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대칭과 몬스터 : 현대 수학의 가장 위대한 탐구 | 고대 그리스 기하학에서 현대 끈이론까지
마크 로난, 마대건 ㅣ 승산 ㅣ Symmetry and the monster
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2021년 07월 21일
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9788961390798/8961390791
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  • 대칭이라는 말에서 사람들은 보통 전체를 구성하는 부분들 사이의 외적인 관계를 생각하는데, 가운데를 중심으로 각 부분들이 규칙적을 배열된 상태를 가리키기 위해 대칭이란 단어를 사용한다. 이 책에서는 대칭의 수학적 연구 방법에서부터 시작하여 몬스터에 이르기까지의 긴 이야기가 시작된다. 대칭과 관련된 모든 기본 개념들을 접하고, 최종적으로는 몬스터와 문샤인에 도달하게 될 것이다. 그 과정에서 우리는 대칭에 대해 상세히 살펴보고, 수학자들이 대칭을 이용하여 어떻게 심도 깊은 문제를 푸는지 알아볼 것이다. ‘대칭 이론’이라고 할 수 있는 ‘군론’은 현대 수학에서는 물론이거니와 현대 과학에서도 총아이다. 물리학과 화학 등에서 ‘군’의 개념은 결정적이다. 군을 말하지 않고 초끈이론을 어떻게 설명할 수 있을까? 군을 말하지 않고 결정이나 분자식을 어떻게 분류할 수 있을까? 군론의 정립은 갈루아부터 시작하였다고 하여도 과언이 아니다. 아름다움에는 패턴이 있고 패턴에는 대칭이 있다. 대칭은 아름다움의 핵심 코드이기 때문이다. 수학은 이 대칭의 아름다움을 군의 개념으로 경쾌하고 아름답게 표현하여 이성과 정신을 흡족하게 한다. 수학자들이 대칭을 이용하여 몬스터를 발견했지만 ‘몬스터’는 아직도 풀리지 않은 수수께끼로 남아있다. 아직은 아무도 그것을 완전히 이해하지 못하고 있고, 물리학과의 연결을 바라는 것은 불가능한 것으로 보고 있다. 이처럼 추상의 세계를 탐험하는 수학이 현실 세계와 맞닿는 방식은 매우 예측불가능하다. 몬스터의 모든 속성을 완전히 이해하고 규명하는 일은 우주의 구조를 밝히는 것과 같다. 이 책의 전반적인 이야기의 주제인 몬스터를 찾는 과정을 통해 몬스터가 수학 및 다른 분야와 어떤 연관성을 갖는지에 대해 독자들은 궁금증을 갖게 될 것이고, 결국에 그 일을 밝혀내는 일은 먼 훗날의 수학자들의 몫이 될 것이다.
  • 신비한 달빛을 좇는 대칭의 세계 수학은 완전히 이해하는 것이 불가능한 학문이다. 언제나 놀라움을 간직한 채 더 깊이 감추어진 것이 있다. 수학은 수학자들에게 창조성을 불러 일으켜 개개인의 능력을 넘어선 탐구로 이끌고 간다. 이 책을 통해 대칭과 관련된 모든 기본 개념들을 접하고, 최종적으로는 몬스터와 문샤인에 도달하게 된다. 수학자 존 콘웨이는 사이먼 노턴과 함께 몬스터와 정수론 사이에는 비록 그 이유는 모르지만 분명한 연관성이 있음을 확신하였다. 콘웨이는 이 모든 것에 문샤인이라는 이름을 붙였는데, 이것은 그가 이 발견에 의미가 없다고 생각했기 때문이 아니다. 오히려 새롭게 발견한 사실이 논리적인 과정을 통해 얻은 결과가 아니라, 마치 춤추는 아일랜드 레프러콘 요정에게서 신비한 달빛이 비추는 것과 같은 느낌을 받았기 때문이다. 또한, 문샤인에는 불법으로 증류된 술이란 뜻도 있는데, 이런 식의 연관성이 있다는 것이 금기를 어긴 것과도 같아 보였기 때문이었다. 문샤인에 도달하는 그 과정에서 대칭에 대해 상세히 살펴보고, 수학자들이 대칭을 이용하여 어떻게 심도 깊은 문제를 푸는지 알아볼 수 있게 된다. 정리는 수학에 있어서 혈액과 같다 정리는 수학의 핵심이며 이것이 수학자들이 앞으로 나아가는 방식이다. 수학적 정리 중 대표적인 예로는 ‘라그랑주의 정리’가 있다. 라그랑주는 갈루아가 방정식 문제를 해결하는 데 큰 영향을 끼친 업적을 제공했던 수학자다. 치환에 대한 라그랑주의 연구는 그의 업적 중 매우 적은 부분에 불과했지만 그 정리는 매우 중요했다. 정리란 참이라고 증명된 명제를 뜻하며, 정리 없이는 우리가 단단한 기초 위에 건물을 세운다는 확신을 할 수 없기 때문에 아무것도 얻을 수 없다. 만일 어떤 명제가 참인 것처럼 보여 그 위에 우리의 이론을 세웠는데, 나중에 그 명제가 거짓이라고 밝혀진다면 그 모든 체계가 무너지고 만다. 거짓된 명제를 참인 것으로 가정한 것에 기초하여 얻은 결과들은 모두 다시 증명해야만 한다. 수학자들은 이러한 부분에 매우 주의 깊게 행동한다. 중요한 결과, 즉 여러 곳에서 사용되는 결과는 모두가 만족할 정도로 증명되어야만 한다. 라그랑주의 정리로부터 흥미로운 질문이 제기된다. 이 질문은 이후에 1845년 코시에 의해 증명되었다. 코시는 수학의 세계에서 선구자적인 역할을 해 왔으며 광범위한 분야에 관심을 가진 수학자였다. 코시는 놀랄 만큼 생산적인 수학자였으며 엄청난 속도로 연구 논문을 써냈다. 라그랑주와 코시의 연구 결과에 갈루아의 깊은 아이디어를 더하여, 치환군을 보다 일관되고 체계적으로 다룰 필요가 있었고, 이것을 잘 처리한 사람이 카미유 조르당이었다. 그가 쓴 논문은 30년간 군론의 표준 참고서가 되었다. 군론의 기초에서 시작되는 몬스터의 이야기 군론은 무언가를 보다 단순한 요소로 분해하는 것은 과학에서 지극히 기본적인 방법이고, 그 핵심은 그 구성요소를 가능한 한 단순하게 만드는 단계에 이르는 데 있다. 예를 들어 임의의 물질은 분자로 분해되고, 이것은 다시 더욱 단순한 분자로 분해되며, 결국 이 분해과정의 끝은 원자 수준에 이르게 된다. 이 단계에 이르면 중간에 어떤 과정으로 분해하는 지와는 상관없이 언제나 같은 원자들의 모임을 얻게 된다. 여기서 단순군이 대칭에서 원자의 역할을 하게 된다. 이는 문제를 복잡하게 만들기도 하지만 그만큼 흥미롭기도 한데, 수학자들은 추상화의 세계로 들어섬으로써 이러한 복잡함을 피하는 좋은 방법을 알고 있다. 이들은 추상화된 군을 연구함으로써 이것을 실행한다. 이러한 군은 치환이 되거...
  • 저자 서문 ㆍㆍㆍ5 프롤로그 ㆍㆍㆍ9 1. 테아이테토스의 정이십면체 ㆍㆍㆍ15 2. 갈루아 : 한 천재의 죽음 ㆍㆍㆍ24 3. 무리수 해 ㆍㆍㆍ46 4. 군 ㆍㆍㆍ65 5. 소푸스 리 ㆍㆍㆍ78 6. 리 군과 물리학 ㆍㆍㆍ101 7. 무한에서 유한으로 ㆍㆍㆍ110 8. 세계대전 이후 ㆍㆍㆍ121 9. 위클에서 온 사나이 ㆍㆍㆍ133 10. 대정리 ㆍㆍㆍ151 11. 판도라의 상자 ㆍㆍㆍ168 12. 리치 격자 ㆍㆍㆍ188 13. 피셔의 몬스터 ㆍㆍㆍ207 14. 아틀라스 ㆍㆍㆍ224 15. 기괴한 미스터리 ㆍㆍㆍ248 16. 구성 ㆍㆍㆍ266 17. 문샤인 ㆍㆍㆍ280 주석 ㆍㆍㆍ297 부록 1. 황금비 ㆍㆍㆍ305 부록 2. 비트의 설계 ㆍㆍㆍ307 부록 3. 리치 격자 ㆍㆍㆍ309 부록 4. 26개의 예외적인 군 ㆍㆍㆍ311 용어 사전 ㆍㆍㆍ315 찾아 보기 ㆍㆍㆍ317
  • p.9 군론은 대칭을 연구하는 방법을 다룬다. 최근 이 분야에서는 여러 ‘차원’들에서 규칙을 벗어나는 예외적인 군이 발견되고 있었는데, 맥케이가 읽고 있던 논문은 정수론 분야의 논문이었다. 군론과 정수론 사이에는 별다른 관계가 없을 것이라 생각했기 때문에 이것은 그에게 있어 휴식의 일환이었다. 예외적인 군 중에서 가장 크기가 큰 것에는 ‘몬스터’라는 이름이 붙여져 있었다. p.17 이 책의 주제인 ‘몬스터’가 바로 그러한 경우에 해당한다. 이 책의 주제는 어마어마한 대칭성을 갖는 대상을 발견하고 그 비밀을 파헤쳐 나가는 것으로서, 플라톤의 입체들을 기억해두고 그 과정들에서 이를 떠올리면 이해하는 데 도움이 될 것이다. 어떤 대상의 대칭성은 수학적으로 기술할 수 있는데, 플라톤의 입체에 이를 어떻게 적용할 수 있는지 간략히 소개해보려 한다. 제일 먼저 살펴볼 것은 거울 대칭으로, 이것은 거울 밖의 모든 것들이 거울 안 속의 것들과 서로 교환한다. p.37-39 갈루아는 주어진 방정식에 대한 여러 근들 사이에 존재하는 대칭성의 양을 측정하고, (이것은 루피니가 했던 작업과 유사한 측면이 있다) 이를 창의적이고 새로운 방법으로 사용하였다. 대칭을 이용하는 갈루아의 아이디어들은 심오하고 앞으로 지대한 영향을 가져올 것이었으나 그 당시에는 아이디어 중 어느 것도 제대로 이해한 사람이 없었고, 정치적 사건으로 인해 갈루아의 연구는 과소평가되었다. p.55 주어진 방정식에 대하여 갈루아는 가능한 치환들을 모두 묶어 군을 구성하였다. 지금은 이것을 갈루아 군이라고 부른다. 갈루아 군은 현대 수학의 핵심 이론이 되었으며, 대수 방정식의 근에 대한 논의를 넘어서서 정수론에서도 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 갈루아 이론의 핵심은 하나의 군을 더 단순한 군들로 분해하는 아이디어에 있다. 이 과정을 반복하면 결국 더 이상 분해되지 않는 군들에 이른다. p.65 아직 군의 개념이 생소했던 19세기 중엽, 단순군을 찾기 위한 첫 번째 방법은 치환군을 살펴보는 것이었다. 이후 다양한 방법들이 고안되었지만 우리 역시 치환에서부터 시작하는 것이 좋을 것 같다. 이 방법의 핵심 아이디어는 치환을 여러 다양한 방법으로 제한하여 부분군을 얻는 것이다. p.73 조르당은 이 논문에서 갈루아의 연구 결과를 설명하고, 어떻게 임의의 유한군을 보다 단순한 군으로 분해하는지 보여주었다. 이는 부분군을 찾는 데서 그치는 것이 아니라 둘 이상의 군을 결합하여 원래의 군을 만들어내는 방법을 찾는 것을 의미한다. 이러한 것 중 최소한 하나는 원래 군의 부분군이지만, 다른 짝은 마치 케이크처럼 다른 층에 지어질 수 있다. 맨 아래층에 부분군이 위치하며 다른 군은 마치 케이크 위의 장식처럼 그 위에 얹힌 것이다. p.84 리는 갈루아의 연구를 굉장히 존경했으며 갈루아가 대수 방정식에 대해 한 일을 미분 방정식에 대해서도 적용하길 원했다. 미분 방정식은 변화율을 포함하는 방정식으로 경제학, 공학, 물리학 등 여러 분야에서 폭넓게 이용된다. 갈루아가 연구했던 대수 방정식에서 방정식의 해가 유한개였던 것과는 달리 미분 방정식에서는 무한히 많은 해를 가질 수 있다는 점에서 큰 차이가 있다. p.107 물리학자들은 자연에는 중력, 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력 이렇게 네 종류의 기본 힘이 있다고 믿는다. 중력은 아인슈타인의 일반 상대성이론에서 기술한 것처럼 시공간을 휘게 만든다. 나머지 세 개는 양자적 힘으로 물리학자들은 이들 힘 각각에 리 군을 대응시키고 이를 게이지 군이라고 부른다. ?
  • 마크 로난 [저]
  • 저자 마크 로난은 일리노이 대학 시카고 캠퍼스의 교수로 재직 중이며, 유니버시티 칼리지 런던의 수학과 방문 교수이다. 베를린과 브라운슈바이크에서 학생들을 가르쳤으며, 1980년대 후반에서 1990년대 초반에는 영국 버밍엄에서 수학과의 메이슨 교수였다. 그의 요즘 연구 분야는 대칭을 보여주는 기하적인 구조로서 이 분야에 여러 편의 연구 논문과 1989년 아카데믹 출판에서 출간한 교과서를 집필하였다. 수학 이외에도 로난은 음악을 매우 사랑한다. 그는 시카고의 리릭 오페라에서 10여 편의 작품에 배우로서 출연하였으며 〈호두까기 인형〉에서는 무용수로 출연하기도 하였다. 〈프린스턴 수학안내서〉의 공동저자 134인 중 1인이다.
  • 마대건 [저]
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