소수(素數)는 소수(小數)보다 소수(少數)다. 2 3 5 7 11 13 17…로 이어지는 소수는 무한하겠지만 드러난 소수는 유한하다. 가장 큰 소수로 발견된 50번째 메르센 소수는 2를 77,232,917번 거듭제곱한 다음에 1을 뺀 수다. 물론 51번째 이후 소수도 찾겠지만 아직 알려진 소수는 유한하다. 하지만 0과 1 사이에는 무한한 소수들이 있다. 그래서 소수(prime number)는 0.1과 같은 소수보다 적은 소수다.
이 글의 주제는 소수다. 원소(元素) 소(素)를 쓰는 소수(素數)다. 원소수, 즉 수의 원소인 소수는 간단치 않다. 7대 수학 난제들 중 소수와 관련된 리만 가설은 가장 난해하기로 악명높다. 악마적 속성을 가졌지만 천재 악마에게도 난공불락이란다. 증명불가한 치명적 독배란다. 세상에서 백만 달러를 버는 가장 어려운 일이 이 가설을 풀어 백만 달러 상금을 받는 것이라니… 얼마나 어렵기에? 굳이 어려운 걸 알 필요는 없다. 다만 소수가 무슨 의미인지 알 필요는 있다.
에우클레이데스(BC 330~275)는 소수의 개수가 무한함을 최초로 증명했다. 에라토스테네스(BC 273~192)는 2 3 5 7의 배수를 지워가며 소수를 찾았다. 메르센(Marine Mersenne 1588~1648)은 2의 n승-1의 값들 중에 소수가 나타난다고 밝혔다. 오일러(Leonhard Euler 1707~1783)는 소수가 원주율 π와 관계됨을 밝혔다. 가우스(Carl Gauss 1777~1855)는 소수가 자연상수 e와 관련됨을 밝혔다. 소수가 대표적 두 초월수인 π, e와 얽혀 있다니? 드디어 가우스의 제자였던 리만(Friedrich Riemann 1826~1866)은 1859년 8쪽짜리 논문을 발표했다. 그가 예상하는 가설이 증명되면 주어진 숫자보다 작은 소수의 개수를 분명히 알 수 있다고 했다. 리만 가설! 처음엔 만만하게 보였다. 그러나 증명하려다 뛰어난 수학자들이 좌절했다. 튜링(Alan Turing 1912~1954)은 리만 가설을 부정하려다 그만 의욕을 잃었다. 내시(John Nash 1928~2012)는 리만 가설을 증명하려다 그만 정신분열증을 앓았다. 아티야(Michael Atiyah 1929~2019)는 리만 가설을 증명했다며 설치다 말년에 그만 조롱거리가 되었다.
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리만 가설을 집요하게 파고드는 수학자들이 있다. 증명에 성공한다면 상금 100만 달러는 하찮다. 엄청난 영예가 따른다. 소수는 단지 암호에 이용되는 부분적 도구로 그치지 않기 때문이다. 우주기원이나 원자속성을 궁극적으로 밝힐 수 있는 근원이기 때문이다. 삼라만상의 토대이론을 만들 수도 있다. 리만 가설에 관한 연구는 미시세계를 다루는 양자물리학과도 만났다. 리만 가설의 제타함수 값이 1/2축 일직선 상에서 하찮지않은(non-trivial) 영(0)점이 되어 연속하는 소수 배열의 간격은 원자핵 에너지 레벨의 간격과 일치한단다. 무척 어렵지만 신기신박신비신통하다. 인류는 해석적 수학, 대수적 수학, 비가환 기하학, 대통일 수학 등 고등수학 분야가 총동원되어 리만 가설을 풀어 소수의 비밀을 풀게 될까? 푼다면 창조주의 지적 설계도를 알 수도 있다. 인간이 무지해서 불규칙하며 무질서하게 보일 수 있는 소수의 규칙적 질서를 끝내 찾을 수 있을까? 그리 되면 우주가 열린 태초의 세계까지 이해될는지 모른다. 무지막지하게 작았던 그 때를…. 경성대 광고홍보학과 교수