2018년 11월 30일 금요일

2018 에이엠씨 미국수학경시 AMC 8 Problems 기출문제

Problem 1

An amusement park has a collection of scale models, with ratio 1 : 20 , of buildings and other sights from around the country. The height of the United States Capitol is 289 feet. What is the height in feet of its replica to the nearest whole number?
$\textbf{(A) }14\qquad\textbf{(B) }15\qquad\textbf{(C) }16\qquad\textbf{(D) }18\qquad\textbf{(E) }20$

Problem 2

What is the value of the product\[\left(1+\frac{1}{1}\right)\cdot\left(1+\frac{1}{2}\right)\cdot\left(1+\frac{1}{3}\right)\cdot\left(1+\frac{1}{4}\right)\cdot\left(1+\frac{1}{5}\right)\cdot\left(1+\frac{1}{6}\right)?\]

$\textbf{(A) }\frac{7}{6}\qquad\textbf{(B) }\frac{4}{3}\qquad\textbf{(C) }\frac{7}{2}\qquad\textbf{(D) }7\qquad\textbf{(E) }8$

Problem 3

Students Arn, Bob, Cyd, Dan, Eve, and Fon are arranged in that order in a circle. They start counting: Arn first, then Bob, and so forth. When the number contains a 7 as a digit (such as 47) or is a multiple of 7 that person leaves the circle and the counting continues. Who is the last one present in the circle?
$\textbf{(A) } \text{Arn}\qquad\textbf{(B) }\text{Bob}\qquad\textbf{(C) }\text{Cyd}\qquad\textbf{(D) }\text{Dan}\qquad \textbf{(E) }\text{Eve}$

Problem 4

The twelve-sided figure shown has been drawn on  $1 \text{ cm}\times 1 \text{ cm}$ graph paper. What is the area of the figure in $\text{cm}^2$?
[asy] unitsize(8mm); for (int i=0; i<7; ++i) {   draw((i,0)--(i,7),gray);   draw((0,i+1)--(7,i+1),gray); } draw((1,3)--(2,4)--(2,5)--(3,6)--(4,5)--(5,5)--(6,4)--(5,3)--(5,2)--(4,1)--(3,2)--(2,2)--cycle,black+2bp); [/asy]

$\textbf{(A) } 12 \qquad \textbf{(B) } 12.5 \qquad \textbf{(C) } 13 \qquad \textbf{(D) } 13.5 \qquad \textbf{(E) } 14$

Problem 5

What is the value of ? $1+3+5+\cdots+2017+2019-2-4-6-\cdots-2016-2018$

$\textbf{(A) }-1010\qquad\textbf{(B) }-1009\qquad\textbf{(C) }1008\qquad\textbf{(D) }1009\qquad \textbf{(E) }1010$

Problem 6

On a trip to the beach, Anh traveled 50 miles on the highway and 10 miles on a coastal access road. He drove three times as fast on the highway as on the coastal road. If Anh spent 30 minutes driving on the coastal road, how many minutes did his entire trip take?
$\textbf{(A) }50\qquad\textbf{(B) }70\qquad\textbf{(C) }80\qquad\textbf{(D) }90\qquad \textbf{(E) }100$

Problem 7

The 5-digit number    2018U  is divisible by 9. What is the remainder when this number is divided by 8 ?
$\textbf{(A) }1\qquad\textbf{(B) }3\qquad\textbf{(C) }5\qquad\textbf{(D) }6\qquad\textbf{(E) }7$

Problem 8

Mr. Garcia asked the members of his health class how many days last week they exercised for at least 30 minutes. The results are summarized in the following bar graph, where the heights of the bars represent the number of students.
[asy] size(8cm); void drawbar(real x, real h) {   fill((x-0.15,0.5)--(x+0.15,0.5)--(x+0.15,h)--(x-0.15,h)--cycle,gray); } draw((0.5,0.5)--(7.5,0.5)--(7.5,5)--(0.5,5)--cycle); for (real i=1; i<5; i=i+0.5) {   draw((0.5,i)--(7.5,i),gray); } drawbar(1.0,1.0); drawbar(2.0,2.0); drawbar(3.0,1.5); drawbar(4.0,3.5); drawbar(5.0,4.5); drawbar(6.0,2.0); drawbar(7.0,1.5); for (int i=1; i<8; ++i) {   label("$"+string(i)+"$",(i,0.25)); } for (int i=1; i<9; ++i) {   label("$"+string(i)+"$",(0.5,0.5*(i+1)),W); } label("Number of Days of Exercise",(4,-0.1)); label(rotate(90)*"Number of Students",(-0.1,2.75)); [/asy]What was the mean number of days of exercise last week, rounded to the nearest hundredth, reported by the students in Mr. Garcia's class?
$\textbf{(A) }1\qquad\textbf{(B) }3\qquad\textbf{(C) }5\qquad\textbf{(D) }6\qquad\textbf{(E) }7$

Problem 9

Tyler is tiling the floor of his 12 foot by 16 foot living room. He plans to place one-foot by one-foot square tiles to form a border along the edges of the room and to fill in the rest of the floor with two-foot by two-foot square tiles. How many tiles will he use?
$\textbf{(A) }48\qquad\textbf{(B) }87\qquad\textbf{(C) }91\qquad\textbf{(D) }96\qquad \textbf{(E) }120$

Problem 10

The Harmonic Mean of a set of non-zero numbers is the reciprocal of the average of the reciprocals of the numbers. What is the harmonic mean of 1, 2, and 4?
$\textbf{(A) }\frac{3}{7}\qquad\textbf{(B) }\frac{7}{12}\qquad\textbf{(C) }\frac{12}{7}\qquad\textbf{(D) }\frac{7}{4}\qquad \textbf{(E) }\frac{7}{3}$

Problem 11

Abby, Bridget, and four of their classmates will be seated in two rows of three for a group picture, as shown.
\begin{eqnarray*} \text{X}&\quad\text{X}\quad&\text{X} \\ \text{X}&\quad\text{X}\quad&\text{X}  \end{eqnarray*}
If the seating positions are assigned randomly, what is the probability that Abby and Bridget are adjacent to each other in the same row or the same column?
$\textbf{(A) } \frac{1}{3} \qquad \textbf{(B) } \frac{2}{5} \qquad \textbf{(C) } \frac{7}{15} \qquad \textbf{(D) } \frac{1}{2} \qquad \textbf{(E) } \frac{2}{3}$

Problem 12

The clock in Sri's car, which is not accurate, gains time at a constant rate. One day as he begins shopping he notes that his car clock and his watch (which is accurate) both say 12:00 noon. When he is done shopping, his watch says 12:30 and his car clock says 12:35. Later that day, Sri loses his watch. He looks at his car clock and it says 7:00. What is the actual time?
$\textbf{(A) }5:50\qquad\textbf{(B) }6:00\qquad\textbf{(C) }6:30\qquad\textbf{(D) }6:55\qquad \textbf{(E) }8:10$

Problem 13

Laila took five math tests, each worth a maximum of 100 points. Laila's score on each test was an integer between 0 and 100, inclusive. Laila received the same score on the first four tests, and she received a higher score on the last test. Her average score on the five tests was 82. How many values are possible for Laila's score on the last test?
$\textbf{(A) }4\qquad\textbf{(B) }5\qquad\textbf{(C) }9\qquad\textbf{(D) }10\qquad \textbf{(E) }18$

Problem 14

Let N  be the greatest five-digit number whose digits have a product of 120. What is the sum of the digits of N?
$\textbf{(A) }15\qquad\textbf{(B) }16\qquad\textbf{(C) }17\qquad\textbf{(D) }18\qquad\textbf{(E) }20$

Problem 15

In the diagram below, a diameter of each of the two smaller circles is a radius of the larger circle. If the two smaller circles have a combined area of $1$ square unit, then what is the area of the shaded region, in square units?
[asy] size(4cm); filldraw(scale(2)*unitcircle,gray,black); filldraw(shift(-1,0)*unitcircle,white,black); filldraw(shift(1,0)*unitcircle,white,black); [/asy]
$\textbf{(A) } \frac{1}{4} \qquad \textbf{(B) } \frac{1}{3} \qquad \textbf{(C) } \frac{1}{2} \qquad \textbf{(D) } 1 \qquad \textbf{(E) } \frac{\pi}{2}$

Problem 16

Professor Chang has nine different language books lined up on a bookshelf: two Arabic, three German, and four Spanish. How many ways are there to arrange the nine books on the shelf keeping the Arabic books together and keeping the Spanish books together?
$\textbf{(A) }1440\qquad\textbf{(B) }2880\qquad\textbf{(C) }5760\qquad\textbf{(D) }182,440\qquad \textbf{(E) }362,880$


Problem 17

Bella begins to walk from her house toward her friend Ella's house. At the same time, Ella begins to ride her bicycle toward Bella's house. They each maintain a constant speed, and Ella rides 5 times as fast as Bella walks. The distance between their houses is 2 miles, which is 10560 feet, and Bella covers 2.5 feet with each step. How many steps will Bella take by the time she meets Ella?
$\textbf{(A) }704\qquad\textbf{(B) }845\qquad\textbf{(C) }1056\qquad\textbf{(D) }1760\qquad \textbf{(E) }3520$

Problem 18

How many positive factors does 23232 have?
$\textbf{(A) }9\qquad\textbf{(B) }12\qquad\textbf{(C) }28\qquad\textbf{(D) }36\qquad\textbf{(E) }42$

Problem 19

In a sign pyramid a cell gets a "+" if the two cells below it have the same sign, and it gets a "-" if the two cells below it have different signs. The diagram below illustrates a sign pyramid with four levels. How many possible ways are there to fill the four cells in the bottom row to produce a "+" at the top of the pyramid?
[asy] unitsize(2cm); path box = (-0.5,-0.2)--(-0.5,0.2)--(0.5,0.2)--(0.5,-0.2)--cycle; draw(box); label("$+$",(0,0)); draw(shift(1,0)*box); label("$-$",(1,0)); draw(shift(2,0)*box); label("$+$",(2,0)); draw(shift(3,0)*box); label("$-$",(3,0)); draw(shift(0.5,0.4)*box); label("$-$",(0.5,0.4)); draw(shift(1.5,0.4)*box); label("$-$",(1.5,0.4)); draw(shift(2.5,0.4)*box); label("$-$",(2.5,0.4)); draw(shift(1,0.8)*box); label("$+$",(1,0.8)); draw(shift(2,0.8)*box); label("$+$",(2,0.8)); draw(shift(1.5,1.2)*box); label("$+$",(1.5,1.2)); [/asy]
 $\textbf{(A) } 2 \qquad \textbf{(B) } 4 \qquad \textbf{(C) } 8 \qquad \textbf{(D) } 12 \qquad \textbf{(E) } 16$

Problem 20

In triangle ABC a point E is on AB with AE= 1 and EB= 2 Point D is on AC so that DE ll BC and point F is on BC so that EF ll AC. What is the ratio of the area of CDEF to the area of triangle ABC?


[asy] size(7cm); pair A,B,C,DD,EE,FF; A = (0,0); B = (3,0); C = (0.5,2.5); EE = (1,0); DD = intersectionpoint(A--C,EE--EE+(C-B)); FF = intersectionpoint(B--C,EE--EE+(C-A)); draw(A--B--C--A--DD--EE--FF,black+1bp); label("$A$",A,S); label("$B$",B,S); label("$C$",C,N); label("$D$",DD,W); label("$E$",EE,S); label("$F$",FF,NE); label("$1$",(A+EE)/2,S); label("$2$",(EE+B)/2,S); [/asy]
$\textbf{(A) } \frac{4}{9} \qquad \textbf{(B) } \frac{1}{2} \qquad \textbf{(C) } \frac{5}{9} \qquad \textbf{(D) } \frac{3}{5} \qquad \textbf{(E) } \frac{2}{3}$

Problem 21

How many positive three-digit integers have a remainder of 2 when divided by 6, a remainder of 5 when divided by 9, and a remainder of 7 when divided by 11?
$\textbf{(A) }1\qquad\textbf{(B) }2\qquad\textbf{(C) }3\qquad\textbf{(D) }4\qquad \textbf{(E) }5$

Problem 22

Point E is the midpoint of side CD in square ABCD and BE meets diagonal AC at F. The area of quadrilateral AFED is 45. What is the area of ABCD?
[asy] size(5cm); draw((0,0)--(6,0)--(6,6)--(0,6)--cycle); draw((0,6)--(6,0)); draw((3,0)--(6,6)); label("$A$",(0,6),NW); label("$B$",(6,6),NE); label("$C$",(6,0),SE); label("$D$",(0,0),SW); label("$E$",(3,0),S); label("$F$",(4,2),E); [/asy]

$\textbf{(A) } 100 \qquad \textbf{(B) } 108 \qquad \textbf{(C) } 120 \qquad \textbf{(D) } 135 \qquad \textbf{(E) } 144$

Problem 23

From a regular octagon, a triangle is formed by connecting three randomly chosen vertices of the octagon. What is the probability that at least one of the sides of the triangle is also a side of the octagon?
[asy] size(3cm); pair A[]; for (int i=0; i<9; ++i) { A[i] = rotate(22.5+45*i)*(1,0); } filldraw(A[0]--A[1]--A[2]--A[3]--A[4]--A[5]--A[6]--A[7]--cycle,gray,black); for (int i=0; i<8; ++i) { dot(A[i]); } [/asy]
$\textbf{(A) } \frac{2}{7} \qquad \textbf{(B) } \frac{5}{42} \qquad \textbf{(C) } \frac{11}{14} \qquad \textbf{(D) } \frac{5}{7} \qquad \textbf{(E) } \frac{6}{7}$


Problem 24

In the cube ABCDEFGH with opposite vertices C and E, J and I are the midpoints of edges FB and HD,respectively. Let R be the ratio of the area of the cross-section EJCI  to the area of one of the faces of the cube. What is R^2
[asy] size(6cm); pair A,B,C,D,EE,F,G,H,I,J; C = (0,0); B = (-1,1); D = (2,0.5); A = B+D; G = (0,2); F = B+G; H = G+D; EE = G+B+D; I = (D+H)/2; J = (B+F)/2; filldraw(C--I--EE--J--cycle,lightgray,black); draw(C--D--H--EE--F--B--cycle);  draw(G--F--G--C--G--H); draw(A--B,dashed); draw(A--EE,dashed); draw(A--D,dashed); dot(A); dot(B); dot(C); dot(D); dot(EE); dot(F); dot(G); dot(H); dot(I); dot(J); label("$A$",A,E); label("$B$",B,W); label("$C$",C,S); label("$D$",D,E); label("$E$",EE,N); label("$F$",F,W); label("$G$",G,N); label("$H$",H,E); label("$I$",I,E); label("$J$",J,W); [/asy]
$\textbf{(A) } \frac{5}{4} \qquad \textbf{(B) } \frac{4}{3} \qquad \textbf{(C) } \frac{3}{2} \qquad \textbf{(D) } \frac{25}{16} \qquad \textbf{(E) } \frac{9}{4}$

Problem 25

How many perfect cubes lie between 2^8+1 and 2^18+1, inclusive?
$\textbf{(A) }4\qquad\textbf{(B) }9\qquad\textbf{(C) }10\qquad\textbf{(D) }57\qquad \textbf{(E) }58$

Aops



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2018년 11월 28일 수요일

가장 큰 소수(素數) 찾기

1천달러 상금의 주인은 누구?

지난 1월 캘리포니아 주립대의 한 시골 캠퍼스에 다니는 19세의 롤랜드 클락슨은 펜티엄 컴퓨터를 이용해 이때까지 발견한 어느 소수보다 큰 소수(${2}^{3021377}$-1)를 발견했다.

이 소수는 10진법으로 환산하면 90만9천5백26자리가 되며, 1cm에 4개씩 들어가는 활자(12포인트)로 과학동아 지면을 4백55장 메꿀 수 있을 만큼 큰 수다. 그냥 한 줄로 쓰면 2.3km나 뻗어나간다. 매일 8시간씩 한달 동안 읽어야 할 만큼 긴 수가 1을 제외하고 자신보다 작은 수로 나누지지 않는다는 사실이 좀처럼 믿어지지 않는다.

자연수 중에서 1과 자신으로밖에 나누어지지 않는 수, 즉 2, 3, 5, 7, 11,…과 같은 수를 소수(素數)라고 한다. 소수가 무한히 많다는 것은 기원전 3세기경에 유클리드(기원전 303?-275?)가 쓴 '원론'에도 증명돼 있다. 소수의 개념은 간단하지만 아직 많은 미해결의 문제를 가지고 있다. 그래서 어떤 수학자는 소수를 '수론(數論)의 꽃'이라고 부르기도 한다.
 
(표1) 53자리 미만의 완전수^6,28,496,8128 등은 기원전에 이미 완전수로 알려졌다.

컴퓨터 성능 진단

소수는 컴퓨터 발달과 더불어 날로 중요성이 더해가고 있다. 컴퓨터 성능을 확인할 때 소수만큼 유용한 것이 없기 때문이다. 미리 알고 있는 소수를 컴퓨터에게 찾아보라고 해서 그 결과를 비교해보면 컴퓨터가 제대로 계산해내는지를 알 수 있기 때문이다.

이와 달리 컴퓨터를 이용해 새로운 소수를 찾기도 한다. 1963년 일리노이대 디지털컴퓨터연구소에 근무하던 도널드 길리스(1928-75)는 새로 개발한 슈퍼컴퓨터 일리악 II를 시험하는 과정에서 ${2}^{9689}$-1, ${2}^{9941}$-1, ${2}^{11213}$-1 등 세 소수를 발견했다. 이와 같이 새로운 컴퓨터를 설계하거나 설치할 때는 성능을 시험하기 위해 큰 소수를 찾거나 소수점 아래 수십만 자리의 π값을 계산한다. 일리노이대에서는 길리스의 업적을 기리기 위해 우편물에 우표 대신 '${2}^{11213}$-1은 소수'라는 글을 넣은 스탬프를 찍고 있다(사진1).

${2}^{11213}$-1은 1971년에 터커맨이 ${2}^{19937}$-1을 발견할 때까지 무려 8년 동안이나 가장 큰 소수의 자리를 지켰다. 그런데 터커맨의 기록도 1978년 캘리포니아주에 사는 로라 닉켈과 커트 놀이라는 두 고등학생에 의해 깨지고 말았다. 두 학생은 이웃 대학의 대형컴퓨터를 4백40시간 동안 돌려 소수 ${2}^{21701}$-1를 찾았다. 닉켈과 놀의 최대 소수 발견은 뉴욕타임스 1면을 장식했고, 그들의 얼굴은 TV를 통해 전세계에 소개됐다. 놀은 이듬해에 ${2}^{23209}$-1을 찾아 자신의 기록을 다시 갱신했다.

그러나 놀의 기록은 오래가지 않았다. 같은 해에 크래이컴퓨터연구소에 근무하는 데이비드 슬로빈스키가 ${2}^{44497}$-1을 찾아 그 기록을 깬 것이다. 그는 1996년까지 7번이나 기록을 갱신하며 소수 찾기 최다 기록 보유자가 됐다.

여기 소개한 소수들은 모두 2n-1의 꼴을 갖고 있다. 이런 꼴의 소수를 17세기 프랑스 신부 메르센(1588∼1647)의 이름을 따서 '메르센 소수'라고 한다. 예를 들면 3 = 22-1, 7 = 2³-1, 31 = ${2}^{5}$-1 들이다. 그러나 소수가 모두 메르센 소수는 아니다. 2, 5, 11, 13, 등은 2n-1의 꼴로 나타내지 못한다. 이런 소수를 '비(非) 메르센 소수"라고 한다. 또 p가 소수일 때 2p-1이 소수가 아닐 경우도 있다. 그래서 p가 소수일 때 2p-1의 꼴의 수를 그냥 '메르센 수'라고 부른다.

많은 사람들은 p가 소수일 때 메르센 수(Mp = 2p-1)는 모두 소수일 것이라고 추측했다. 그런데 1536년 2¹¹-1(= 2047)이 23×89로 소인수분해돼 M11이 소수가 아님이 밝혀지면서 큰 소수 찾기 경쟁이 일어났다. 그 와중에 소수로 증명됐던 것이 소수가 아닌 합성수로 밝혀진 예도 허다했다. 1588년 피에트로 카탈디가 소수라고 밝힌 M23, M29, M31, M37 중에서 소수로 살아남은 것은 M31뿐이고 나머지는 소수가 아니라고 밝혀졌다.

메르센 소수를 만든 메르센 역시 같은 실수를 범했다. 그는 1644년 그의 저서 '물리·수학론'에서 p = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 67, 127, 257일 때 Mp가 소수라고 말했다. 그러나 M67과 M257은 합성수임이 각각 259년과 287년이 지난 1903년과 1931년에 밝혀졌다. 또 p≤257인 지수 중에서 61, 89, 107이 소수임이 1883년, 1911년, 1914년에 발견됐다. 컴퓨터를 쓰지 않고 찾은 가장 큰 소수는 1876년 루카스가 찾아낸 39자리의 수 M127였다.

M127 = 170,141,183,460,469,231,731,687,303,715,884,105,727

컴퓨터를 써서 메르센 소수를 찾는 데 처음으로 성공한 사람은 라팰 로빈슨이다. 그는 1952년에 무려 5개의 메르센 소수 M521, M607, M1279, M2203, M3217을 찾았다. 로빈슨이 찾은 소수는 1876년에 루카스가 찾은 소수보다 4배 이상 자릿수가 뛰었다. M127과 M521 사이에는 더 이상 메르센 소수가 없었다.

최근 최대 소수의 기록을 세운 것들은 모두 메르센 소수다. 그 이유는 메르센 수가 소수인지 아닌지를 쉽게 구별하는 루카스-레머 판정법 때문이다. {Sn}을 S1=4, Sn+1=Sn2-2로 정의된 수열이라고 할 때, p가 홀수이면 메르센 수 Mp=2p-1은 Mp가 Sp-1을 나눌 때만 소수이다. 이것이 루카스-레머 판정법이다.

저스트 포 펀(Just For Fun) 소프트웨어사에 근무하는 조지 월트만은 루카스-레머 판정법을 소형컴퓨터(PC, Mac, Unix)에도 쓰도록 프로그램을 만들어 인터넷(http://www.mersenne.org/prime.htm)에 올려놓았다. 그래서 누구나 이 프로그램을 다운로드 받으면 최대 소수를 찾는데 도전할 수 있다. 이 프로그램으로 찾은 메르센 소수들로는 M1398269(1996년)와 M2976221(1997년)가 있다. CPU 생산업체로 잘 알려진 인텔은 펜티엄 칩들을 출하하기 전에 월트만 프로그램으로 성능을 검사하고 있다. 현재 미국에서는 월트만 프로그램을 이용해 학생들이 수학에 흥미를 갖도록 교육하고 있다.
 
(사진1) 길리스가 발견한 소수^일리노이대 우표 대신 찍는 스탬프에는 길리스가 발견한 소수가 기록돼 있다.

38번째 메르센 소수를 찾아라

6의 약수 중 5보다 작은 수 1, 2, 3을 모두 합치면 6이 된다. 또 28의 약수 중 28보다 작은 수 1, 2, 4, 7, 14를 더하면 28이 된다. 이처럼 자신보다 작은 약수를 모두 합쳤을 때 원래의 수가 되는 수를 완전수(perfect number)라고 한다.

기원전 그리스 시대에 이미 4개의 완전수(6, 28, 496, 8128)가 있다는 것이 알려졌지만, 그 수는 많지 않다. (표1)의 수들은 53자리 미만의 완전수를 나타낸 것이다. "2p-1이 소수이면 2p-1(2p-1)은 완전수다"라는 것은 이미 유클리드의 '원론'에 증명돼 있다. 그런데 18세기 중엽에 오일러가 짝수인 완전수는 모두가 2p-1(2p-1)의 꼴로 나타내지며, 이때 (2p-1)은 소수인 것을 증명했다. 따라서 짝수인 완전수의 개수와 메르센 소수의 개수는 같다.
 
(표2) 최근 발견된 소수와 완전수

여기에 2가지 미해결 문제가 있다. 하나는 과연 홀수인 완전수는 존재하는가 하는 문제고, 다른 하나는 메르센 소수는 무한히 많은가 하는 점이다. 1991년 3백자리 이하의 홀수 중에는 완전수가 없음이 밝혀졌지만, 아직도 홀수인 완전수가 없는지는 알 수 없다. 그리고 이제까지 발견된 메르센 소수의 개수는 완전수의 개수와 같다. (표2)은 최근 발견된 소수와 완전수이다. (표2)에서 마지막 두 지수 2976221과 3021377에 순서를 붙이지 않은 이유는 그 사이에 메르센 소수가 더 있는지 모르기 때문이다.

앞서 인터넷을 올려진 월트만 프로그램을 이용해 처음 찾은 소수는 클락슨이 발견한 M3021377이다. 이 소수는 발견 순서로 보면 37번째에 해당한다. 메르센 소수 찾기 프로그램을 운영하는 IPS(Internet PrimeNet Server의 약자)는 미화 1천달러의 상금을 걸고 38번째(발견 순서로) 메르센 소수를 찾고 있다. 38번째 메르센 소수는 M3021377보다 작을 수도 있다. 만약 38번째 메르센 소수의 자릿수가 1백만자리를 넘으면 1천자리마다 1달러씩 더 준다고 한다. 클락슨이 발견한 소수 M3021377(909, 526의 자릿수를 가짐)를 예로 들면, 그는 9백9달러를 받을 수 있다.
 


과학동아

천문학 태양계는 질서정연하지 않다

케플러법칙과 뉴턴법칙에 따르면 태양계의 모든 운동은 예측할 수 있는 질서정연한 세계다. 그러나 태양계를 비롯한 우주공간에는 수많은 카오스의 세계가 숨겨져 있다.

질서정연하게 태양 주위를 도는 행성의 운동에 관한 구체적 사실을 관측에서 끌어낸 사람은 17세기의 케플러다. 그는 행성들이 16세기 코페르니쿠스가 제안한 원궤도가 아닌 타원궤도를 따라 운동한다는 것을 발견했다. 우리는 흔히 원궤도가 가장 안정적이고 이상적인 것으로 생각한다. 이러한 사상은 기원전 6세기에 피타고라스가 주장한 원과 구의 조화사상에 근거한다.

일반적으로 자연계에서 완전한 구나 원을 접하기는 불가능하다. 물체들이 끊임없이 서로 에너지를 주고받으면서 상호 작용하는 자연계에서는 원과 구형이 오히려 불안정계에 속하기 때문이다. 따라서 케플러가 경험적으로 발견한 행성의 타원궤도운동은 여러 행성들이 존재하는 태양계에서 지극히 자연스러운 결과다.
 
태양 주위를 도는 행성들. 혼돈 속에서 태양계는 질서를 찾아간다.

케플러법칙이 통하는 이유

행성운동에 관한 케플러의 3가지 경험법칙을 바탕으로 17세기에 뉴턴은 두 물체 사이에 작용하는 힘의 법칙, 즉 중력법칙을 발견했다. 뉴턴은 케플러의 3가지 경험법칙을 이론적으로 증명한 것이다. 그리고 그는 이 중력법칙을 써서 천체들의 운동을 정확히 기술했다. 초기조건에 의해 결정되는 운동방정식을 써서 미래에 나타날 천체의 위치와 시간을 예측하고(결정론적), 또 시간을 거꾸로 돌려 과거의 운행을 되돌아 볼 수 있었다(가역적). 이런 관점에서 뉴턴의 고전역학은 결정론적이고 가역적이다.

케플러법칙은 두 천체의 질량이 일정하게 유지되고, 천체 사이의 거리가 아주 멀리 떨어졌거나 천체의 체적이 무시될 정도로 작을 때 정확히 성립된다. 그런데 태양계에는 9개의 행성과 수많은 소행성, 그리고 혜성들이 돌고 있다. 또 행성 주위에는 많은 위성들이 돌고 있다.

이처럼 많은 천체들이 있는데도 불구하고 두 천체에만 적용되는 케플러법칙이 발견된 것은 큰 의문이 아닐 수 없다. 그 해답은 태양 질량에 비해 행성이나 위성, 소행성, 혜성 등의 질량이 무시될 정도로 작은데 있다. 행성의 운동은 근본적으로 태양의 강한 인력에 의해 결정된다. 그러나 주위에 있는 다른 천체들의 인력을 완전히 무시할 수는 없다.

지구의 공전운동의 경우 만약 지구와 태양만 존재한다면 공전궤도는 닫혀 있어야한다. 그러나 주위에 있는 금성, 화성, 목성 등 여러 천체들이 끊임없이 지구에 인력을 미친다. 이를 섭동이 한다. 이러한 효과가 계속 누적되어 지구의 운동은 큰 영향을 받는다. 일반적으로 태양계 천체들은 외부 섭동에 의해 역학적 진화를 한다.

외부섭동으로 지구는 열린 궤도를 따라 공전한다. 이 때문에 지구의 근일점이 매년 65¨(초)씩 반시계방향으로 이동하고, 황도의 기울기는 약4만년 주기로 2.4˚ 정도 변한다. 궤도이심률은 약 10만년 주기로 10배 정도 변화하는데, 10만년 주기로 빙하기가 나타나는 이유는 여기에 있다. 또한 태양과 달에 의한 지구의 세차운동으로 춘분점이 매년 약 50¨씩 시계방향으로 이동한다. 다른 행성에서도 외부섭동에 의한 복잡한 역학적 진화가 비슷하게 일어난다.

주된 1차적 힘 외에 미치는 섭동은 기존의 계(系)가 지닌 질서에 혼돈(카오스)으로 작용된다. 계를 크게 변화시키지 않는 혼돈은 안정된 혼돈으로서 태양계에서 흔히 나타나는 주기적 섭동으로 생긴다. 천체들 사이에 에너지 교환이 일어나면 계는 새로운 평형상태로 이행해 가는데, 이 과정에서 큰 섭동을 받을 경우 심한 비선형 형태로 진행된다.

혼돈속에 존재하는 질서

외부섭동은 안정계를 불안정한 혼돈상태로 만들고, 계는 다시 스스로의 통제를 통해 새로운 안정계로 이행해 간다. 특히 주기적섭동이 미칠 경우 그 영향을 최소화하는 방향으로 진행된다.

예를 들어 (그림1)에서 행성 M주위를 도는 위성 m1은 10일 주기의 원궤도운동을, 위성m2는 20일 주기의 타원 궤도운동을 한다고 하자. 위성 m1보다 질량이 작은 위성 m2는 위성m1으로부터 섭동을 받아 불안정한 운동을 하게 된다.
(그림1) 타이탄과 하이페리온의 운동

그래서 위성m2는 외부섭동의 영향을 최소화하도록 위성m1과 가장 가까이에서 만나는 위치(내합)가 가장 멀어지도록 한다. 그 결과 내합은 원지점 A에서 일어난다.

만약 두 위성을 C,D점에 둔다면 이들 사이의 거리가 가장 짧아 섭동이 최대로 미친다. 이러한 극도의 불안정한 상태를 벗어나기 위해 위성 m2의 운동은 위성m1과 먼거리에서 만나도록 조절되어 최종적으로 원지점 A에서 내합이 일어나게 된다. 이러한 예가 토성의 위성인 타이탄과 하이페리온 사이에서 나타난다.

가까운 행성들은 다른 행성의 섭동 때문에 자전운동에 영향을 받는다. 금성의 자전주기(243일)가 공전주기(225일)보다 긴 이유는 지구의 섭동때문이다. 즉 지구의 섭동으로 회합주기(584일)마다 동일한 금성 표면이 지구를 향하게 된다. 그래서 금성의 회합주기와 금성의 1태양일(117일)은 5대1의 비로 공명상태를 이룬다.

한편 태양에 가장 가까이 있는 수성은 태양의 강한 조석력 때문에 자전운동의 영향을 받아 공전주기(88일)와 자전주기(59일)가 3대 2의 공명상태를 이루고 있다.

지금까지 살펴본 궤도운동과 자전운동사이에 일어나는 공명상태는 외부섭동에 의한 '안정된 혼돈'의 결과로 볼 수 있다. 공명상태는 주기적 섭동을 미치는 천체와 섭동을 받는 천체의 운동 주기 사이에 일정한 정수비가 이루어질 때 잘 나타난다. 그 예로 목성의 섭동 때문에 나타나는 소행성대 내의 커크우드 간격은 역학적으로 불안정한 공명지역으로서 소행성들이 존재하지 못한다. 목성의 섭동외에 주변에 많은 소행성들의 섭동을 고려할 때 소행성대는 혼돈과학으로 다뤄져야 할 영역이다.

세 천체가 서로의 인력에 묶여 운동할 때, 이를 '3체 문제' 라 한다. 일반적으로 3체문제의 일반해는 알 수 없다. 그러나 질량이 다른 세 천체 중에서 한 천체의 질량이 다른 천체에 비해 무시할 정도로 작을 경우 근사적인 해가 얻어지며, 이를 '제한 3체문제'라고 한다. 이 경우에 가장 작은 천체의 상대적 위치가 일정하게 유지되는 특이점이 (그림2)처럼 5개 존재하며, 이를 라그랑제점이라고 한다. 여기서 L4,L5점은 질량이 큰 두 천체를 잇는 정삼각형의 꼭지점에 해당한다. 라그랑제점은 외부섭동을 통한 혼돈에서 나타나는 가장 안정된 지역에 해당한다.
 
(그림2) 천체운동에 존재하는 라그랑제점

실례로 태양-목성-소행성의 3체는 (그림3)과 같다. 트로이군은 10여개의 소행성들로 이뤄졌고, 이들이 태양 주위를 도는 공전주기는 목성과 같다. 토성의 위성인 텔레스토아 칼리프소는 테티스의 섭동을 받으며 안정된 궤도를 이루고, 헬레네는 디오네의 섭동을 받는다.
 
(그림3) 라그랑제점에 위치한 토성의 위성들
 
(표) 토성과 주요 위성들-토성은 태양계에서 20여개가 넘는 가장 많은 위성을 가지고 있으며, 더 발견될 가능성도 높다.

토성고리와 변광성

1980년 보이저탐사선의 현지 관측으로 토성의 고리는 그 신비스런 모습을 드러냈다. 지상에서 3개 정도 보이는 고리가 레코드 판처럼 조밀하게 수없이 많은 작은 고리로 이뤄져 있음이 밝혀진 것이다. 그리고 고리가 없는 것으로 믿었던 카시니 간극에서도 여러개의 작은 고리들이 발견됐다.

이런 복잡한 고리 구조는 어떻게 이뤄졌으며, 또 어떻게 진화할까. 고리내 큰 간극은 소행성대 내의 커크우드 간격처럼 고리 밖에 있는 작은 위성들의 주기적 섭동으로 설명된다. 그러나 복잡한 작은 간극과 고리들의 조밀한 밀도 분포는 아직 잘 성명되지 않는다. 혼돈이 내재된 고리구조에 다양한 정보가 들어 있을 것이다. 이 정보가 무엇인지는 앞으로 혼돈 과학이 해결해야 할 과제다.

안정된 듯한 태양계 내 천체들의 운동은 매우 느리게 진행되는 동역학적 혼돈상태에서 안정과 평형을 이루고 질서계로 진화하고 있다. 이와달리 매우 급변스런 혼돈상태에 있는 것처럼 보이는 천체도 존재한다.

태양보다 큰 별이 수시간의 주기로 수축팽창하며 광도변화를 일으키는 단주기 변광성이 있다. (그림4)처럼 이 변광성의 광도변화는 매우 복잡하고 무질서해 보인다. 이것은 변광성이 간단한 선형적인 방법으로 설명되지 않는 극도의 혼돈스런 물리상태에 있음을 암시한다. 
 
(그림4) 카오스현상을 보이는 변광성의 광도변화- 점은 관측치이고 실선은 이론치이다.초기치를 변화시켜 카오스형태를 컴퓨터 시뮬레이션했다.

관측된 광도곡선은 진동수가 다른 여러개의 합성파로 재생시킬 수 있다. 그러나 이런 여러 종류의 진동이 별의 내부에서 어떻게 발생되며, 또 어떻게 진화해 갈 것인지는 잘 모르고 있다. 어떤 특정한 진화단계에서 나타나는 이러한 혼돈은 보다 높은 차원의 질서로 이행되는 자연적이고 필수적 과정으로 짐작된다.

천체집단 내에서 각 천체의 동역학적 진화나 물리적 진화과정은 에너지의 교환율, 생성률, 전달률 등의 변화에 따라 다양한 혼돈상태가 발생된다. 이런 상태에서는 물리량의 변화율과 변화량이 지극히 클 경우 자체 제어가 빠른 시간에 쉽게 달성되지 못해 혼돈스럽게 보인다. 그러나 급변과정에서 파괴되지 않는 한 그 개체가 계는 안정과 평형상태로 이어지며 지극히 자연스러운 질서계로 진화할 것이다.

일반적으로 개체는 진화를 통해 탄생될 때와는 아주 다른 양상으로 이어지므로 탄생 때의 초기 질서를 기준으로 보면 진화는 혼돈상태를 극대화시키는 방향으로 진행된다. 이것이 엔트로피의 증가이며, 무질서의 극대화이고, 바로 자연의 조화다.

혼돈을 설명하는 기하학-프랙탈

부분과 전체가 똑같은 모양을 하고 있는 것을 보고 '자기 유사성'이 있다고 한다. 이러한 개념을 기하학적으로 푼 것이 바로 프랙탈이다. 프랙탈의 좋은예는 코흐 눈송이 곡선, 삼각형에 자기를 닮은 삼각형을 계속해서 붙여나가면 마치 눈송이와 같은 모양이 된다. 복잡하게 보이지만 부분과 전체가 닮아있는 꼴이다.

IBM에 근무하던 폴란드 태생의 수학자 맨델브로트는 면화가격을 분석하다가 매우 무질서한 패턴 안에서 예기치 못한 질서가 있다는 것을 발견했다. 개개의 가격변동은 임의적이고 예측하기 어려웠지만 매일의 가격번동과 매달의 가격변동이 완전하게 일치했던 것이다.

그가 시도한 두번째 연구는 자연계의 구조적인 불규칙성을 기술하는 방법을 찾는 일이었다. 산, 번개, 해안선, 실뭉치, 구름등을 어떻게 기하학적으로 표시할 수 있을까. 길이, 면적, 부피 등을 측정하는 유클리드식 측정 방법으로는 이러한 불규칙한 형상을 나타낼수 없다. 산은 원추형이 아니고 번개는 직선이 아니다. 그는 차원이란 개념을 도입해 이를 해결했다. 선은 1차원이고 면적은 2차원이다. 그렇다면 코흐의 눈송이는 몇차원이 될까. 계산을 해보지 않더라도 1차원보다 크고 2차원보다 크지 않다는 것을 느낌으로 알수 있다. 답은 1.2618차원. 맨델브로트는 소수차원을 통해 꼬불꼬불한 해안선을 기술한 것이다. 해안선의 불규칙 정도는 지도의 축척에 관계없이 일정한다. 즉 차원이 같은 것이다. 1975년 맨델브로트는 이러한 연구 사실들을 발표하면서 프랙탈차원이란 말을 지어냈다. 프랙탈이란 말은 라틴어 '부서지다'(frangere)를 보고 멘델브로트 자신이 지은것이다.

프랙탈은 카오스를 정량적으로 기술하는데 많이 활용되고 있다. 대동맥에서 실핏줄에 이르는 혈관은 매우 미세해질 때까지 갈라진다. 그것을 길이로 따지면 엄청나겠지만 핏줄이 차지하는 공간은 아주 작다. 마치 코흐의 눈송이 곡선이 길이는 무한하게 늘어나지만 면적은 유한한 것과 비슷하다. 그러므로 혈관은 프랙탈 구조를 지녔다고 말할수 있다. 생활속에 응용된 예로는 듀폰사에서 개발한 인공 거위털. 따뜻한 거위털의 장점은 털의 구조에 있다. 이를 인공적으로 합성할 수 있었던것은 거위털을 이루는 케라틴이란 단백질이 프랙탈 구조를 하고 있다는 점을 알아냈기 때문이다.

프랙탈이란 말은 이제 불규칙하고 조각나 있으며 들쭉날쭉한 형상을 묘사해내는 말이 됐다. 또한 카오스의 특징인 비선형 동력학을 기하학적으로 푸는 열쇠로 많은 연구 분야에서 활용되고 있다.
 



과학동아 

사고실험으로 이어진 16세 소년의 꿈

빛과 중력의 명승부

광속으로 달릴 수만 있다면 늙지 않고 우주여행을 할 수 있다. 아인슈타인의 예언은 이 뿐이 아니다. 그는 중력에 의해 공간이 휘고, 빛이 빠져나올 수 없는 블랙홀이 존재할 것이라고 예언했다. 그의 예언 중 백미는 E=mc². 다른 예언들이 시간과 우주에 대한 사고를 넓혀주었다고 한다면, 이 공식은 원자폭탄과 원자력발전소 등 인류에게 직접적인 영향을 미쳤다. 이러한 아인슈타인의 예언들은 모두 상대성이론에서 나온 것들이다.

지금으로부터 90년 전인 1905년 아인슈타인은 "진공 속을 달리는 빛의 속도는 모든 관성계에서 같다"는 특수상대성이론을 발표했다. 그리고 10년 후인 1915년 "질량을 가진 물체는 공간을 휘게 한다"는 일반상대성이론을 완성했다. 흔히 상대성이론이라고 하면 이 2개의 이론을 합해 말한다.

상대성이론이 다른 이론들에 비해 특별히 사랑을 받는 까닭은 뭘까. 그것은 상대성이론이 우리의 상식을 흔들어 놓기도 하지만 시간여행과 우주의 숨겨진 비밀들을 밝혀주었기 때문일 것이다. 그러나 상대성이론을 자세히 이해하기는 쉽지 않다. 이를 이해하려면 상당한 수준의 수학적인 지식과 물리 이론들을 알아야 한다. 그래서 상대성이론은 여러번 들어도 알쏭달쏭하다. 사실 아인슈타인이 처음 상대성이론을 발표할 때만 해도 상대성이론을 이해한 과학자들은 거의 없었다고 한다.

양자론은 플랑크가 처음 시작한 다음, 보어 슈뢰딩거 하이젠베르크 디랙 파울리 등 많은 천재들의 공동 노력으로 완성된 이론이다. 그러나 양자론과 더불어 20세기 최고의 이론이라고 하는 상대성이론은 거의 아인슈타인 혼자의 힘으로 만들어졌다. 이점이 아인슈타인을 더욱 돋보이게 한다.

아인슈타인이 어떻게 상대성이론을 만들게 됐는지는 잘 알려지지 않았다. 그래서 상대성이론의 탄생 배경을 알려면 아인슈타인이 어떤 고민을 했는지를 살펴봐야 한다. 그 과정에서 상대성이론의 실체를 파악해 볼 수 있고, 상대성이론이 예언했던 내용들을 살펴볼 수 있다.

특수상대성이론의 탄생 꿈 속의 빛과 경주

아인슈타인이 상대성이론을 생각하기 시작한 것은 특수상대성이론을 발표하기 10년 전인 1895년 겨울로 거슬러 올라간다. 당시 16세의 소년 아인슈타인은 자주 빛에 관한 꿈을 꾸었다고 한다. "나는 꿈 속에서 빛을 뒤쫓아가곤 했다. 아주 빠르게 빛을 따라가면 빛과 속도 차이가 없어져 빛이 멈추고 만다."

아인슈타인은 이 꿈이 가지고 있는 딜레마를 풀려고 노력했다. 빛이 멈추지 않으려면 빛의 속도가 더 빨라지거나, 아무리 빨리 뒤쫓아가도 빛과의 속도 차이가 좁혀져서는 안된다. 그러나 그 어느 것도 당시로서는 생각할 수 없었다.

어린 나이에 어쩌면 이런 생각들을 했을까. 그러나 그가 12세 때 유클리드 기하학에 관한 책을 읽고 감명을 받았으며, 16세 때는 이미 독학으로 미분과 적분을 터득했다는 사실을 알면 그는 당시 많은 수학지식을 가졌던 것으로 보인다.

빛의 속도는 1887년 마이켈슨-몰리의 실험으로 항상 일정하다는 것이 증명돼 있었다. 또 갈릴레이의 '상대성원리'에 따라 빛의 속도로 뒤쫓는다면 앞서가는 빛은 멈춰야 한다. 무엇이 잘못된 것일까.

아인슈타인의 고민은 계속되고 또 계속됐다. 그동안 취리히에 있는 스위스 연방공과대학을 졸업했고, 1902년 베른에 있는 스위스 연방 특허국에 들어갔다. 그는 이곳에 근무하면서 독학으로 패러데이 맥스웰 헤르츠 등이 연구했던 전자기학이론들을 섭렵했다. 또 '아카데미 올림피아'라는 조그만 토론 모임도 만들었다.

1905년에야 10년에 걸친 그의 고민이 풀리게 된다. 빛의 속도는 고전적인 상대성원리에 맞춰 덧셈과 뺄셈이 가능하지 않다는 것을 아인슈타인은 발견해 낸 것이다. 빛의 속도는 관측자의 속도와 관계없이 늘 일정하다는 것이다. 특수상대성이론은 이렇게 해서 세상에 태어난 것이다.

특수상대성이론은 아인슈타인 자신의 고민을 해결했을 뿐 아니라 여러가지 예언을 포함하고 있었다. 빛과 비슷한 속도로 운동하면 시간이 느려지고 길이(거리)가 줄어들 것이라는 그의 예언은 우주공간에서 뮤입자를 관찰함으로써 증명됐다. 또 스타보우(star bow) 현상과 쌍둥이 패러독스 등도 예언했다. 스타보우 현상은 빛과 비슷한 속도로 날아가면 우주의 별이 앞으로 모여드는 것처럼 보인다는 것이다. 쌍둥이 패러독스는 빛과 비슷한 속도로 날아가는 쌍둥이의 형은 지상에 남아있는 동생보다 나이를 천천히 먹는다는 것. 특수상대성이론이 만들어낸 것 중에서 가장 유명한 것은 역시 E=mc²이라는 공식이다. 이 공식은 훗날 원자폭탄을 만들어냈다.
 
아인슈타인이 공부했던 취리히의 스위스 연방공과대학

일반상대성이론의 탄생 엘리베이터 사고실험에서 출발

특수상대성이론은 한계를 가지고 있었다. 특수상대성이론은 관성계에서만 성립했기 때문이다. 아인슈타인이 '특수'라는 이름을 붙인 이유가 여기에 있다. 그렇다면 관성계가 아닌 곳에서도 성립하는 것이 있지 않을까. 만약 그런 것이 가능하다면 그 이론을 일반상대성이론이라고 이름지어야 할 것이다.

특수상대성이론을 발표하고 난 후 아인슈타인은 여전히 불만이었다. 그것은 중력의 문제를 해결하지 못했던 까닭이었다. 뉴턴은 중력이 순간적으로 전해진다고 했고, 이것은 천문학적으로 증명된 사실이었다. 그렇다면 중력은 빛보다도 빨리 전달돼야 한다. 아인슈타인은 자신이 만든 특수상대성이론과 뉴턴의 중력이론을 어떻게 절충시킬 수 있나 고민에 빠졌다.

아인슈타인의 중력에 대한 고민은 하나 둘씩 결과로 나타난다. 1907년 12월 아인슈타인은 중력에 의해 빛이 휜다는 충격적인 논문을 발표한다. 그리고 1911년에는 태양 옆을 스쳐 지나가는 빛을 관찰함으로써 빛이 휘는 정도를 잴 수 있다는 논문을 발표한다. 마침내 1915년 11월 25일 중력에 대한 고민의 완결편이라고 할 수 있는 일반상대성이론을 발표한다. 그 요지는 "질량을 가진 물체는 공간을 휘게 한다"는 것이다. 그때 아인슈타인의 나이는 불과 36세였다.

아인슈타인은 일반상대성이론에 대한 힌트를 이렇게 얻었다고 말했다. "베른 특허국에 근무할 때 일이다. 문득 떠오른 생각은 자유낙하 실험이었다. 어떤 사람이 자유롭게 낙하한다면 그 사람은 무게를 느끼지 않을 것이다." 이것이 그 유명한 아인슈타인의 '엘리베이터 사고실험'으로 일반상대성이론의 출발점이 됐다.

자유낙하하는 엘리베이터는 중력의 영향을 받지 않으므로 관성계라고 할 수 있다. 그러므로 특수상대성이론에 따라 그 안에 있는 빛은 직진하게 된다. 그런데 밖에 있는 관측자에게 빛은 포물선을 그리는 것처럼 보일 것이다. 관측자는 빛이 엘리베이터의 가속도에 의해 굽는 것처럼 보이겠지만 사실은 가속도가 중력의 작용에 의한 것이므로 빛은 중력에 의해 굽는 결과가 된다. 아인슈타인은 빛이 중력의 영향을 받고 어떻게 휘는지를 이렇게 설명했다.

결국 아인슈타인은 중력과 가속도는 같은 것이고, 관성질량과 중력질량은 같다(등가원리)는 것을 설명함으로써 새로운 일반상대성이론을 만들어냈다.

일반상대성이론을 만들어낸 소감을 아인슈타인은 이렇게 말했다. "특수상대성이론은 이에 비하면 어린아이 놀이였다. 내가 만들어낸 이론이 천문학의 계산과 일치한다는 것을 알았을 때 내 속에서 무엇인가가 터져 갈라지는 듯한 기분을 느꼈다." 아인슈타인이 일반상대성이론을 최초로 검증한 것은 바로 '수성의 근일점 이동'이었다. 16세 소년 때부터 20여년 동안 고민한 결과가 드디어 완성된 것이다.

일반상대성이론은 특수상대성이론과 비교할 수 없는 여러가지 충격적인 예언들을 했다. 태양 곁을 지나는 별빛이 휜다는 사실은 영국의 천문학자 에딩턴이 개기일식을 관측함으로써 증명됐다. 이 밖에도 블랙홀, 중력파 등의 존재를 예언했다.
 
1929년 아인슈타인은 막스 플랑크(왼쪽)로부터 플랑크 메달을 수여받았다.

용어설명

상대성원리
모든 관성계에서 물리법칙은 어떤 곳에서 바라보아도 동일하게 적용된다는 원리.

관성계
관측자가 일정한 상대속도로 움직이고 있는 물리적 상태를 말한다. 일정한 속도로 달리는 기차 안의 승객들은 각각 관성계에 속한다. 관성계와 달리 가속계는 속도의 변화를 느낄 수 있는 물리적 상태다.

관성질량과 중력질량
뉴턴 역학에는 2가지의 질량 개념이 있다. 하나는 가속도법칙 F=ma에서 등장하는 관성질량이고, 또 하나는 만유인력의 법칙, F=mg에서 등장하는 중력질량이다. 관성질량은 힘과 가속도의 비례상수로서의 질량이고 중력질량은 중력을 발생시키는 원천으로서의 질량이다. 이렇게 서로 다른 두 개념의 질량이 서로 같다는 것이 바로 '등가원리'다.
 

과학동아

우주신비 해결의 열쇠 리만 기하학

이집트 나일강변의 토지측량에서 출발한 유클리드기하학은 정·반·합의 과정을 거쳐 우주의 구조를 밝히는 리만기하학으로 성장했다.

교과서적으로 말한다면 기하학이란 '도형의 성질을 연구하는 학문'이다. 도형에 관한 연구는 이집트 바빌로니아 등 오리엔트의 대제국에서 발생했다. 대제국을 운영하기 위해서 토지측량 토목건축 천문학 등의 분야에서 발생하는 측량계산에 관한 지식이 필요했다. '필요는 발명의 어머니'라는 말 그대로, 이들은 필요성에 대응하는 실용적인 공식을 모으기 시작한 것이다. 하지만 이들 공식이나 법칙은 어디까지나 실용적인 문제를 해결하기 위한 것이지, 논리적으로 체계화된 기하학은 아니다.

실용적 지식과 학문 사이에는 깊은 골이 있다. 개개의 지식을 일반적인 형식으로 체계적으로 정리하는 것이 곧 학문인 것이다. "A지점에서 B지점까지 가는데 도중에 장애물이 없다면 A, B 두 점을 맺은 직선이 가장 짧다." 그런 지식이라면 냇가에서 물 마시는 짐승들도 본능적으로 알고 있다. 이 사실을 두고 유클리드 기하학에서는 "삼각형의 두변의 합은 다른 한변보다 길다"라는 식으로 어마어마하게 표현했다. 기하학은 상식적인 지식을 논리학으로 정리한 것이다.

여기에는 두 종류가 있다. 도저히 증명할 수 없으며 경험을 통해서 모두가 틀림없다고 믿어지는 '공리'라고 불리는 기본명제와, 공리로부터 논리적으로 증명할 수 있는 정리다. 기하학은 이와같이 경험에서 출발했으나 차츰 경험을 무시하고 처음부터 공리를 설명하는 형식을 갖게 되었다. 다시 말해서 경험적 과학으로부터 연역적 과학으로의 변천인 것이다.

경험에서 연역으로

기하학에 있어서 기본적 명제(공리)에서 출발한 최초의 논리체계는 유클리드의 '원론'이다. 원론의 형식은 처음에는 용어에 관한 설명(정의)과 공리가 있고, 그 뒤에 정리와 그 증명, 그리고 문제와 그 해답으로 이어져 있다. 정리는 공리와 이미 증명된 정리만을 이용해서 증명되며, 공리에는 증명이 없다.

이 형식은 비단 수학뿐만 아니라, 철학을 비롯한 서구의 거의 모든 학문의 기본이 되어 왔다. '원론'은 그 후로도 약 2천년동안 의심할 여지가 없는 것으로 여겨져 온 권위였다. 중국의 사마천은 '사기'(史記) 1백30권을 저술하여 정사의 시조가 되었다. 그의 글은 완벽했고 "잘못된 글자 하나라도 발견한 사람에게는 천금을 주겠다"고 장담할 정도였다.

로고스(Logos, 理性)의 나라 희랍의 '원론'은 역사의 나라 중국의 '사기'의 권위에 필적했다. 하지만 시대의 흐름속에서 '원론'의 절대성에 대한 의심스러운 눈이 모이기 시작했다. 그것은 평행선에 관한 공리였다(그림 1). 즉 "일직선상 밖에 있는 한 정점을 지나 그 정직선에 평행한 일직선은 반드시, 그리고 꼭 한개만 존재한다."

원래 '원론'에서는 이 공리가 다음과 같이 표현되어 있다. "평면상에서 두개의 직선이 제3의 직선과 만나서 만든 각은 안쪽에 있는 내각의 합이 1백80˚보다 작을 때는, 이들 두 직선을 연장하면 안쪽의 합이 1백80˚보다 작은 쪽에서 만난다. "좀 까다로운 표현이 되었으나 이 말은 "삼각형의 내각의 합은 1백80˚이다"와 같은 것이다. 다시 말해서 다음과 같은 조건은 동치이다. "두개의 공리 A, B가 동치라는 것은 A에서 B를 유도할 수 있고 또 B에서 A를 유도할 수 있다는 뜻이며, A⇔B로 표시한다."

이 평행선의 공리에 대한 의심은 처음에는" 이 공리를 다른 공리에서 유도할 수 없을까?"라는 생각에서 시작했다. 수많은 학자가 애써 여러 방향으로 그 일을 시도했으나 결국은 허사였다. 그런데 채택된 대부분의 방법은 귀류법이었다. 귀류법이란 처음에 증명하고자 하는 사실에 반대되는 명제를 설정해 두고, 그 가정에서 모순을 유도하는 것이다. 평행선의 공리가 진이 아니라고 가정할 때는 우선 다음과 같은 것을 생각할 수 있다. 즉 평면상에서 직선밖의 한 점을 지나 그 적선과 만나지 않은 직선은 적어도 두개는 있다. 그러나 아무리 노력해도 이 가정에서는 다른 유클리드의 공리들과 모순이 생기지 않는다. 그러는 사이에 그것을 공리로 삼아도 좋다는 생각이 등장하게 된 것이다.
 
평면상 직선 밖의 한점 P를 지나는 평행선은 꼭 그리고 반드시 한 개 존재한다.

비유클리드 기학학의 등장

1826년 러시아의 수학사 로바체프스키(Lobachevski)는 유클리드의 평행선 공리 대신 평면상에서 직선밖의 한 점을 지나 이 직선과 만나지 않는 직선이 적어도 두개는 있다는 것을 채택함으로써 새로운 기하학의 탄생을 세상에 예고했다. 이 기하학에서는 삼각형의 내각의 합은 1백80˚보다 작아진다. 뿐만 아니라 평면상에서 직선 l밖의 점 P를 지나 l과 만나지 않는 직선 a와 b가 있고, a와 b가 만든 각 B내에 있는 모든 직선 b', b'', b'''는 l과 만나지 않는다(평행선은 얼마든지 있다).

로바체프스키의 기하학은 논리적으로는 전혀 모순이 없다. 하지만 처음에 등장한 것은 언제나 이상하게 보이게 마련이다. 2천년 동안이나 유클리드 기하학에 익숙해온 사람들에게는 기묘하고 비상식적인 것으로만 보였다. 로바체프스키 자신은 이 기하학의 모델을 현실의 우주속에서 구하려 했다. 그러나 당시의 천문관측에 관한 기술 수준으로는 성공할 수 없는 일이었다. 새로운 수학은 결코 한사람만이 생각하는 것이 아니다. 비슷한 생각을 하는 수학자는 하나둘이 아닌 법이다. 헝가리의 수학자 볼리야이(James Bolyai)나 가우스(Gauss)도 같은 생각을 가지고 있었다.

로바체프스키와 볼리야이의 비유클리드 기하학을 쌍곡선 기하학이라고도 한다. 쌍곡선에서 1을 직선으로 하면 (그림 2)와 같이 A를 지나 1과 만나지 않는 직선이 얼마든지 있을 수 있다. 이 단계에서는 자로 긋는 반듯한 것만이 직선이 아니라 보다 일반화하여 휘어진 곡선을 직선으로 보고 있다.
 
(그림2)쌍곡선의 기하학

이와같은 맥락에서 보면, 당연히 평면이 아니라 곡면도 평면으로 생각할 수 있다. 우주론의 차원에서는 광선(직선)은 휘어져 있다. 이에 관한 생각은 후에 현실화된다. 클라인(Klein)은 이것을 다음과 같이 정의했다.

평면상에 원 C를 그린다. 원 C의 내부를 쌍곡평면이라 하고 원둘레상의 점과 그 외부의 점을 제외한다. 원 C의 현을 쌍곡직선으로 하고, 내부의 점을 쌍곡점이라 한다. (그림 3)에서 쌍곡곡선 p와 q는 만나지 않는다(P는 쌍곡점은 아니다). 쌍곡직선 l과 k는 쌍곡점 Q에서 만나고 있다. 이 그림에서는 쌍곡직선 밖의 점 Q를 지나 쌍곡직선 a와 만나지 않는 쌍곡직선 k, l, b, b´, b˝,… 가 무한히 존재하고 있다.
 
(그림3)쌍곡평면

일단 쌍곡선 기하학의 존재가 밝혀진 이상에는 다른 원추곡선, 이를테면 타원기하학도 있을 수 있다는 생각이 자연스럽게 등장한다. 실제로 쌍곡선 기하학과는 별개의 비유클리드 기하가 있다. 우리는 유클리드 기하의 공리, 직선 밖의 한점을 지나 이 직선과 만나지 않는 직선은 반드시, 그리고 꼭 하나만 존재한다(삼각형의 내각의 합은 1백80˚)를 부정하는 쌍곡선기하의 공리, 평행선은 적어도 두개 있다(삼각형의 내각의 합은 1백80˚보다 작다)를 생각했다. 이것과는 또다른 유클리드의 부정이 있다. 즉 타원기하학의 공리이다.

직선밖의 한 점을 지나 이 직선과 만나지 않는 직선은 하나도 없다(삼각형의 내각의 합은 1백 80˚보다 크다). 이 모델을 직관적으로 생각하면 다음과 같다. 구면상의 적도 l에 두개의 대원(구면상의 가장 큰 원) a, b는 직각으로 만났으므로 평행이다. 하지만 이들은 북극과 남극에서 만난다(그림 4).
 
(그림4)유클리드기하학을 부정하는 구면기하학

리만(Riemann)은 구면기하학을 보조적으로 이용하여 타원기하학의 모델을 만들었다. 구면 S상에 두개의 점을 연결하고, 구면상에 있는 두개의 호들 가운데 호의 길이가 가장 짧은 것은 두점을 맺는 큰 원호 중 짧은 쪽이다. 지금 구면은 S평면, S평면상의 점을 S점, 큰 원(대원)을 S직선이라고 한다. 구면상의 임의의 대원은 반드시 두 점에서 만난다. 또 구면상의 삼각점의 내각의 합은 1백 80˚보다 크다. 구면기하학은 타원기하학과 거의 일치되는 것처럼 보인다.

그러나 ① S평면상의 두개의 S직선은 두 점에서 만난다. ② S평면상의 대극점 P P´를 지나는 S직선(대원)은 무한히 있다는 두개의 성질은 구면기하학이 타원기하의 성질을 충분히 갖는데 치명적인 약점이 된다. 이들을 없애고 타원기하학의 모델을 만들어야 한다. 우선 구면의 반을 잘라버리면 ①의 결점인 두개의 직선은 두 점에서 만난다는 조건을 없앨 수 있다. 또 ②의 결점을 없애기 위해서는 대극점이 하나가 되도록 하면 된다(그림 5).
 
(그림5)구면기학학의 약점을 보완한 타원기하학

또 (그림 5)의 (a)와 같이 S상에서 P P´와 Q Q´는 대극점이다. 이들 대극점을 하나의 점으로 생각해서 하나의 집합 ${P}^{2}$(추상적이지만)을 만들어 이 ${P}^{2}$을 사영평면으로 한다. (그림 5)의 (b)에 나타내는 곡면처럼 S의 절반인 반구면 ${S}^{+}$를 만들어 그 경계선인 큰 원을 Γ로 한다. Γ상에서 서로 대극점이 되어 있는 두점 A, A´: B, B´:C, C´:…이 하나가 되도록 큰 원 Γ상의 점을 붙여준다 (풀로 붙이는 것이 아니라 머리속에서). 이때 P는 쌈지처럼 닫혀진 곡면과 같아진다.

수학에서는 현실적으로 할 수 없는 것을 곧잘 머리속에서 자르고 붙인다. 마치 만화와도 같은데 그것이 수학의 묘미이며, 머리가 상식으로 굳어진 어른들보다도 상상력이 강한 어린이가 좋아한다.

이때 Γ상에 있는점 A, A´는 하나의 A가 되고 그 이외의 점 C는 그대로 C이다. 이와같이 해서 생긴 ${P}^{2}$를 타원평면이라 한다. 구면 S상의 한점이 큰 원을 따라 움직이면 이 곡선은 타원직선이라고 한다. 이때 타원평면 ${P}^{2}$의 점을 타원점이라 한다. 이와같은 전개에서 타원점과 타원직선으로 형성되는 또 하나의 비유클리드 기하학, 즉 타원기하학이 생긴다. 여기서는 두개의 타원직선(큰선)은 반드시 북극점에서 만난다.

이와같이 해서 좀 억지스럽지만 두개의 비유클리드 기하학, 쌍곡기하와 타원기하의 모델을 만들 수 있다. 원추곡선으로 비유클리드 기하학을 분류했으므로 유클리드 기하학을 포물선기하학이라고 한다.

이 사실은 직관적으로 보면 (그림 6)과 같다. 포물선은 준선 l에 대해서 한 점 P(x,y)가 주어지면 꼭지점의 위치가 결정되며, 한 점P(x,y)에 대해서는 그것을 지나는 포물선이 반드시 하나 존재한다.
 
(그림6)유클리드 기하학의 직관적 이해

정 반 합의 결론 리만기하학
 
(그림6) 아인슈타인과 휘어진 공간
 
지금까지 유클리드 기하에서 시작된 기하학이 두 종류의 비유클리드 기하학을 탄생시키는 과정을 살펴보았다. 변증법적인 법칙(正, 反, 合)을 내세우려는 것은 아니지만 이상의 사실에서 정(유클리드)→반(비유클리드)→합(리만)의 발전 양식이 기하학의 세계에도 있었음을 알 수 있다. 리만 기하학은 비유클리드적인 생각을 광범위하게 확장한 것이다.

리만은 곡면(曲面)에 휘어짐(곡률)이라는 생각을 도입했다. 한마디로 리만기하학이란 곡률을 갖는 면에서의 기하학이라 할 수 있다. 면이 전혀 휘어져 있지 않은, 곡률이 0인 경우는 보통의 평면이다. 쌍곡선 기하, 또 타원기하학은 면이 일정하게 휘어지는 경우(곡률이 0이 아닐 때 )였다. 따라서 리만기하학은 비유클리드와 유클리드 기하학을 내포하는 광대한 구상이라 할 수 있다. 알기 쉽게 정리하면 다음과 같다.

리만기하

이들은 곡률이 모두 일정한 경우이지만, 보다 일반화하며 곡률이 일정치 않은 공간, 이를테면 보통의 지도처럼 산과 바다, 그리고 평야를 포함하는 공간을 대상으로 할 수 있다. 실제 공간은 훨씬 복잡하며, 리만기하학은 그런 것에 충분히 대응한다.

곡률을 나타내는 데에는 미분이 이용된다. 미분이란 곡선의 경사, 즉 휘어짐을 계산하는 것이다. 이 단계가 된 기하학에는 도형이 무의미해진다. 추상수학의 교과서에는 숫자가 거의 등장하지 않으며, 리만기하학에는 그림(도형)이 없다.

리만기하학은 어떤 공간에 대해서도 성립할 수 있도록 해두었기 때문에 우주론, 공간론의 주무기가 되어 있다. 특히 아인슈타인의 일반 상대성원리에서는 물질의 분포상태가 우주에 곡률을 정한다는 생각이 기본이며, 따라서 리만기하학이 주무기로 사용된다. 아인슈타인은 광선은 휘어져 있으며 행성의 궤도가 고전물리학으로는 설명할 수 없는 이상한 궤도를 그린다는 것을 알았다. 태양과 그것을 중심에 둔 행성들은 각각 공간속에서 휘어짐을 지니고 있다. 때문에 이들 행성의 옆을 지나는 광선이 휘어진다. 이 사실은 일식을 이용해서 실제 별의 위치와 겉보기의 위치에 차이가 있음이 관측된 것이다. 아인슈타인도 리만기하학이 없었더라면 도저히 생각할 수 없었던 구상이다.

이집트 나일강변의 토지측량에서 시작된 기하학이 유클리드 기하학이 되고, 유클리드 기하학을 부정한 비유클리드 기하학이 드디어 우주의 구조를 밝히는 리만기하학으로까지 성장한 것이다. 이상은 순전히 기하학적인 측면에서만 본 비유클리드 기하학의 탄생 배경이었다. 그러나 비유클리드 기하학의 등장은 문화 전반에 엄청난 충격을 주었다. 특히 사상면에서 '절대진리'로 믿어왔던 평행선 공리의 부정은, 진리란 무엇이며 과연 그것은 존재하는가, 또 있다면 그것을 인식할 수 있는가 등의 여러가지 의문을 제기했다.

결국 오늘날의 수학자에게는 일반적으로 '진리(수학적)란 편리한 가설이다'(푸앙카레 )라는 믿음이 통용되고 있다.



과학동아