과학의 최전선에서 전하는 인사이트 『요주의 과학』 안녕하세요 여러분, 『요주의 과학』입니다. 인류가 달 뒷면을 돌아 지구에서 40만 km 넘게 떨어진 곳까지 날아가고, 사람처럼 걷고 뛰는 휴머노이드 로봇이 현실에 등장하고 있습니다. SF 영화에서나 보던 장면들이 하나둘 현실이 되는 모습을 보면, 정말 ‘마술’ 같은 시대에 살고 있다는 생각이 듭니다. 이번 호에서는 이보다 더 영화 같은 이야기를 준비했습니다. 원자 단위의 신비한 연구부터 수학적 난제의 해법을 제시하는 AI까지, 흥미로운 이야기를 소개해 드리겠습니다. 먼저 눈에 보이지도 않을 만큼 얇은 2차원 소재의 세계로 함께 떠나볼까요? |
오늘 이야기의 주인공인 박지웅 시카고대학교 화학과/분자공학과 석좌교수님은 나노 소재 분야에서 세계적으로 손꼽히는 한국계 석학입니다. 캘리포니아대학교 버클리에서 화학 박사 학위를 받은 뒤, 코넬대와 시카고대 교수로 부임하며 2차원 나노 물질 연구를 선도해 왔습니다. 특히 박 교수님은 미국물리학회(APS) 펠로우 선출, 미국 국립과학재단(NSF) CAREER상 수상, 그리고 2023년 삼성호암상 공학상을 수상하며 연구 성과의 독창성을 세계적으로 인정받았습니다. |
2차원 소재를 바라보는 새로운 시선 우리가 흔히 쓰는 스마트폰이나 배터리, 광섬유는 모두 입체적인 3차원 소재입니다. 그렇다면 2차원 소재는 무엇일까요? 단지 3차원 물체를 칼로 아주 얇게 저며낸 것에 불과할까요? 박지웅 교수님은 단언합니다. "2차원을 단순히 '얇아진 3차원'으로 본다면 새로운 가능성을 발견할 수 없다"고요. 2차원 소재는 그 자체만의 독특한 재능과 법칙을 가진 완전히 새로운 플랫폼입니다. 박 교수님 연구팀은 지난 십수 년간 이 2차원 소재 위에서 열, 빛, 역학을 제어하는 마술 같은 트릭들을 하나씩 성공시켜 왔습니다. |
원자 3개 두께 반도체와 '도장 찍는 로봇' 반도체 회로를 원자 세 개 두께로 아주 얇게 만들 수 있을까요? 박 교수님 연구팀은 '전이 금속 디칼코게나이드(TMD)'라는 특수 소재를 이용해 원자 3개 두께의 얇은 반도체를 4인치 웨이퍼 크기로 크게 만들어내는 데 성공했습니다. 이 TMD 소재는 종이처럼 잘 찢어지지 않고 손상 없이 떼어냈다 붙일 수 있는데, 워낙 얇다 보니 기존 반도체 장비로는 다룰 수가 없었죠. 그래서 박 교수님 연구팀은 원형 도장으로 원자 결정을 떼어내 원하는 모양대로 척척 쌓아 올리는 '결정 프린팅 로봇'까지 직접 발명했습니다. 원자 층을 한 줄씩, 총 9층까지 자로 잰 듯 정확하게 쌓아 올리는 기술을 완성한 것입니다. 잠깐! 2차원 소재의 대명사 '그래핀'과는 어떻게 다른가요? 흔히 2차원 소재 하면 저희가 얼마전에 Vol. 40 뉴스레터에서 소개해드렸던 '꿈의 신소재'라 불리는 그래핀을 먼저 떠올리시죠? 그래핀은 탄소 원자가 단일 층으로 연결된 전기가 아주 잘 통하는 물질입니다. 반면 박 교수님이 사용한 TMD는 원자 3개(전이금속 1개 + 칼코겐 2개)가 샌드위치처럼 결합된 반도체라는 차이점이 있습니다! |
TRICK 1. [열]: 옆으로는 쌩쌩, 위로는 꽁꽁? '요지경 열전도체' 보통 열이 잘 통하는 물질은 모든 방향으로 열을 잘 전달합니다. 하지만 박 교수님 연구팀이 만든 2차원 적층 소재는 전혀 다릅니다. 평면(수평) 방향으로는 결정이 잘 연결되어 있어 열을 매우 잘 전달하지만, 층과 층 사이(수직)로는 열이 거의 전달되지 않습니다. 방향에 따라 열전도 특성이 크게 달라지는 물질을 만들어낸 것이죠. 이 기술을 스마트폰 발열 부위에 덮어두면 어떻게 될까요? 열은 옆으로 확 퍼져 금방 식고, 위쪽(손이 닿는 방향)으로 열이 전달되는 것을 막을 수 있습니다. 전자기기의 발열을 보다 효율적으로 관리할 수 있는 가능성이 열리는 것입니다. |
TRICK 2. [빛]: 원자 필름으로 빛을 싹둑! 원자 3개 두께의 얇은 필름에 레이저 빛을 쏘면 어떤 일이 일어날까요? 실험 결과, 빛이 이 필름을 만나면 마치 칼로 잘라낸 것처럼 깔끔하게 갈라지거나, 필름 내부로 빛이 들어가 갇힌 채 움직이는 광섬유 같은 현상이 나타났습니다. 박지웅 교수님은 2023년에 이 성과를 저명 학술지 《Science》에 발표해 주목받기도 했습니다. 박 교수님 연구팀은 한 걸음 더 나아가, 이 얇은 표면 위에 미세한 렌즈와 프리즘을 만들었습니다. 3차원 공간에서 돋보기로 빛을 모으듯, 원자 두께의 평면 위에서 빛을 자유자재로 제어하는 '2차원 광학 회로(Photonic Circuit)'를 구현해 빛으로 작동하는 컴퓨터의 가능성을 열어둔 셈입니다. 그리고 2025년에는 한 원자 두께의 소재에서 빛의 편광까지 조절하는 연구를 발표했습니다. 쉽게 말해, 빛의 색뿐만 아니라 빛의 방향에 따른 성질까지 조절할 수 있게 된 것입니다. 이처럼 아주 얇은 소재로 빛을 정밀하게 다루는 기술은 앞으로 아주 얇은 광학 장치의 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다. |
TRICK 3. [역학] 물 위를 떠다니는 필름 2차원 필름을 물 위에 얹고 레이저로 자르면 어떻게 될까요? 워낙 얇다 보니 물의 난기류 없이 물 표면 위에서 가로, 세로, 회전 운동만 하는 완벽한 '2차원 역학' 상태가 됩니다. 여기에 빛에 반응하는 계면활성제를 넣고 빛을 쬐어주면, 결정들이 서로 밀고 당기며 물 위를 떠다니는 신기한 움직임을 보여줍니다. |
차원을 바꾸면 펼쳐지는 미래 이번에 함께 살펴본 박지웅 교수님의 2차원 소재 마술, 어떠셨나요? 입체적인 3차원에서 한 걸음 벗어나자, 원자 3개 두께의 평면 위에서 완전히 새로운 물리적 현상이 펼쳐졌습니다. 작고 얇은 원자 필름이 보여준 가능성은 머지않은 미래, 우리가 만날 초슬림·초고속 기기와 새로운 광학·전자 소자의 바탕이 될 수 있습니다. 박지웅 교수님의 연구 발표 자료가 더 궁금하시다면 아래 링크에서 확인해 보세요! |
2000년 미국 클레이수학연구소는 수학자들이 오랫동안 풀지 못한 문제 가운데 일곱 개를 골라 ‘밀레니엄 문제’라고 이름 붙였습니다. 리만 가설, P 대 NP 문제, 나비에 스토크스 방정식처럼 수학의 가장 깊은 난제들이 포함됐고, 하나를 풀 때마다 100만 달러의 상금도 걸었습니다.
26년이 지난 지금까지 공식적으로 해결된 문제는 딱 하나입니다. 그 문제를 푼 사람은 러시아 수학자 그리고리 페렐만이었습니다. 100년 가까이 미해결이던 ‘푸앵카레 추측’을 해결한 그는 자신의 증명을 정식 학술지에 투고하는 대신 인터넷에 논문 세 편을 조용히 올렸습니다. 그리고 세계의 수학자들이 그 증명을 검토하는 사이 학계를 떠나버렸습니다.
국제수학연맹 회장이 직접 상트페테르부르크까지 찾아가 이틀에 걸쳐 설득했지만, 페렐만은 수학계 최고의 영예인 필즈상 수상을 거절했습니다. 문제를 풀었으면 됐지 상은 필요 없다는 이유였습니다. 100만 달러의 상금 역시 받지 않았습니다. 당시 그는 상트페테르부르크에서 어머니와 지내며 수학계와 거의 연락을 끊은 상태였습니다.
물론 페렐만의 증명 역시 여러 수학자가 쌓아놓은 연구 위에서 가능했습니다. 그래도 마지막 돌파구를 만들어낸 모습은 우리가 흔히 떠올리는 ‘한 명의 천재가 난제와 오랫동안 씨름해 마침내 답을 찾아내는 수학’에 가까웠습니다.
그런데 20여 년 뒤, 두 번째 밀레니엄 문제가 될지도 모르는 난제에 도전한 주인공은 한 명의 천재가 아니었습니다. 약 1만 개의 AI 에이전트였습니다.
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물, 바람, 비를 움직이는 방정식
지난 9월 8일 OpenAI는 90년 가까이 풀리지 않았던 나비에 스토크스 난제의 답을 찾았다고 발표했습니다. 쉽게 말하면, 유체가 시간이 지나도 계속 정상적인 상태를 유지하는지, 아니면 특정한 상황에서는 어느 순간 방정식이 감당할 수 없는 극단적인 흐름이 생길 수 있는지를 묻는 문제입니다. OpenAI는 후자의 경우가 실제로 존재한다는 증명을 제시했습니다. 클레이수학연구소도 며칠 뒤 이 문제가 “해결된 것으로 보인다”고 이례적으로 긍정적인 평가를 내놨습니다.
그런데 나비에 스토크스 방정식은 왜 그렇게 중요할까요. 비행기 날개 주변의 공기부터 태풍과 해류, 파이프 속의 물, 혈관을 흐르는 피까지 유체가 움직이는 거의 모든 곳에 쓰이는 유체역학의 기본 방정식이기 때문입니다.
이번 난제에서 다루는 비압축성 유체의 방정식을 조금 단순화해 쓰면 다음과 같습니다.
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수학 기호는 복잡해 보이지만 기본 생각은 의외로 익숙합니다. 뉴턴의 운동법칙 F=ma를 물이나 공기에 적용한 것입니다. 다만 수많은 분자를 하나하나 추적하는 대신, 유체를 연속된 하나의 물질로 보고 계산합니다.
왼쪽은 유체가 얼마나 가속되는지를 나타냅니다. 오른쪽에는 그 유체를 움직이게 만드는 힘들이 들어 있습니다. 압력 차이가 유체를 밀고, 점성이 유체의 흐름을 방해하며, 외부의 힘이 작용하기도 합니다. 말하자면 왼쪽이 ma, 오른쪽이 F인 셈입니다.
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우리 머리를 어지럽게 하는 비선형
문제를 어렵게 만드는 것은 유체가 말 그대로 스스로 흐른다는 점입니다. 빠르게 흐르는 유체가 다른 곳으로 이동하면 그곳의 흐름을 바꾸고, 그 변화가 다시 이후의 움직임에 영향을 줍니다. 나비에 스토크스 방정식에서는 이 효과가 (u.∇)u라는 항으로 나타나는데, 속도가 자기 자신의 공간적 변화와 곱해지는 ‘비선형성’ 때문에 흐름이 매우 복잡해질 수 있습니다.
반대편에는 점성이 있습니다. 꿀을 휘저을 때를 떠올려 보면 쉽습니다. 숟가락 바로 옆의 꿀만 혼자 빠르게 움직이지 않고 주변의 꿀까지 함께 끌고 갑니다. 반대로 주변의 느린 꿀은 빠르게 움직이는 부분을 붙잡습니다. 점성은 이렇게 빠른 곳과 느린 곳 사이에서 운동을 전달하면서 지나치게 큰 속도 차이를 줄여줍니다.
비선형성은 소용돌이를 강하게 만들 수 있고, 점성은 그런 속도 차이를 누그러뜨립니다. 그래서 오래된 질문이 생겼습니다.
"점성이 끝까지 이런 극단적인 흐름을 막아줄까요? 아니면 아주 특별한 경우에는 소용돌이가 점점 작은 영역에 몰리면서, 나비에 스토크스 방정식이 결국 현실에서는 일어날 수 없는 ‘무한한 속도’를 허용하게 될까요?"
이것이 나비에 스토크스 밀레니엄 문제의 핵심입니다. |
OpenAI가 X에 공개한 나비에 스토크스 해법 소개 게시물 |
AI가 찾아낸 ‘폭주하는 소용돌이’
OpenAI가 이번에 찾은 것은 두 번째 경우입니다. OpenAI는 소용돌이가 중심으로 말려 들어가면서 스파게티처럼 길고 가늘게 늘어나는 흐름을 구성했고, 그 끝에서 유체의 속도가 유한한 시간 안에 끝없이 커지는 특이점이 생길 수 있음을 보였습니다. 다만 아직 밀레니엄 문제가 공식적으로 해결된 것은 아닙니다. 페렐만의 증명도 공개 뒤 수년간 검증을 거쳤듯, 이번 결과 역시 수학계의 충분한 검토가 필요합니다. 클레이수학연구소도 긍정적으로 평가하면서도 검증은 서두르지 않겠다고 밝혔습니다. |
천재 한 명 대신 AI 1만 개
이번 증명만큼 놀라운 것은 그것을 찾아낸 방식입니다.
OpenAI는 당시 공개된 GPT-6 Astra보다 더 강력한 내부 모델을 이용해 여러 수학 난제를 동시에 탐색했습니다. 하나의 AI에게 문제를 던진 것이 아니라, 수많은 AI 에이전트를 여러 그룹으로 나눠 서로 다른 풀이를 시도하게 했습니다. 한쪽에서 가능성 있는 아이디어가 나오면 다른 그룹에 전달하고, 막힌 길은 버리고 유망한 방향에는 더 많은 자원을 집중했습니다.
나비에 스토크스에는 최종적으로 약 1만 개의 에이전트가 투입됐고, 첫 탐색을 시작한 지 약 88시간 만에 증명에 도달했습니다. 이후 GPT-6 Astra가 이를 Lean이라는 형식언어로 옮겨 컴퓨터가 논리의 각 단계를 확인할 수 있도록 했습니다.
20여 년 전 푸앵카레 추측의 마지막 벽을 넘은 것은 페렐만이라는 한 명의 수학자였습니다. 이번에는 수천 개의 AI가 동시에 수천 갈래의 길을 달렸습니다.
그런데 이 놀라운 발표에는 꽤 험악한 뒷이야기도 따라붙었습니다. 그런데 발표 직전부터 일이 조금 꼬였습니다
OpenAI가 나비에 스토크스에 뛰어든 출발점부터 흥미롭습니다. OpenAI는 다른 연구팀이 관련 난제에서 큰 진전을 이뤘다는 소문을 듣고 대규모 탐색을 시작했다고 밝혔는데, 그 연구팀이 바로 뉴욕대의 트리스탄 벅마스터와 앤트로픽의 레벤트 알푀게였습니다.
문제는 양측이 접촉하면서 벌어졌습니다. 벅마스터의에 따르면 OpenAI가 자신에게는 논문 공동 작업을 제안했으나 알푀게는 경쟁사인 Anthropic 소속이라는 이유로 저자에서 제외하고자 했다는 것입니다. 벅마스터는 이를 거절했고, 자신이 이 모든 과정을 공개하겠다고 했죠. 그러자 OpenAI측은 “왜 당신의 경력을 망치려 하느냐”는 말을 했다고 하네요.
OpenAI는 사실관계를 부인하며, 두 사람의 미공개 연구가 자사 모델의 훈련이나 증명에 영향을 주지 않았다고 반박했습니다. 현재로서는 양측 주장과 연구 기여를 둘러싼 논쟁을 더 지켜볼 필요가 있습니다. 그런데 이 논쟁 과정에서 샘 올트먼이 남긴 말 하나가 오히려 더 눈에 들어옵니다.
그런데 OpenAI는 이미 다음 문제를 보고 있습니다
샘 올트먼은 이 논쟁에 답하면서 OpenAI가 나비에 스토크스 이후 또 다른 밀레니엄 문제에서 상당한 진전을 이뤘다고 밝혔습니다. 어떤 문제인지는 공개하지 않았습니다. 회사는 나비에 스토크스의 성과를 완성점이 아니라 AI 발전 과정의 “한 시점의 스냅샷”이라고 표현했습니다.
그렇다면 이번 사건의 의미는 90년 난제 하나에만 있지 않을지도 모릅니다. 인간이 수십 년씩 붙잡던 난제를 수천 개의 AI 에이전트가 몇시간 만에 병렬로 해결하는 방식이 이제 실제 연구 현장에 등장했습니다. 그리고 앞으로 이 속도는 가속화될 것 입니다.
수학계 역시 이 변화를 가볍게 보고 있지는 않습니다. 허준이 교수와 테렌스 타오 교수를 포함한 필즈상 수상자 25명은 이번 발표 직후 AI와 수학의 관계에 관한 공동성명을 냈습니다. 문제를 ‘푸는 것’과 수학을 ‘이해하는 것’은 과연 같은 일인지에 대한 질문입니다.
AI가 난제를 인간보다 먼저 풀기 시작한다면, 수학자는 앞으로 무엇을 하게 될까요? 수학이라는 학문의 모습은 어떻게 달라질까요? 그 이야기는 다음 편에서 이어가 보겠습니다. |
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[요주의 PICK] 더 나은 사회를 만나는 이틀, 사회적가치 페스타 2026 |
더 나은 사회를 만드는 아이디어는 어디에서 만날 수 있을까요? 오늘(9월 21일) 개막하는 제3회 대한민국 사회적가치 페스타는 정부·기업·시민사회가 한자리에 모여 사회적가치의 의미를 나누고, 아이디어를 실천으로 연결하는 국내 최대 규모의 민간 주도 사회문제 해결 플랫폼입니다. ‘INSIGHT FOR ACTION, IMPACT FOR SOCIETY’를 슬로건으로 내건 올해 페스타에서는 협력 / 혁신&환경 / 지역 / 사회 4개 존이 유기적으로 연결되어, 서로 다른 분야의 만남이 어떻게 더 큰 변화를 만들어내는지 보여줍니다. 기술 혁신이 새로운 사회적 가치를 만들어내고 변화의 속도를 높이는 모습도 살펴볼 수 있는 자리인 만큼, 오늘과 내일 코엑스 Hall A에서 그 가능성을 직접 만나보세요! |
발행인 : 최종현학술원 과학혁신2팀 | 이주섭 팀장, 이우원 PM, 전소민 PM |
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