**우주의 탄생**
1.우주의 인플레이션
터널효과에 의해 태어난 우주는 지름이 10의 -34승cm밖에 되지 않는 소립자보다도 작은 초미니 우주였다. 그러나, 이 초미니 우주는 높은 진공의 에너지를 가지고 있었다. 높은 진공의 에너지는 아인슈타인의 우주항과 마찬가지로 반발력이 되어 공간을 급격히 팽창시킨다. 이것이 우주의 인플레이션이다. 인플레이션 팽창은 빅뱅 팽창보다도 훨씬 격렬하다. 이를테면, 지름1mm인 구슬이 인플레이션 팽창을 일으키면 1초의 1조분의 1의 1조분의 1의 100억분의 1의 사이에 1000억 광년의 크기로 커지게 될것이다. 갓 태어난 초미니 우주는 인플레이션에 의해 갑자기 거대한 우주로 진화한 것이다.
2.우주의 상전이와 아기 우주
비렝킹에 따르면 우주는 터널효과에 의해'무'에서 갑자기 태어났다. 이 우주는 소멸하고 다시'무'로 되돌아가는 일이 없는 것일까? 그러나, 비렝킹은 일단 우주가 태어나면 소멸되어 무로 되돌아가는 쪽보다도 인플레이션을 일으켜 팽창하는 쪽이 우주의 퍼텐셜 에너지를 낮춘다는 것을 발견하였다.(자연은 항상 퍼텐셜에너지가 낮아지려는 쪽으로 이동을 한다.) 그러므로 우주는 일단 태어나면, 인플레이션을 일으키고 매크로 우주로 진화되도록 되어 있는 것이다. 인플레이션 도중에 우주에서는 상전이가 일어나는데 이상전이는 높은 에너지의 낡은 진공이 낮은 에너지의 새로운 진공으로 이전하는 것이다. 이것은 물이 0도를 경계로 하여 에너지가 낮은 얼음으로 상전이를 하는 것과 비슷하다. 상전이는 우주전체에서 한꺼번에 일어나는 것은 아니다. 물이 얼 때도 먼저 작은 얼음의 핵이 생기고 그것이 차츰 커져 간다. 우주의 상전이도 마찬가지식으로 진행된다. 우주의 낡은 진공 속에서 새로운 진공의 거품이 차례로 탄생하였다. 그런 과정에서 우주에는 극적인 일이 일어났다. 새로운 진공의 거품에 의해 밀려서 찌부러지게 된 낡은 진공의 영역이 인플레이션을 일으켜 또 다른'자식우주'로 진화하게 되는 것이다. 부모 우주와 자식우주는 전혀 다른 우주인데 이들은 웜홀(wormhole)에 의해 연결되어있다. 자식 우주도 인플레이션을 일으켜 상전이하므로 자식우주에서도 새로운 손자 우주가 태어난다. 이렇게 하여 부모 우주가 하나 만들어지면 거기서부터 무수한 자식 우주와 손자우주가 탄생한다. 이것을 '우주의 다중발생'이라고 한다. 우리가 살고 있는 이 우주도 무수히 만들어진 우주의 하나인지도 모른다.
3.빅뱅
우주의 공간과 시간은 양자중력효과에 의해 '무'에서 태어났다. 그렇다면 우리들의 몸이나 별을 구성하고 있는 물질은 언제, 어떻게 만들어진 것일까? 우주는 태어나자마자 진공의 에너지에 의해 인플레이션을 일으킨다. 이때 급격히 팽창하는 것은 높은 에너지를 가진낡은 진공이다. 결국, 인플레이션을 일으키고 있는 우주 속에는 낡은 진공의 높은 에너지가 대량으로 저장되는 것이다 . 진공이 상전이를 하면 이 에너지는 한꺼번에 풀려 나온다. 그렇기 때문에 상전이 후의 우주는 빛의 에너지가 가득한 불덩이가 되는데 이순간이 바로 '빅뱅'이다.
4.소립자의 생성
물질은 이 빅뱅에 의해서 만들어졌다. 상대론에 따르면 에너지와 몰질은 서로 자유로이 전환된다. 우주 탄생서 X라 불리우는 소립자와 그 반입자가 대량만들어졌다. 이윽고 X입자와 반X입자는 부서지고, 현재 물질의 최소 소립자인 쿼크(quark)와 렙톤(lepton), 그리고 그들의 반입자가 만들어졌다. (쿼크와 렙톤: 현대의 소립자물리학은 6종류의 쿼크와 6종류의 렙톤의 조합으로 모든 물질이 구성된다고생각 하고 있다. 쿼크는 양성자나 중성자등을 만드는 소립자이고 렙톤은 전자나 중성미자 등을 말한다. 힘의 통일 이론은 우주의 아주 초기에는 쿼크와 렙톤도 동일한 입자였다고 예언한다. 그리고 쿼크와 렙톤을 동일한 입자로 하는 기능을 발휘한것이 X입자였다는것이다.) 그래서 우주에는 대량의 쿼크와 렙톤, 그리고 그 반입자가 만들어졌다. 입자와 반입자는 서로만나면 소멸되어 에너지로 되돌아가고 만다. 이것을 "쌍소멸"이라고 한다. 우주의 온도가 내려 감에 따라 쿼크, 렙톤과 반렙톤도 쌍소멸을 하기 시작하였다. 만일 입자와 반입자가 완전히 같은 수만큼 만들어졌다면, 빅뱅을 통해 만들어진 입자와 반입자는 마침내 모두 소멸해 버렸을 것이다. 그런데 이상하게도 자연은 입자와 반입자에 약간의 차이점을 지니도록 하고 하고 있었다. 이것을 'CP의 불변성 깨짐'이라고 하며 현재도 실험을 통해확인되고있다. 그차이는 반입자가 10억개 만들어지면 입자는 10억개보다 1개더 만들어질정도로 아주 미미한것이었다. 그러나 이런한 근소한 차이 때문에 반입자가 모두 소멸하고 입자만 남게 되어 현재의 물질세계가 만들어졌다.
5.원자의 생성
우주탄생에서 0.00001초, 우주의 온도가 1조K(절대온도)로 내려갔을 때 우주에 다시 상전이가 일어났다. 이것을 '쿼크-하드론'상전이라고 한다.(쿼크-하드론 상전이:쿼크는 색이라는 성질을 가지고 있는데 상전이전의 각각의 쿼크는 적색, 초록색, 청색의 어느상태에 있었다. 적색, 초록새, 청색은 빛의 3원색으로 3색을 다섞으면 백색이된다. 우주의 온도가 10억K보다 낮아지면 색 사이의 인력에 의해 적색, 초록색, 청색의 쿼크가 3개씩 모여 전체가 백색인 하드론이 형성되는것이다.) 그때까지 단독으로 날아다리고 있던 쿼크가 3개씩 모여 양성자나 중성자 등의 하드론을 형성하였다. 또한우주의 온도가 10억K까지 내려 간 우주 탄생3분후 이번에는 양성자와 중성자가 결합하여 다양한 원소의 원자핵이 만들어졌다. 이때도 우주에는 다행스런 상황이 벌어졌다. 만일 우주가 천천히 식어갔다면 모든 양성자와 중성자는 가장 안정한 원소인 철로 되어버리고 말았을 것이다 . 그런데 다행이도 우주는 빅뱅이라는 팽창을 하고 있었기때문에 우주의 온도는 급격히 내려갔다. 그래서 양성자나 중성자로부터 수소와 중수소, 헬륨이라는 가벼운 원소만이 만들어진 것이다. 별들은 현재 이수소를 원료로 삼아 빛나고 있다.
6.우주의 맑게 갬과 우주배경복사
온도가 10억 K나 되었던 이무렵의 우주에서는 원자핵과 전자는 원자를 구성할수 없었고, 따라서 이러한 상태를 '플라즈마'라한다. 플라즈마안에서는 빛이 전자에 의해 산란이되기 때문에 빛이 먼 거리를 이동할수 없었고, 따라서 이것은 짙은 구름속에서앞이 잘 보이니 않는 경우와 비슷했었다. 우주가 탄생한지 10만년후에 우주의 온도가 1만K가 되면, 자유스럽게 날아다니던 전자는 원자핵에 붙들려 원자핵주위를 돌기 시작했다. 드디어원자가 만들어진것이다. 전자의 산란을 받지 않게된 빛은 우주안을 자유로이 날기 시작하였다. 이순간을 '우주의 맑게갬'이라고 한다. 우주가 맑게 개는 순간은 구름속의 항공기가 밖으로 나온 순간과 비슷하다. 이때 뒤쪽을 돌아보면 빠져나온 구름의 모습이 보일 것이다. 1965년 미국의 벨 전화 연구소의 페지어스와 윌슨은 우주의 모든 방향에서 오는 같은 파장의 전파를 포착하였다. '우주배경복사(cosmic background radiation)'라 불리는 이전파는 온도로 따지면 약2.7K이다. 우주의 온도는팽창과 함께 낮아졌다. 그러므로 2.7K의 전파도 예전에는 이보다 훨씬 높은 온도를 지녔을 것이다 .시간을 역으로 돌리면 이 2.7K인 전파는 우주탄생10만년 후에는 약 4000K인 빛이된다. 이 전파야말로 맑게 갠 순간의 우주에서 복사된 빛이었다.
7.별과 은하의 생성
맑게 갠 우주는 계속 팽창하면서 조용히 식어갔다. 이 조용한 우주에서 별이나 은하, 초은하단이 형성되었다고 생각되고있다. 그러나, 그형성메커니즘은 아직 거의 알려져 있지 않다. 많은 연구자들은 우주 초기의 구름에 밀도의 차이가 있고 밀도가 높은 곳에 원자가 모여 은하들이 생겨났다고 생각 하고 있다. 이 시나리오에도 두가지가 있는데 그 하나는 우주 구름의 밀도 차이가 매우 컸기 때문에 맨 처음 초은하단이 만들어지고, 그 다음에 이 초은하단이 분열하여 은하나 별이 생겼다고 하는것이다. 또다른 하나는 우주의 구름은 거의 균질했기 때문에 맨처음에 별이 만들어지고, 그들이 모여 은하가 생겼다는 것이다. 최근, 우주에는 눈에 보이는 물질의 100배이상의 암흑물질이존재한다는 것이 알려졌다. 그래서 천체의 형성도 이암흑물질을 무시하고는생각할수없게 되었다. 우주에 별이 생기면 그 중심부에서 핵융합반응이 시작된다. 이 반응을 통해 우주초기에 만들어진 수소나 헬륨에서 탄소나 질소, 산소 등의 무거운 원소는 별의 폭발과 함께 우주에 흩뿌려지는데 이것이 행성의 재료가 된다. 태양이라 불리는 별주위에 생긴 제3 의 행성지구는별에서 적당한 거리에 있었기에 수소와 산소로 구성된 물이 표면에 많이 존재할수 있었다. 물속에 녹아 있던 탄소와 질소는 아주 오린 시간에 걸쳐 차츰 복잡한 유기물을 만들었으며 드디어 하나의 완전히 새로운 존재를 만들었다. 그것이 바로 지구에 태어난 생명이고 생명은 더욱발전하여 35억년 가량의 시간이 지난 후 새로운 단계로 진화하게 되었다. 자신을 만들어낸 우주를 탐구하는 인류가 탄생된 것이다.
