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우주의 진화를 설명하는 대표적인 이론에는 ‘우주는 시간과 공간에 관계없이 항상 변하지 않는다.의 정상 우주론과‘우주는 시간이 지나면서 팽창하며 변화한다.’는 팽창 우주론이 있다. 일반 상대성 이론을 완성한 아인슈타인은 우주는 불변한다고 생각하여 정상 우주론에 대한 연구를 진행하였다. 아인슈타인는 일반 상대성 이론으로 유한하고 정적인 우주를 설명하기 위해 다음과 같은 두 가지 전제를 내세웠다. 첫 번째는‘우주는 전체적으로 균질하고 등방성을 가지고 있다.’는 것이다. 즉, 우주는 중력 때문에 부분적으로는 휘어진 공간이 있을지라도 전체적으로는 어느 부분이나 동일하다는 것이다. 이는 만약 어느 한 부분의 밀도가 주변보다 높다면 우주는 그곳을 중심으로 수축될 것이기 때문이다. 두 번째는‘우주는 전체적으로 정지되어 있고 그 평균 밀도는 시간에 따라 변하지 않는다.’는 것이다. 이는 첫 번째 전제와 함께 우주의 모습은 영원히 지속된다는 것을 의미한다. 아인슈타인은 이 두 가지 전제를 바탕으로 팽 창도 수축도 하지 않는 우주의 모습을 주장하였다. 그러나 아인슈타인은 한 가지 고민에 빠졌다. 아무리 우주가 균질하여 밀도의 변화가 없다고 하더라도 그의 중력장 방정식을 적용하면 우주는 자체의 질량 때문에 수축한다는 것이다. 우주가 정 상 상태이고 미래에도 그 모습을 계속 유지하려면 중력 때문에 수축되는 것을 막아 줄 반대 방향의 힘이 필요하였다. 그래서 그는 중력장 방정식에 미는 힘을 나타내는 우주항을 도입하여 이러한 문제점을 해결하려고 했다. 이 무렵 러시아의 물리학자 프리드만은 우주의 밀도가 시간에 따라 변한다고 생각하고, 이를 바탕으로 아인슈타인의 중력장 방정식에서 우주항을 빼고 풀어 보았다. 그 결과 우주는 밀도에 따라 팽창할 수도 수축할 수도 있는 등 다양한 답이 있다는 사실을 알게 되었다. 이에 따라 아인슈타인이 주장한 균질하고 정지한 우주라는 전제나 우주항의 도입은 필요 없게 되었다. 우주의 밀도가 시간에 따라 변한다는 프리드만의 이론에 따르면 우주의 모습은 우주 전체 질량에 따라 달라진다. 우주의 전체 질량이 어느 값보다 크다면 현재는 팽창하고 있지만 언젠가는 자체의 중력 때문에 수축하게 된다. 수축이 진행되면 내부에 에너지가 축적되고 밀도가 높아지면서 우주는 다시 팽창하게 되는 과정을 반복한다. 한편, 우주의 전체 질량이 어느 값보다 작다면 우주의 중력은 자체의 팽창을 멈추게 할 수 없어 계속 팽창하게 된다. 그리고 우주의 질량이 일정한 값이라면 우주는 일정하게 팽창한다. 이처럼 프리드만은 우주의 질량에 따라 서로 다른 형태로 나타나는 우주 모형을 제시하였다. 이후 허블이 우주가 팽창하고 있음을 밝히면서 아인슈타인은 정적인 우주론을 다시 생각하게 되었다. 인류는 오래전부터 ‘우주는 어떻게 시작되었을까?’ 그리고 ‘어떻게 우주의 모습이 현재의 모습으로 되었을까?’라는 질문을 해 왔다. 이 질문의 답을 찾기 위해 예로부터 여러 방면으로 연구를 해 왔으며, 허블에 이르러서야 그 답을 찾게 되었다. 허블 법칙에 따르면 우주는 계속 팽창하고 있다. 따라서 이렇게 팽창하는 우주에서 시간을 거꾸로 거슬러 올라가면 처음에는 우주가 아주 작았다고 생각할 수 있다. 이 작은 우주에는 현재 우주에 존재하는 모든 물질과 에너지가 모여 있었기 때문에, 초고온이며 초고밀도인 세계였다. 이처럼 초고온이며 초고밀도인 세계에서는 아직 우주가 탄생하지 않았으므로 시간도, 공간도 존재하지 않았다. 따라서 이러한 세계가 어떤 성질이었는지는 오늘날의 지식으로는 이해할 수 없다. 이와 같은 미지의 세계가 어느 순간에 거대한 폭발 을 일으키면서 지금의 우주가 탄생하였다. 이를 빅뱅이라고 한다. 탄생한 직후의 우주는 온도가 매우 높았다. 이처럼 우주의 온도가 높았던 것은 크기는 작았지만 그 안에 현재의 우주가 가지는 에너지를 모두 포함하고 있었기 때문이다. 이 안에서 빛을 포함하여 여러 종류의 소립자가 형성되었다. 소립자란 물질을 나누었을 때 더 이상 구분할 수 없는 가장 작은 물질들이다. 이때 만들어진 소립자는 물질을 구성하는 입자인 쿼크와 전자 등이었다. 또 이와는 반대의 성질을 갖는 반입자인 반쿼크와 양전자도 존재하였다. 따라서 최초의 우주에는 빛이 되는 광자, 입자, 반입자가 혼합되어 존재하고 있었다. 당시의 우주는 온도가 매우 높았기 때문에 높은 에너지를 가지는 빛이 순간적으로 입자와 반입자를 생성하고 사라지는 경우가 있었다. 이와 같은 과정을 쌍생성이라고 한다. 반대로 입자와 반입자가 서로 충돌할 때 순간적으로 소멸하면서 빛을 방출하였다. 이와 같은 과정을 쌍소멸이라고 한다. 초기의 우주에서는 이처럼 입자와 반입자의 쌍생성과 쌍소멸이 반복되면서 다양한 변화를 겪고 있었다. 그러나 이때 우주에 존재하던 입자의 수가 반입자의 수보다 약 10억 개당 1개 정도의 비율로 많았기 때문에, 소멸하지 않고 남은 입자는 이후 물질을 만들게 되었다. 우주가 팽창하면서 온도가 더 낮아지자 쌍생성과 쌍소멸의 과정은 멈추게 되었다. 즉, 빛에서 더 이상 새롭게 물질을 만들어 내지 못하게 된 것이다. 이처럼 환경이 변하자 일부 입자들은 무리를 지으면서 새롭게 물질을 생성하기 시작하였다. 우주가 탄생하고 약 10 초가 지나자 우주 공간에서 자유롭게 움직이던 입자인 쿼크 사이에 힘이 작용하면서 이들이 결합하여 양성자와 중성자를 생성하였다. 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개가 결합하여 생성되었으며, 중성자는 업 쿼크 1개와 다운 쿼크 2개 가 결합하여 생성되었다. 이때 다운 쿼크의 질량이 업 쿼크의 질량보다 조금 더 컸으므로, 생성된 중성자의 질량이 양성자의 질량보다 약 0.1% 더 컸다. 이때의 우주에서는 양성자가 중성자로 변하거나 중성자가 양성자로 변하는 일이 빈번 하였다. 질량이 큰 중성자가 양성자로 바뀔 때는 질량 차이만큼 주위로 에너지를 방출하였고, 반대로 양성자가 중성자로 바뀔 때는 질량 차이만큼 주위에서 에너지를 흡수하였다. 당시에는 우주의 온도가 높았기 때문에 중성자가 양성자로 변하는 데 필요한 에너지를 주변에서 쉽게 얻을 수 있었다. 그러나 우주가 더욱 팽창하여 온도가 더 낮아지자 양성자는 주위에서 에너지를 얻지 못하게 되면서 중성자로 변할 수 없게 되었다. 한편 중성자 는 주위에서 에너지를 얻을 필요가 없었으므로 양성자로 계속 변화하였다. 이 때문에 우주에는 중성자보다 양성자의 수가 더 많아지게 되었다.