리만 다양체 기술의 역사와 현대 과학에서의 필수적 역할

개미에게는 구부러진 선이 평평한 길처럼 보이고, 인간에게는 둥근 지구가 평면처럼 느껴진다. 이처럼 국소적으로는 평평해 보이지만 전체적으로는 복잡한 구조를 가진 기하학적 대상을 수학자들은 다양체(Manifold)라고 부른다. 1854년 독일의 수학자 베른하르트 리만이 제안한 이 개념은 현대 물리학과 데이터 과학의 언어가 되었다.

리만 다양체 기술의 탄생과 유클리드 기하학의 한계

수천 년 동안 인류에게 기하학은 곧 평평한 유클리드 공간을 의미했다. 직선이 가장 짧은 거리이며 삼각형 내각의 합은 항상 180도인 세계다. 하지만 리만은 이를 넘어 임의의 차원과 곡률을 가진 추상적 공간을 정의했다. 당시 학계는 그의 아이디어를 너무 모호하다며 외면했으나, 그의 사후인 1868년에 이르러서야 논문이 출판되며 빛을 보기 시작했다.

상대성 이론부터 데이터 과학까지: 리만 다양체의 확장

리만의 추상적 이론을 현실 세계로 끌어올린 것은 알베르트 아인슈타인이었다. 그는 1915년 일반 상대성 이론을 발표하며 시공간을 4차원 다양체로 묘사했다. 중력은 이 다양체의 곡률에 불과하다는 설명이다. 이 관점은 현대 물리학의 근간이 되었으며, 오늘날에는 로봇 공학, 양자 역학, 뇌 과학 등 다양한 분야로 확장되었다.

• 데이터 분석: 수천 개의 뉴런 활동 데이터를 저차원 다양체 위에 배치하여 패턴 분석
• 로봇 공학: 이중 진자와 같은 복잡한 기계의 움직임을 도넛 형태의 토러스 다양체로 치환하여 해결
• 우주론: 우리가 사는 3차원 공간의 전체적인 모양을 추론하는 도구로 활용