호킹, 쿼크가 우리의 관찰에 부합하는 모형 안에서만 존재한다
오늘날 모든 물리학자는 전자electron를 볼 수 없음에도 불구하고 전자의 존재를 믿습니다. 전자의 탐구는 1897년 영국 물리학자 톰슨Joseph John Thomson(1856-1940)이 텅 빈 유리관 속에서 일어나는 전기의 흐름, 즉 음극선cathode이란 현상을 실험하던 중 미지의 선이 아주 작은 미립자들corpuscles로 이뤄지자, 그것들이 물질의 궁극적인 기본 단위로 당시에 여겨온 원자의 구성 성분이라는 결론에 도달했습니다. 톰슨은 전자를 보지 못했고, 그의 추측은 그의 실험에 의해서 직접 혹은 명백하게 입증되지 않았습니다. 그러나 그 모형은 기초과학에서부터 공학에 이르기까지 수많은 사례들에서 결정적으로 중요함이 밝혀졌으며, 오늘날의 모든 물리학자는 전자를 볼 수 없음에도 불구하고 전재의 존재를 믿습니다.
우리 눈에 보이지 않는 쿼크quark는 원자핵 속에 있는 양성자와 중성자의 속성들을 설명하기 위한 모형입니다. 양성자와 중성자가 원자핵을 이루는 것과 같이 양성자proton(전하를 띠는 종)와 중성자neutron(전하를 띠지 않는 종) 그 자체도 쿼크로 이뤄졌다는 것입니다. 호킹은 우리는 양성자와 중성자가 쿼크들로 이뤄졌다고 말하지만, 영원히 쿼크를 관찰하지 못할 것이라고 말합니다. 그 이유는 쿼크들 사이의 결합력이 거리에 비례해 증가하기 때문에 고립된 외톨이 쿼크는 자연에 존재할 수 없기 때문입니다. 쿼크들은 항상 세 개의 집단인 양성자나 중성자를 이루거나 쿼크 두 개와 反(반)쿼크 한 개가 집단 파이중간자pi meson를 이루어 나타나며, 고무 밴드로 묶여 그런 집단들을 이룬 것처럼 행동합니다.
쿼크 하나를 고립시키는 것이 절대로 불가능한데도 쿼크가 존재한다고 말하는 것이 합당하느냐는 질문은 쿼크 모형이 처음 제시된 후 몇 년 동안 많은 논쟁을 일으켰습니다. 그러나 세월이 흐르고 쿼크 모형이 옳은 예측을 점점 더 많이 산출하자, 그 모형에 대한 반발이 잦아들었습니다. 호킹은 정확히 말해서 쿼크가 아원자입자들의 행동에 관한 우리의 관찰에 부합하는 어떤 모형 안에서만 존재한다고 말합니다.
호킹은 좋은 모형은 다음의 조건들을 갖추어야 한다고 말합니다.
1. 우아할 것.
2. 자의적이거나 조정 가능한 요소들을 거의 포함하지 않을 것.
3. 기존의 모든 관찰들에 부합하고 그것들을 설명할 것.
4. 만약 틀렸을 경우, 모형을 반증할 수 있는 미래 관찰에 관한 상세한 예측들을 내놓을 것.
호킹이 말하는 우아할 것이란 최대한 단순해야 한다는 것입니다. 복잡성을 증가시키면 모형이 더 정확해질 수 있겠지만, 과학자들은 특정한 관찰들에 부합하기 위한 복잡하게 뒤틀린 모형을 마뜩치 않아 합니다. 그런 모형은 이론이라기보다는 데이터 목록에 더 가깝습니다.
호킹은 새로운 관찰들을 수용하기 위해 필요한 수정이 너무 기괴해진다면, 그것은 새 모형이 필요하다는 신호라고 말합니다.
호킹은 하나의 대상을 입자로 기술할 수도 있고 파동으로 기술할 수도 있다는 파동/입자 이중성의 개념은 돌덩어리를 마실 수 있다는 생각만큼이나 일상경험을 벗어난다고 말합니다. 전혀 다른 두 이론이 동일한 현상을 정확하게 기술하는 상황들, 즉 이중성들은 모형 의존적 실재론과 조화를 이룹니다. 호킹은 각각의 이론이 특정한 속성들을 기술하고 설명할 수 있지만, 어떤 이론도 다른 이론보다 더 낫거나 실재적이라고 할 수 없다고 말합니다. 그는 우주를 지배하는 법칙들과 관련해서 우주의 모든 면을 기술할 수 있는 단일한 수학적 모형 혹은 이론은 없다고 말합니다. 자연의 모든 힘, 그 힘을 느끼는 입자들, 그 모든 일이 벌어지는 무대인 시간과 공간을 빠짐없이 기술할 수 있는 단일 이론은 없다고 말합니다.