지구의 나이는 지구를 재서 알아낸 게 아닙니다. 하늘에서 떨어진 돌이 답을 줬습니다.
지구에서 가장 오래된 암석은 약 40억 년입니다. 그런데 우리는 지구가 45억 년이라고 말합니다. 지구에 없는 5억 년은 어디서 온 숫자일까요?
지구는 자기 나이의 증거를 스스로 없앱니다.
판구조 운동이 계속 지각을 만들고 삼킵니다. 해양 지각은 2억 년 이내에 대부분 맨틀로 되돌아갑니다. 대륙 지각은 오래 남지만 그것도 침식되고 변성되고 다시 녹습니다.
저어콘 44억 년이 지구 나이의 하한선은 알려주지만, 정확한 값은 못 줍니다. 그 저어콘이 만들어졌을 때 이미 지구는 얼마간 존재하고 있었기 때문입니다.
발상의 전환은 여기 있었습니다. 지구와 태양계는 같은 재료로 같은 시기에 만들어졌습니다.
운석 중 일부는 행성이 되지 못하고 남은 원시 물질입니다. 지질 활동이 없어 만들어진 순간 그대로 굳어 있습니다. 지구가 지운 기억을 운석이 대신 보관하고 있었던 것입니다.
불안정한 원자핵은 일정한 확률로 스스로 붕괴해 다른 원소가 됩니다. 이 속도는 온도·압력·화학 반응에 영향받지 않습니다. 그래서 시계가 됩니다.
우라늄은 물에 녹아 씻겨 나갈 수 있습니다. 그러면 시계가 어긋납니다.
그런데 납-206과 납-207의 비율만 보면 이 문제를 피할 수 있습니다. 둘 다 납이라 화학적으로 똑같이 행동하므로, 우라늄이 빠져나가도 둘의 비율은 그대로입니다.
측정하기 어려운 값을 재는 대신, 방해에 강한 값을 재는 것 — 이것이 좋은 측정 설계입니다.
19세기 최고의 물리학자였던 켈빈 경은 지구의 나이를 계산했습니다. 방법은 합리적이었습니다 — 처음에 녹아 있던 지구가 지금 온도까지 식는 데 걸리는 시간을 구한 것입니다.
그가 얻은 답은 2천만 년에서 4억 년 사이. 실제보다 열 배 이상 짧았습니다.
켈빈의 수학에는 오류가 없었습니다. 전제가 하나 빠져 있었을 뿐입니다.
그는 지구가 식기만 한다고 가정했습니다. 그런데 지구 내부에서는 방사성 붕괴가 계속 열을 만들고 있습니다. 난로에 불이 남아 있는데 꺼진 난로로 계산한 셈입니다.
방사능은 1896년에야 발견됩니다. 켈빈이 계산할 때는 존재조차 몰랐던 현상입니다.
당시 다윈과 지질학자들은 진화와 퇴적에 훨씬 긴 시간이 필요하다며 반발했습니다. 결과적으로 그들이 맞았지만, 그들 역시 근거를 대지는 못했습니다. 물리학의 정밀한 계산과 지질학의 직관이 충돌했고, 답은 새로운 물리학이 가져왔습니다.
1948년, 대학원생 클레어 패터슨이 운석의 납 동위원소를 측정하는 일을 맡습니다. 간단할 줄 알았던 이 과제는 그의 인생을 통째로 바꿉니다.
측정할 때마다 값이 달랐습니다. 원인을 추적한 끝에 그는 충격적인 결론에 도달합니다. 실험실 자체가, 공기가, 그의 손이 이미 납으로 오염돼 있었습니다.
그는 세계 최초의 초청정 실험실을 만듭니다. 공기를 거르고, 산을 증류하고, 모든 기구를 세척했습니다. 그리고 1953년, 캐년 디아블로 운석을 포함한 시료들로 마침내 값을 얻습니다.
45억 5천만 년
70여 년이 지난 지금도 이 값은 거의 그대로입니다. 현재 표준값은 45억 4천만 년, 오차 약 1%입니다.
패터슨은 의문을 놓지 못했습니다. 왜 세상이 이렇게 납투성이인가?
그는 깊은 바다의 퇴적층과 그린란드 빙하 코어를 조사해, 대기 중 납이 20세기 들어 급격히 늘었다는 사실을 밝힙니다. 원인은 유연휘발유였습니다.
이후 20년간 그는 석유 업계와 싸웁니다. 연구비가 끊기고 자문 자리에서 배제됐습니다. 결국 미국은 1970년대부터 유연휘발유를 규제했고, 어린이 혈중 납 농도는 극적으로 떨어졌습니다.
지구의 나이를 재려던 측정이 수많은 아이의 뇌를 지켰습니다. 기초 연구가 어디로 이어질지는 시작할 때 알 수 없습니다.
| 과목·영역 | 이 레슨과의 연결 | 성취기준 |
|---|---|---|
| 통합과학1 — 시간과 공간의 측정 | 다양한 규모의 측정 사례. 45억 년이라는 극단적 시간 규모를 어떻게 재는가 | [10통과1-01-01] |
| 통합과학1 — 측정과 어림 | 측정 표준과 오차의 의미. 실험실 오염이 측정을 어떻게 망치는지, 패터슨의 초청정 실험실이 왜 필요했는지 | [10통과1-01-03] |
| 지구과학 — 절대 연령 | 방사성 동위원소를 이용한 절대 연령 측정. 성취기준이 직접 다루는 내용의 원형 사례 | [12지구02-01] |
| 지구시스템과학 — 지구시스템의 형성 | 지구 탄생 시점의 확정. 이후 모든 지질시대 논의의 기준점 | [12지시01-01] |
켈빈은 계산을 정확히 하고도 틀렸습니다. 그의 실패에서 배울 점은 무엇일까요? 오늘날 우리가 하는 계산 중에도 "아직 발견되지 않은 무언가"가 빠져 있을 수 있다면, 그 가능성을 어떻게 다뤄야 할까요?
패터슨은 측정값이 자꾸 달라지자 시료가 아니라 실험실을 의심했습니다. 보통은 "실험을 잘못했나" 하고 다시 하기 마련입니다. 그가 다른 결론에 도달할 수 있었던 이유는 무엇이었을까요?
지구 나이 45억 4천만 년의 오차는 약 5천만 년입니다. 숫자만 보면 엄청나게 큰 오차 같습니다. 그런데 왜 과학자들은 이 값을 정밀하다고 할까요? 상대 오차를 직접 계산해 보고 판단해 보세요.
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