성경 광신자로 조롱받는 시대이지만, 과연 이 진화론적 연대가 얼마나 확실한 것일까? 다음 내용을 생각해보자.
첫째로 과학을 이용해서 지구의 연대를 측정하는 것은 불가능하다. 과학적 과정에 있어서 아무리 일관성이 있더라도 이 사실을 바꿀 수는 없다. 질량, 밀도 그리고 온도는 모두 측정할 수 있는 것들이지만, 연대는 영원히 결코 실험할 수 없는 과거에 대한 많은 가정에 의존하는 해석에 불과하다. 모든 지질학자들도 이 사실을 안다. 45.5억년이라는 수치는 1956년에 이루어진 연대 계산에서 기원한 것이다. 당시 납-납 등시선법(lead(Pb)-lead isochron method)이 5개의 운석에 적용되었다.
납-납 연대 측정방법은 두 개의 독립적인 모원소인 238U과 235U를 그 마지막 딸원소인 206Pb와 207Pb에 비교하는 방식으로 “등시선(isochron)”이란 수학적 도구를 사용한다. 두 우라늄이 오늘날의 실험실에서 측정되는 각각의 속도와 동일하게 과거에도 붕괴했다고 가정하기 때문에, 하나의 납 동위원소가 다른 납 동위원소보다 많아지는 양의 비율을 이용해 시간의 흐름으로 환산될 수 있다고 믿는 것이다. 이 납은 우라늄 원소붕괴의 딸원소이지만, 이 납 중에는 방사성 붕괴에 의해 생성되지 않은 샘플에 원래부터 존재하던 납(초기 납의 양)도 포함할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 우라늄을 포함하지 않는 운석으로부터 납의 양을 측정해서 이 양을 모든 태양계 암석의 초기 납의 양으로 적용하고, 이 양을 초과하는 양들은 모두 방사성 붕괴과정에 의해 생성된 납(radiogenic Pb)이라고 가정한다.
이 방법으로 1956년 클래어 패터슨이 5개의 운석에 있던 납의 양을 보고했는데, 그것들의 양은 거의 완벽히 등시선(isochron line)에 나열됐다. 결과는 45.5억 년의 연대였다.(2) 하나의 지구 암석의 표본도 측정되었는데, 이 값도 같은 등시선에 나열되었고, 그러므로 45.5억년이 지구의 연대로 적용된 것이었다. “이 실험값에 의해 이 연대 측정 방법의 가정들이 적절하다는 것이 명료해졌다”(3)라며 패터슨은 외쳤다. 그러나 이 연대 측정방법에는 적어도 3가지 이상의 가정이 전제되었다.(4) 이 가정들이 정말 적절한 것일까? 하나씩 살펴보자.
(1) 238U과 235U의 붕괴 속도가 일정하고 정확하다.
(2) 오늘날 태양계의 모든 광물과 암석에서 측정되는 238U과 235U의 비율이 일정하다.
(3) 초기 납 동위원소의 양이 모든 곳에서 일정하다.
방사성 동위원소의 붕괴 속도는 과연 얼마나 일정한 걸까? 238U과 235U의 붕괴를 직접 계산하는 방법은 1932~1974년 사이에 만들어졌는데, 각각 2%와 28%까지 값이 달라질 수 있음이 보고되었다.(5) 이 정도의 오차를 단순히 측정하는 방법의 문제로 돌릴 수만은 없다. 더욱이 이 방법이 만들어진 이 42년의 기간 동안 계속해서 붕괴 속도가 감소되었다.(6) 그럼에도 불구하고 238U과 235U의 이 붕괴 속도는 1977년에 표준값으로 정해져 버렸다.(7) 40K/40Ar, 147Sm/143Nd 그리고 87Rb/86Sr과 같은 다른 측정 방법들의 붕괴 속도도 이 표준값을 기준으로 조정되었다. 그 후 45년 동안 기술의 발전에도 불구하고 이 붕괴율의 값은 계속해서 바뀌었다.(8) 이런 점에서 붕괴율은 더 이상 일정한 상수가 아니다. 85년 동안의 붕괴율의 측정값이 이렇게 달랐는데, 45억년동안은 어땠을까?(9)
모든 운석의 연대들은 238U과 235U의 의 질량 비율(238U/235U)이 일정하다는 사실에 의존한다. 패터슨이 사용한 방법도 이것을 가정했고, 1977년에 정해진 표준 붕괴율이 이 질량 비율에도 적용됐다. 수십 년 동안 이 값은 교과서에서도 상수로 다뤄졌다.(10) 그러나 오늘날 이 질량 비율값이 환경적인 조건에 의해 달라질 수 있다는 것으로 밝혀졌다.(11) 그 차이는 약 1% 미만으로 작지만, 이것이 연대 해석에 적용되면 엄청난 차이가 된다. 그러므로, 1956년 패터슨이 확실성을 주장했던 이 방법은 잘못된 가정에 기초한 것이다.
마지막으로, 초기 태양계의 초기 납의 양이 얼마나 균일했을까? 지구와 운석들 등 태양계 모두가 같은 납의 “초기값”에서부터 시작했다는 패터슨의 주장은 한 개의 지구 암석 표본에 기초한 것이었다. 이 지구 표본은 운석의 등시선에 정확하게 일치했다. 그러나, 1960년대 이후로 대부분의 지구 암석은 계속에서 이 등시선의 오른쪽에 위치했다(번역자: 지구 암석에서 발견되는 납의 양이 운석에 비해 상대적으로 적다).(12) 지구의 연대를 결정했던 패터슨의 확신은 시기상조인 것이었다. 그가 측정한 연대값은 단지 운석에만 적용가능하지 지구 암석에는 적용될 수 없다.(13) 이러한 상황을 모면하기 위해 지구 내부 어딘가에 납이 모여 있는 곳이 있을 것이라는 상상물을 만들어서 이 양을 추가하여 지구 암석의 값을 운석 등시선의 왼쪽으로 이동시켰다. 다른 과학자들은 “지구의 복잡한 진화(Earth’s complex evolution)”(14)라는 말과 함께 지구 연대 측정에 사용되었던 이 납-납 등시선법이 처음부터 잘못된 방향이었다고 인정한다.
패터슨은 일관성 있어 보였던 결과값에 확신했지만, 45억년이라는 수치를 둘러싼 그 확신은 완전히 보증되지 못했다. 이 방법은 일정하지 않은(inconstant) “상수들(constants)”과 상상으로만 만들어질 수 있는 초기 조건들, 또 극단적 추정(extreme extrapolation), 그리고 임의적인(ad hoc) 가설들에 의존한다. 개인적인 경험으로부터 “이것이 우리가 할 수 있는 최상의 추정인데, 이것을 이용하는 게 왜 안되는가?”라며 이러한 가정을 인정하는 진화론 지질학자들을 쉽게 찾을 수 있다. 기독교 지도자들이 이러한 연대에 대한 추측이나 해석을 과학적 측정이라고 믿으며 받아들여 그들이 이해하는 성경을 기꺼이 수정하려 한다는 현실은 정말 비극적이다! 과학자들은 결코 45억년이라는 지구 연대를 측정하지 않았다. 겉보기와는 다르게 이러한 해석은 매우 허약한 것일 뿐이다.
1) Sullivan, S., “Marco Rubio: Earth’s age ‘one of the great mysteries.’” The Washington Post, November 19, 2012.
2) Patterson, Claire 1956, Age of meteorites and the earth, Geochimica et Cosmochimica Acta, 1956, 10:230-237.
3) Patterson, op. cit., p. 231.
4) Faure, G., Principles of Isotope Geology, 2nd Edition, New York: John Wiley & Sons, 1986.
5) Snelling, A., 2017. “Determination of the decay constants and half-lives of uranium-238 (238U) and uranium-235 (235 U), and the implications for U-Pb and Pb-Pb radioisotope dating methodologies.” Answers Research Journal 10: 1–38. www.answersingenesis.org/arj/v10/238U-235U_U-Pb_Pb-Pb_radioisotope_dating_methodologies.pdf
6) A. Snelling (2017), op. cit., p. 30-32. The trend is consistent with the thesis of an episode of accelerated nuclear decay in earth’s recent past (Vardiman, L., A. A. Snelling, and E. F. Chaffin, eds. 2005. Radioisotopes and the Age of the Earth: Results of a Young Earth Creationist Research Initiative. El Cajon, California: Institute for Creation Research, and Chino Valley, Arizona: Creation Research Society. http://www.icr.org/rate2/).
7) Steiger, R. H., and E. Jager. 1977. “Subcommission on geochronology: convention on the use of decay constants in geo-and cosmochronology.” Earth and Planetary Science Letters 36 (3): 359–362.
8) 가장 최근 238U의 직접 측정방법은 1971년에 행해졌고 235U는 1993년이었다. 현대 기술을 이용한 확인이 반드시 필요하다. (Boehnke, P., and T. M. Harrison. 2014. “A meta-analysis of geochronologically relevant half-Lives: what’s the best decay constant?” International Geology Review 56 (7): 905–914.)
9) 지구연대학은 데이터를 다루는데 있어서 독특하다. 대부분의 과학은 3에서 4배 이상을 초월해서 추정(extrapolation)하는 것이 일반적이지 않은 일이지만, 지구 연대학에서는 45억배 이상을 추정한다. (recent examples cited in Snelling, 2017, op. cit., p. 2).
10) Faure, op. cit., p. 310-312. The standard Holmes-Houtermans model for Pb-Pb dating assumes this.
11) Brennecka, G.A. (2011). Uranium isotope variations in nature: Mechanisms, applications, and implications, Arizona State University Ph.D. dissertation.
12) Known in the trade as “the lead paradox” (Hofmann, A.W., Nature Geoscience 1 (12): 812-813, Dec. 2008)
13) 지구와 운석은 한가지 또 다른 점에서 다르다. 지구 암석은 피션트랙이나 라이오 할로와 같은 많은 양의 우라늄 붕괴의 증거들을 보여준다. 그러나 일반적으로 운석은 이러한 증거들이 없다. 아마도 운석에 있는 납과 우라늄의 양은 연대가 아니라 초기 상태를 보여줄 가능성이 있다. (Snelling, A., Radioisotope Dating of Meteorites: V. --Isochron Ages of Groups of Meteorites, Answers Research Journal 8:449–478, 2015. www.answersingenesis.org/arj/v8/radioisotope-dating-meteorites-isochron-ages.pdf.)
14) 패터슨이 명백히 잘못된 가정을 이용해서 대략적으로 연대를 측정했던 것은 단지 뜻밖의 행운이었다. 지구 진화의 복잡성은 초기 납의 양을 결정하는 것을 매우 어렵게 한다. (Hofmann, A.W. “Lead isotopes and the age of the earth – a geochemical accident,” in: Lewis, C.L.E. & Knell, S.J., eds, The Age of the Earth: From 4004 BC to AD 2002. London, Geological Society, Special Publications, 190, 223-236).
