카오스 이론, 양자역학, 프랙탈 구조를 결합하여 새로운 양자 불확정성 원리(Fractal uncertainty principle)를 고차원으로 확장한 수학적 증명이 등장했습니다. MIT 출신 박사과정 학생이었던 알렉스 코헨(Alex Cohen)이 이끈 이 연구는 프랙탈 경로 내에서 양자 입자가 어떻게 다르게 거동하는지 규명할 수 있는 보편적인 수학적 도구를 제공한다는 점에서 큰 의의를 갖습니다.
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홈 대학원생, 프랙탈을 위한 양자 불확정성 원리를 증명하다 댓글 기사 저장 나중에 읽기 공유 페이스북 복사됨! 링크 복사 이메일 포켓 레딧 와이콤비네이터 댓글 댓글들 기사 저장 나중에 읽기 나중에 읽기 카오스 이론 대학원생, 프랙탈을 위한 양자 불확정성 원리를 증명하다 (샬마 웨그스만, 2026년 8월 12일)
카오스 이론, 양자 이론, 그리고 무한히 복잡한 프랙탈 구조를 결합한 이 수학적 성과는 '기초적인 결과(foundational result)'로 불립니다.
도입부
양자 영역에서는 아주 작은 입자들이 기이한 방식으로 움직입니다. 그 이유 중 하나가 바로 불확정성 원리(uncertainty principle)인데, 이는 양자 입자의 위치를 정확히 알수록 그 입자의 속도에 대해서는 덜 알 수밖에 없고, 그 반대의 경우도 성립한다는 법칙입니다. 최근 이 원칙은 보기 드물게 대대적인 업그레이드를 맞이했습니다.
새로운 불확정성 원리는 프랙탈(fractal, 확대해도 동일한 복잡성을 유지하는 도형)과 관련이 있습니다. 약 10년 전, 매사추세츠 공과대학(MIT)의 수학자인 세묜 디아틀로프(Semyon Dyatlov)는 카오스(혼돈)적인 상황에 놓였을 때 양자 입자가 일반 입자와 다르게 행동하는지 연구하고 있었습니다. 때로는 카오스적으로 움직이는 물체가 프랙탈과 유사한 경로에 갇혀 영원히 따라가게 될 수 있습니다. 그렇다면 양자 입자도 그럴 수 있을까요?
양자 입자는 파도처럼 퍼져나가는 경향이 있어 정확한 위치가 흐릿해집니다. 양자 입자가 너무 많이 퍼져서 이렇게 복잡하게 갇힌 경로를 따라갈 수 없는지 알아내기 위해, 디아틀로프는 프랙탈을 다룰 수 있는 새로운 불확정성 원리가 필요했습니다. 2016년, 이 연구 직후 세상을 떠난 저명한 수학자 장 부르갱(Jean Bourgain)의 핵심적인 아이디어를 바탕으로 디아틀로프는 톱니바퀴 모양의 선과 같은 1차원 프랙탈에 대한 불확정성 원리를 증명했습니다. 이 선들은 당구대를 굴러다니는 공처럼 2차원에서 움직이는 물체가 취하는 경로를 나타낼 수 있습니다.
그해 가을, 디아틀로프와 부르갱은 이 증명을 더 높은 차원으로 확장하기를 희망하며 전 세계 수학자들을 뉴저지에 있는 워크숍에 초대했습니다. 확장된 증명은 3차원 세계를 연구하는 데 사용될 수 있었고, 그 자체로 보편적인 수학적 도구가 될 수 있었습니다. 하지만 이 작업은 너무나도 어렵게 입증되었습니다. 워크숍이 끝날 무렵, 소르본 대학교의 수학자이자 참가자 중 한 명인 프레데릭 노(Frédéric Naud)는 "워크숍이 끝날 때쯤 아무도 이것이 해결될 수 있을 거라고 믿지 않았다"고 말했습니다.
수년이 지나서야 MIT 박사과정 학생이었던 알렉스 코헨(Alex Cohen)이 마침내 돌파구를 마련했습니다. 그는 2025년 수학 분야 최고의 저널 중 하나로 널리 알려진 '수학 연보(Annals of Mathematics)'에 논문을 발표하며 프랙탈 불확정성 원리를 모든 고차원으로 확장했습니다. 이 연구 결과는 코헨의 박사 논문이 되었고, 그는 25세의 나이에 뉴욕대학교(NYU) 조교수직을 제안받았습니다.
프랙탈 불확정성 원리는 "기초적인 결과"라고 고등연구소의 피터 사르나크(Peter Sarnak)가 말했습니다. 그는 이것이 "박사 논문을 쓴 사람에게는 꽤 놀라운 업적"이라고 덧붙였습니다. 이 원리는 이미 양자 입자가 고전적인 입자와 다른 새롭고 심오한 방식을 보여주었습니다.
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입자의 맥락에서 불확정성 원리는 이상하게 보일 수 있지만, 그보다는 덜 신비로운 형태로도 나타날 수 있습니다. 소리가 짧을수록 그 소리를 구성하는 음조(tone)에 대해 확신하기 어렵습니다. 짧은 레이더 펄스는 잠수함의 위치를 정확히 찾아낼 수 있지만, 잠수함이 어디로 이동하고 있는지 알아내려면 더 긴 신호가 필요합니다. 양자 역학의 불확정성 원리를 포함한 이러한 모든 불확정성 원리는 동일한 수학적 근원에서 비롯됩니다.
이 심오한 수학적 불확정성 원리는 아무리 울퉁불퉁하고 거칠어 보이더라도 대략적으로 모든 함수(또는 모든 곡선)에 광범위하게 적용됩니다. 이는 19세기에 발명된 푸리에 변환(Fourier transform)이라는 방정식에서 나옵니다. 프랑스인 조셉 푸리에(Joseph Fourier)의 이름을 딴 푸리에 변환은 모든 함수를 각각 다른 주파수나 음조를 가진 단순한 파동의 집합으로 분해합니다. 이 단순한 파동들을 모두 합치면 원래의 함수로 돌아갑니다. 불확정성 원리는 바로 여기서 비롯됩니다.
Home Graduate Student Proves a Quantum Uncertainty Principle for Fractals Comment Save Article Read Later Share Facebook Copied! Copy link Email Pocket Reddit Ycombinator Comment Comments Save Article Read Later Read Later chaos theory Graduate Student Proves a Quantum Uncertainty Principle for Fractals By Shalma Wegsman August 12, 2026 The math, which combines chaos, quantum theory, and infinitely complex fractal structures, has been called a “foundational result.” Comment Save Article Read Later Introduction A t the quantum scale, tiny particles behave in bizarre ways. One reason for this is the uncertainty principle, which says that the more you know about where a quantum particle is, the less you can know about how fast it’s moving, and vice versa. Recently, this rule got a rare upgrade. The new uncertainty principle relates to fractals, shapes that remain equally complex no matter how much you zoom in on them. Around a decade ago, Semyon Dyatlov , a mathematician at the Massachusetts Institute of Technology, was studying whether quantum particles behave differently than ordinary particles when put into the same chaotic situations. Sometimes, an object moving chaotically can become trapped into following a fractal-like path forever. Could quantum particles do the same? Quantum particles tend to spread out like waves, which blurs their exact location. To figure out whether quantum particles blur too much to take on these intricate trapped paths, Dyatlov needed a new uncertainty principle — one that could tackle fractals. In 2016, with key ideas from Jean Bourgain — a renowned mathematician who died shortly after this work — Dyatlov proved the fractal uncertainty principle for one-dimensional fractals, which look like jagged lines. These lines can represent the paths taken by objects moving in two dimensions, like balls traveling around a billiard table. That fall, Dyatlov and Bourgain gathered mathematicians from around the world in New Jersey for a workshop, hoping to extend the proof to higher dimensions. An extended proof could be used to study the three-dimensional world and would become a universal mathematical tool in its own right. But the task proved too difficult. By the end of the workshop, “nobody really believed that it could be done,” said one of the attendees, Frédéric Naud , a mathematician from Sorbonne University. It wasn’t until years later that Alex Cohen , while a doctoral student at MIT, finally made a breakthrough. In a paper published in 2025 in the Annals of Mathematics , widely considered to be the field’s top journal, he extended the fractal uncertainty principle to all higher dimensions. The result became Cohen’s thesis and earned him an assistant professorship at New York University at the age of 25. The fractal uncertainty principle is “a foundational result,” said Peter Sarnak of the Institute for Advanced Study — “a pretty remarkable achievement for a guy in his thesis.” Already, this principle has revealed a new deep way that quantum particles differ from classical ones. Pinball Wizard Though the uncertainty principle may seem strange in the context of particles, it can also crop up in less mysterious forms. The briefer a sound, the less sure you can be about the tones that make it up. A short radar pulse can accurately locate a submarine, but it takes a longer signal to determine where it’s moving. All these uncertainty principles, including the quantum one, arise from the same mathematical source. This deeper mathematical uncertainty principle applies broadly to any function — or any curve, roughly speaking, no matter how bumpy and wild it looks. It comes from an equation invented in the 19th century called the Fourier transform . Named for the Frenchman Joseph Fourier, the Fourier transform decomposes any function into a set of simple waves, each with a different frequency, or tone. Add those simple waves together, and you’ll get back your original function. The uncertainty principle comes built in. A simple sine wave, which spreads infinitely throughout space, has one definite frequency, so its Fourier transform is a single peak. But the snap of a snare drum looks like a pulse as it travels through the air. Its Fourier transform has a wide spread of frequencies — a sound with no discernible pitch. In general, the narrower a function, the more spread out its Fourier transform must be, and vice versa. Or, in other words, the more certain you are about where a function peaks in space, the less certain you can be about its frequency, or how it’s changing in time. In quantum mechanics, a particle is described mathematically as a wave, with peaks in places where it’s most likely to be found. The Fourier transform of that wave describes the particle’s motion. This is why a quantum particle’s position and momentum can’t both be precisely known at once: They are related by a Fourier transform. But what if you take the Fourier transform of a function that looks like a fractal? To make sense of the question, it helps to imagine a simple kind of fractal: Start with a line and cut it into three segments. Then delete the center segment. Repeat the process: Cut each remaining segment into three, remove the center, and so on. The result is a fractal set called the Cantor set. The set has the feature of being what mathematicians call porous — it’s full of holes, like a sponge, at every scale. Now imagine that this Cantor set lives on the x -axis, and at each point on this set is a peak representing a frequency. The fractal uncertainty principle says that if you add together waves of that fractal-like set of frequencies, the resulting curve cannot also look like a fractal — it cannot be porous. The reverse also holds: If you take the Fourier transform of a fractal-like function, the result cannot be a fractal-like set of frequencies. Such fractal-like functions might sound hard to come by. But they pop up when mathematicians study what happens to quantum particles — or waves more generally — in chaotic situations. Like a ball bouncing around a pinball machine, an object experiencing chaos will often travel erratically around the entire space. “If you look at your path, it’s going to look like a random scribble,” said Elena Kim , a mathematician at Harvard University. But in rare instances, an object can find stability in the chaos. In a flat pinball machine, a ball could stay trapped bouncing between three bumpers forever. The ball wouldn’t repeat the exact same path, but it would stay confined between the bumpers, bouncing off a slightly different spot each time. And if you marked each spot where the ball hits each bumper, you’d find that the marks make up something like the Cantor set. This collection of marks is also called fractal dust. Most balls that hit the bumpers will fly off. “This is the dust that’s left,” said Maciej Zworski of the University of California, Berkeley. Unlike a pinball, however, a wave cannot be confined to a fractal-like path, according to the fractal uncertainty principle. If you tried to trap a wave between three bumpers, it would leak out and escape. “So there’s something different about quantum and classical [chaos],” Dyatlov said. “And one ingredient that you can try to use for that would be uncertainty principles.” Unfinished Knowledge Cohen arrived at MIT in 2021 a self-described “young, energetic harmonic analyst” — harmonic analysis being a field of mathematics dedicated to studying functions and their Fourier transforms. As a doctoral student, he sat in Dyatlov’s talks about the fractal uncertainty principle. “He would end every talk being like, ‘We don’t have a higher-dimensional fractal uncertainty principle. I wish we had that!’” Cohen said. “I was like, OK, this seems like a fun thing to work on.” His enthusiasm was soon checked. For one thing, mathematicians already knew of many situations where the fractal uncertainty principle would fail in higher dimensions. Cohen’s first challenge