방사성 탄소 연대측정의 한계

방사성 탄소 연대측정법은 20세기 중대한 발견 중 하나로 현 인류에 많은 영향을 미친 기술이라 할 수 있다. 수천, 수만 년 전에 일어났던 일까지 알 수 있게 해 준 건 그 어떤 것도 대신할 수 없었기 때문이다.

지리학, 지질학, 물리학, 고고학, 대기 과학, 해양학, 의학 분야에 이르기까지 광범위하게 응용해 사용하고 있을 정도로 이 기술의 영향은 매우 크다.

보통 역사를 추적하기 위해 중요한 요소의 하나가 시간이다. 선사시대에 무슨 일이 일어났는지, 환경은 어떠했는지 등을 알아내기 위해 사건의 순서나 시기는 매우 중요한 부분을 차지한다.

자신의 이론을 입증하거나 틀렸음을 입증하기 위해 꼭 필요한 게 과거의 것을 역추적하고, 연결고리를 찾아 이론을 현실화할 수 있어야 했기 때문에 방사성 탄소 연대측정법이 매우 매력적으로 다가왔을 것이다.

하지만 멋진 도구에도 불구하고 방사성 탄소 연대측정법에는 문제점이 하나 있다. 바로 일정불변한 환경에서만 유효하다는 오류들 말이다.

탄소 1조분의 1 대기조건

우주의 방사선은 지구 대기권 내에 쉴 새 없이 쏟아지고 있다. 우주방사선은 지구의 자기장에 의해 대부분 소멸되고, 매년 약 21파운드 정도만 대기권에 유입된다.

양성자, 중성자, 중성미자 등 소립자를 구성하는 우주선은 대기의 원자핵을 분열시켜 여러 종류의 2차 입자를 만들어 내면 2차 생성 물질의 하나인 중성자가 대기의 질소와 핵반응을 일으켜 방사성탄소(C-14)와 양성자로 바뀌게 된다.

이렇게 생성된 방사성탄소(C-14)는 지구에 약 90톤 정도 되며 대기 전체에 흩어져 있다. 탄소14는 시간이 흐르면 방사선(전자)을 계속해서 방출하여 서서히 붕괴되고, 감소한 양은 우주로부터 유입되므로 그 양은 일정하게 유지 된다.

지구 내 전체 이산화탄소 중 탄소12는 약 98.9%로 대부분을 차지하고, 탄소13이 나머지 1.1%를 차지한다. 그리고 전체 이산화탄소 중 1조분의 1 만이 방사성 탄소14라는 것,

생명체는 살아있는 동안 탄소를 끊임없이 흡수하고, 내뱉는다. 방사성 탄소(C-14)는 생체에서 서서히 붕괴되고, 감소한 양은 산소와 먹이를 통해 계속 섭취하는 것이므로 C-14는 계속해서 보충된다. 따라서 생명체 내의 탄소 비율은 대기 중의 1조분의 1 비율과 거의 일치하고, 체내에 일정하게 저장된다.

그러나 생명체가 죽으면 C-14를 더 이상 흡수하지 못하게 되므로 조직 내에서 C-14의 양은 점차 감소하게 된다. 이를 이용해 유기물에서 탄소12와 탄소14의 비율로 양을 비교하면 그 유기물의 연대를 측정할 수 있다. 이것이 방사성 연대측정법이다.

하지만 광합성이 활발한 여름이 오면 이산화탄소의 농도가 줄고, 겨울이 되면 이산화탄소는 늘어나므로 1년 내내 1조분의 1 비율의 대기 조건이 될 수 없다.

또한, 산업혁명 이전과 이후의 대기조건은 분명한 차이가 들어난다. 산업혁명 직전에는 이산화탄소 농도가 280ppm에 머물렀으나 2014년에는 400ppm을 넘어 섰고, 지금도 꾸준히 증가 추세에 있기 때문이다.

마찬가지로 대홍수나 빙하기가 찾아 온 급변한 시기의 대기조건이 1조분의 1 비율일 가능성이 얼마나 될까? 계절마다 탄소의 농도가 달라지듯 우주선이 대기로 유입되는 양 또한 달라질 수 있음을 인지할 필요가 있다.

5,730년의 반감기

물질의 종류에 따라 붕괴속도에 차이가 난다. 때문에 반감기가 불과 한 시간, 불과 몇 분인 경우가 있는가하면 어떤 물질은 몇 억년이 걸리는 것이 있다. 반감기가 길다고 여겨지는 우라늄은 45억년, 세슘은 30년으로 추정한다.

방사성 탄소 연대 측정법은 1949년 윌러드 리비에 의해 발견되었다. 그는 탄소14를 이용하면 1분에 단위 그램당 탄소14가 붕괴한다는 사실을 발견하여 노벨 화학상을 받았다.

생명체가 죽으면 시간이 흐를수록 탄소14의 비율은 지속적으로 감소하게 된다. 탄소14는 계속해서 분해되어 처음 양이 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 반감기라 부른다. 탄소14가 질소로 분해되기까지의 시간이 대략 5,730년으로 추정하고 있다.

처음 반감기가 지나면 다시 반의반으로 분해되는 반감기를 가지고, 반감기를 몇 번 거쳤는지를 계산해서 나온 값이 몇 천, 몇 만 년이다. 10번의 반감기를 거쳤다면 5만 7천 3백년이라는 시간이 나온다. 현실적으로는 5만년까지만 측정 가능하다.

반감기는 총량에 상관없이 항상 일정하다. 방사성 동위원소의 온도, 외부 압력 등 물리, 화학적 상태에 무관하게 외부 환경에 전혀 영향을 받지 않고, 일정한 속도로 붕괴되는 것으로 알려져 있다.

처음 50/100 으로 줄어드는 시간과 두 번째 반감기 25/50 로 줄어드는 시간이 항상 일정하다는 예기다.

반감기는 과학자들이 수백, 수천 년이 넘으면 측정하기가 사실상 불가능해 짧은 시간 동안만 측정해 나온 값을 일정한 비율로 계산해서 얻은 값이 탄소14의 반감기(5,730년)이므로 시간적으로 너무 길면 상대적으로 통계적 오차 범위가 클 수밖에 없다.

탄소14는 최근에 죽었거나 현재 살아있는 모든 유기물에 존재한다. 다만 5만년 이상이 된 물체에는 방사성 탄소가 존재하지 않는다. 만약, 화석에서 방사성 탄소가 하나도 남아있지 않다면 이 화석의 나이가 5만년 이상의 것이라는 결론이 나오게 된다.

하지만 최근에는 일반적인 반감기를 그대로 적용하기에는 무리일 수 있다는 지적이 나왔다.

예를 들어 반감기 30년으로 알려져 있는 방사성 물질 세슘은 우리 몸 안에서는 반감기가 109일, 8일로 알려져 있는 방사성 요오드는 우리 몸 안에서는 반감기가 138일이라고 한다.

이 내용은 당초 알려진 것과 달리 외부의 환경에 영향을 받을 수 있음을 시사한 것이다.

영국 옥스퍼드대 하이엄 교수는 기존의 방사성탄소 연대측정법에 문제가 있음을 인지하고 이를 개선하기 위한 연구를 오랫동안 해오고 있다. 다시 말해 화석 시료에 외부와 완전히 차단되지 않은 상태에서 다른 유기물이나 미생물이 침투할 경우 추정 연대가 달라질 수 있다는 점을 발견한 것이다.

하이엄 교수는 오염을 최소화하기 위해 한외여과 기법을 사용한 결과 네안데르탈인 추정 연대가 4만여 년 전의 것으로 나왔다고 한다. 하지만 이 역시 아이러니한 부분이다. 왜냐하면 이미 변화된 화석에 오염을 최소화를 이유로 또다시 변화를 주었기 때문이다.

저수지 효과

방사성 탄소 연대측정법이 얼마나 신뢰할 수 있는지 알아 볼 필요가 있다. 그래서 가장 좋은 방법은 살아있는 물체나 실제 나이를 알고 있는 물체를 측정하는 것이다.

실제로 살아 있는 달팽이를 측정했더니 2,000년과 27,000년 전의 것으로 측정되었고, 바로 죽은 물개를 측정결과 1,300년 전의 것으로 나와 연대측정법에 문제가 있음을 말해주었다.

이와 같은 오류에 대해 과학자는 일종의 “저수지 효과”라고 반론한다. 예를 들어 석회석지대의 물에는 탄소14가 부족하다는 것. 결과적으로 물속은 대기에 비해 이산화탄소 농도가 상대적으로 부족해서 연체동물들은 오래된 것으로 나온다는 것이다.

이 내용은 "합리주의자의도" CD011 ~ CD011.6 의 내용 일부를 발췌한 것으로 이곳에서 창조론자들의 주장과 이에 대한 반론을 모아 둔 자료를 볼 수 있다.

남극의 바닷물은 탄소14의 함량이 상당히 낮다. 그러므로 1조분의 1 비율을 그대로 적용할 경우 수생생물의 탄소 연대측정이 실제 나이보다 훨씬 오래된 것으로 나타날 수도 있다는 내용이다.

2007년 8월경 호주지역 지르콘(광물) 안에 수십 개의 다이아몬드가 박혀있는 것을 발견해 네이처에 공개하였다. 방사성 탄소 연대측정결과 42억5천만년으로 추정된다고 밝혔다.

그러나 방사성 탄소 연대측정을 이용한 결과라 그대로 받아들이기 쉽지 않다. 10억년 정도 되어도 탄소14가 남아 있지 않을 텐데 어떻게 42억년이 나오게 된 것일까? 실은 지구 나이도 방사성 탄소 연대측정법으로 결정한 것에 지나지 않는다.

창조과학에서는 지구 나이를 6,000천년으로, 1,900년대 과학계에서는 22억년으로 보았고, 현재는 45억년으로 정설로 받아들여지고 있다.

연대 측정의 오류를 생각해 볼 때 지구 나이가 생각했던 것보다 훨씬 적은 십만 년 채 되지 않았는지 모른다.

과학자들이 사건의 단계를 맞추기 위해서 오래된 것일수록 좋았을 것이다. 설령 이 모든 것들이 모두 거짓이어도 진화론을 설명하기 위해서 충분한 시간이 필요했던 것은 아니었을까?

왜냐하면 진화론이 아닌 다른 것, 즉 창조론이나 지적 설계론을 인정할 경우 여태 연구하고 이룩한 모든 업적들이 물거품이 되고, 자신의 주체성을 잃을 수도 있다는 두려움에서 말이다.

예컨대 독실한 기독교인이 진화론이나 지적 설계론을 받아들여야 하는 상황이 온다면 이들도 마찬가지로 주체와 상실이라는 혼란을 겪게 된다.

그들이 지구의 나이보다 훨씬 오래된 물질을 발견한다면 과학의 오류를 정정하기보다 사건과 시간의 연결고리를 끼워 맞추기 하지 않을까?

john@coconutpalms.info

사진 = 픽사베이

참고 자료 : 한국창조과학회(상), 한국창조과학회(하), 과학탐구, 나무위키, 두산백과, 위키백과, 동아, 동아사이언스, BetaAnalytic, 다음백과, 물리의이해, 합리주의자의도, 노컷뉴스