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우주 초기에 관한 기초부터 새로운 발전 이론까지 우주론의 모든 것을 알아보자!

최전선의 연구자들이 천문학의 기초를 설명하면서 본인의 경험을 포함한 최신 연구 성과를 보여주는「현대의 천문학 시리즈」 제2권 『우주론』 제1권 《우주의 시작》. 천문학의 생생한 현재를 접하고 우주를 향한 꿈을 키워나갈 수 있도록 도와주는 책이다. 21세기 우주시대를 살아갈 청소년은 물론 천체와 우주에 관심을 가족 있는 사람들에게 빠르게 발전해 가는 천문학의 기초와 현재 그리고 미래를 알 수 있도록 이끌어주며 천문학의 생생한 현재를 접하는 기회를 제공한다. 제2권에서는 우주의 시작이 있었다면 시작 전에는 무엇이 있었는지, 우리가 살고 있는 우주는 끝없이 펼쳐져 있는지, 아니면 끝이 있는 유한한 것인지 등 우주를 생각할 때면 누구나 떠올리게 되는 의문들을 과학적으로 연구하는 분야인 ‘우주론’에 대해 알아본다. 우주의 시작과 물리학이론에 기초한 이론 중심으로 구성되어 있으며 빅뱅과 그 후 약 38만 년 동안의 초기우주를 소개한다.

현대의 천문학 시리즈 는....

관측 기술이 발달하여 인류가 볼 수 있는 우주가 크게 넓어짐에 따라 천문학은 놀라운 추세로 발전하고 있으며, 천문학에 대한 사람들의 관심 또한 급격히 높아지고 있다. 우주의 끝으로 나아가려는 인류의 끝없는 노력은 인류의 시선을 현재 129억 광년 너머의 은하에까지 다다르게 했다. 이러한 시기에 천문학 연구의 최전선에 있는 연구자들이 천문학이나 우주에 관심이 있는 고등학생 정도의 수준이라면 누구나 이해할 수 있을 정도로 천문학의 기초를 설명하고 자신들의 최신 연구 성과를 보여 주는 17권에 달하는 ≪현대의 천문학 시리즈≫가 번역 출간되었다. 비록 일본에서 출간된 책을 번역하는 것이기는 하지만 그동안 다소 미흡했던 천문학 분야에서 한?일간 학술 교류의 장을 마련하고 더불어 일본의 연구를 타산지석으로 삼아 우리나라 천문학 연구의 미래를 가늠해 보는 기회가 되었으면 하는 마음에 방대한 ≪현대의 천문학 시리즈≫의 번역 출간을 결정하였으며, 이번에 그 두 번째 성과물을 번역 출간하게 된 것이다. 21세기 우주시대를 살아갈 청소년은 물론 천체와 우주에 관심을 갖고 있는 모든 사람들에게 빠르게 발전해 가는 천문학의 기초와 현재 그리고 미래를 알게 함으로써 천문학에 대한 이해를 바탕으로 앞으로 점점 더 치열해질 우주 연구에 있어서 경쟁력을 높일 수 있는 토대가 되었으면 하는 바람을 담아서 말이다. 이를 위해 다소 전문적인 내용을 독자들이 쉽게 이해할 수 있도록 정확하고 충실한 번역을 하기 위해서 각 권별로 전문전공자 가운데 실무와 교육에 두루 경험이 있는 덕망있는 분들께 번역을 의뢰하였다. 우리는 이 책들이 천문학의 생생한 현재를 접하는 기회를 제공함은 물론 우주를 향한 꿈을 키워 나가는 이들에게 작은 밑거름이 되었으면 한다.
우주의 시작이 있다면 언제였을까?
은하와 별들로 가득 찬 우주의 시작은 인간과 함께였을까?

현대의 천문학 시리즈의 두 번째 책인 『우주론 I _우주의 시작』은 우주의 시작과 그 이론을 중심으로 다루고 있으며, 빅뱅과 그 후 약 38만 년 동안의 초기우주를 소개하고 있다. 우주 초기로 거슬러 올라가면 물질은 궁극의 구성요소로 분해되므로, 이러한 현상을 이해하려면 소립자물리학에 대한 이해가 바탕이 되어야 한다. 바로 초기우주에 대한 연구를 소립자론이라고도 하는 이유이기도 하며, 이 책이 우주를 낱낱이 관측하는 것이 아니라 그 이론적 기초에 중점을 두어 설명하고 있음을 의미하기도 한다. 현대의 우주론이라 할 빅뱅 이론은, 소립자물리학 연구의 진척과 더불어 발전한 소립자론적 우주론에 의해 ‘우주는 무(無)의 상태에서 양자중력적 효과에 의해 생겨났으며 그 양자우주는 인플레이션이라 불리는 급격한 팽창을 시작했고, 그 팽창이 끝날 무렵 우주는 격하게 가열되어 불덩어리 우주가 되었으며, 인플레이션 중 급격한 팽창으로 양자 요동이 늘어나 지금의 우주 구조의 기원이 되었다’라는 우주 탄생의 시나리오를 제시한 바 있다. 이 인플레이션 이론에서 예측한 요동을 우주 배경복사 관측위성인 COBE나 WMAP이 관측함으로써 이 우주 탄생 시나리오는 큰 지지를 받게 되었으며 더불어 일반상대성이론이나 물리학이론을 적용하여 WMAP의 자료를 해석함으로써 우주 나이가 137억 년이라는 결과도 얻었다. 아인슈타인이 처음 상대성이론 논문을 쓴 지 100여 년 남짓 만에 인류는 우주 탄생에서 현재까지 우주 진화의 대략적 줄기를 이해하게 된 것이다.
이러한 과정을 설명하는 이 책은 총 7장으로 구성되어 있다. 제1장 우주론 입문에서는 우주론의 역사, 현재의 우주가 성립되기까지의 과정, 우주의 계층구조를 소개하고, 빅뱅이론은 아인슈타인의 상대성이론에 기초한 이론이며 빅뱅우주에서 물질이 어떻게 진화했는지도 간단히 설명한다. 제2장 상대론적 우주론에서는 우주 팽창의 해답을 비롯해 빅뱅이론의 기본적 틀이 되는 식(式)과 과제를 소개한다. 제3장에서는 뜨거운 초기우주에서 일어나는 소립자반응, 특히 중성미자나 암흑물질 후보의 반응을 소개하고, 제4장에서는 가모브가 빅뱅 모델을 제창하는 동기가 되었던 우주 초기의 원소 합성이론과, 그 원소 구성을 관측하고 비교하는 내용 등을 설명한다. 또한 인플레이션 이론 등 현재 이론의 기본적 틀을 제공한 초기 우주 이론이 자연계의 운동을 지배하는 기본적 힘을 통일한다는 통일이론으로부터 제창되었음도 소개한다. 제5장에서는 소립자의 표준이론이나 그것을 초월하는 시도로 초대칭성이론이나 대통일이론의 소개에 이어 그 이론들에 기초하여 진공의 상전이, 바리온수 문제, 암흑물질, 암흑에너지 문제를 설명한다. 또한 인플레이션 이론은 현대우주론의 최대 성과라는 사실은 제6장에서 자세하게 이야기한다. 제7장에서는 양자론적으로 우주의 탄생과 진화를 다루는 양자우주론을 소개하는데, 바로 우리가 속한 우주가 고차원 공간을 떠돌아다니는 ‘막우주’라는 이론으로 최근 관심을 모으고 있는 주제이기도 하다. 더불어 이 이론의 새로운 전개도 소개한다.
이렇듯 이 책은 우주론, 특히 우주 탄생 등 우주 초기에 관하여 기초부터 새로운 발전 이론까지 계통적으로 소개하고 있어서 설명하는 과정에서 수식이 많이 도입되어 다소 어렵다고 느낄 수도 있겠지만 차분히 읽어 내려가다 보면 천문학에 대한 새로운 흥미를 느끼게 될 것이다. 이 분야에 흥미를 갖고 공부하는 학생은 물론, 우주론 해설서부터 차근차근 깊이 있게 공부해 보고 싶은 사람이라면 꼭 읽어볼 것을 권한다. 더불어 우주론은 천문학의 큰 틀을 아우르는 것으로, 은하나 별의 탄생과 진화와 같은 다양한 천체현상도 빅뱅우주 전체의 진화와 분리시켜 생각할 수 없으므로 개별 천체나 다양한 천체현상에 흥미를 갖고 천문학을 익히려는 사람들에게도 천문학의 기초를 다지는 데 좋은 참고서가 되어 줄 것이다.

시리즈를 발간하며
머리말

제1장 우주론 입문
1.1 현대우주론의 역사
1.2 우주의 계층구조
1.3 우주의 물질사

제2장 상대론적 우주론
2.1 균일등방 우주모델
2.2 프리드만 방정식의 해
2.3 우주론적 적색편이
2.4 우주론 매개변수
2.5 거리와 적색편이의 관계
2.6 우주론적 지평선
2.7 지평선문제
2.8 평탄성문제

제3장 우주의 온도변화
3.1 팽창하는 우주에서 물질과 복사의 진화
3.2 쿼크-하드론 상전이
3.3 평형조건과 우주의 온도
3.4 팽창우주에서 입자수의 발전방정식
3.5 쌍소멸의 동결에 따른 입자수 밀도의 결정
3.6 결합제거 후의 분포
3.7 중성미자의 결합제거
3.8 경원소 합성
3.9 맑게 갠 우주

제4장 빅뱅 원소합성
4.1 경원소 합성의 기초
4.2 경원소의 관측
4.3 표준 빅뱅 원소합성과 바리온수
4.4 빅뱅 원소합성과 렙톤수
4.5 빅뱅 원소합성과 중성미자의 세대수
4.6 비균일 원소합성

제5장 소립자이론과 우주 초기
5.1 소립자의 표준모델
5.2 초대칭성이론
5.3 대통일이론
5.4 위상적 결함
5.5 바리온수 생성
5.6 암흑물질
5.7 암흑에너지

제6장 인플레이션
6.1 역사적 배경
6.2 지평선문제와 평탄성문제의 해결
6.3 스칼라장의 성장
6.4 인플레이션 모델
6.5 우주의 재가열
6.6 고전적 양자요동의 생성
6.7 선형 밀도요동의 게이지 불변 해석
6.8 요동의 발전방정식과 장파장 해
6.9 인플레이션 우주에서 곡률요동의 생성과 발전

제7장 양자중력과 양자우주론
7.1 특이점 정리와 양자중력의 필요성
7.2 터널 파동함수와 무경계조건 가설
7.3 초끈이론과 고차원우주론
7.4 브레인 우주론

참고문헌