양자역학에서 중요한 개념들 중 하나가 파동/입자 이중성이다
오늘날 우리는 모든 물체의 구성요소들이 양자물리학의 법칙들을 따른다는 것과 뉴턴의 법칙들은 그 양자 요소들로 이뤄진 거시적인 물체의 행동을 기술하는 훌륭한 근사이론approximation이라는 걸 알고 있습니다. 뉴턴 이론의 예측들은 우리 모두가 우리 주위의 세계를 경험하면서 터득하는 실재관과 조화를 이룹니다. 그러나 개별 원자와 분자들은 우리의 일상 경험과 근본적으로 다른 방식으로 행동합니다. 양자물리학은 그 이상한 원자와 분자들의 우주를 표현하는 새로운 실재 모형입니다. 우리의 직관적 실재 이해에서 근본적으로 중요한 많은 개념들은 양자물리학에서는 무의미합니다.
양자역학에서 중요한 개념들 중 하나가 파동/입자 이중성입니다. 빛이 파동처럼 행동한다는 사실에 놀라는 사람은 없지만, 물질 입자가 파동처럼 행동한다는 사실에 모든 사람이 놀랐습니다. 양자역학에서 중요한 개념은 독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크Werner Heisenberg(1901-76)가 1926년에 정식화한 불확정성원리uncertainty principle입니다. 하이젠베르크는 2차 세계대전 중에 미국이 영국과 캐나다의 협조 하에 수행한 인류 최초의 핵무기 개발 계획의 암호명인 맨해튼 프로젝트와 대비되는 독일의 원자폭탄 개발에 관련되었으나 나치즘에 반대한 그는 전후에 평화적인 원자력 이용에 주력했습니다. 불확정성원리에 따르면 입자의 위치와 속도를 비롯한 데이터들을 동시에 측정하는 우리의 능력에는 한계가 있습니다. 이는 우리가 입자의 속도를 정확하게 측정하면 측정할수록 우리가 측정할 수 있는 위치가 그만큼 더 부정확해지며, 그 역도 마찬가지라는 뜻입니다. 우리가 입자 위치의 불확정성을 반으로 줄이면 속도의 불확정성은 두 배로 증가할 수밖에 없습니다.
호킹은 다음과 같이 말합니다.
“우리가 전자의 위치를 대략 원자의 크기만큼의 오차 이내로 정확하게 측정한다면, 불학정성원리에 따라서 우리는 그 전자의 속도를 대략 초속 1,000km 정도의 오차 이내로 정확하게 측정할 수 없다. 따라서 정확한 속도 측정이 불가능한 것이다. 불가능한 이유는 입자들이 정확하게 결정되어 있지 않기 때문이다. 자연은 어떤 시스템의 초기 상태가 주어졌을 때, 그 시스템의 미래 상태를 근본적으로 불확정적인 과정을 통해 결정한다. 즉 자연은 가장 단순한 상황들에서도 과정이나 실험의 결과를 명령하지 않는다. 자연은 제각각 실현될 가능성이 어느 정도 있는 다양한 경우들을 허용한다. 아인슈타인의 신은 주사위를 던지지 않는다는 말과는 정반대로 신은 모든 물리적 과정 각각의 결과를 결정하기 전에 주사위를 던지는 것과 같다.”
양자물리학이 자연이 법칙들에 의해서 지배된다는 생각을 위태롭게 할 수 있지만, 호킹은 사실 그렇지 않다고 말합니다. 오히려 양자물리학이 새로운 형태의 결정론을 향해 우리를 이끈다고 말합니다. 그 결정론에 따르면 어떤 시스템의 특정 시점에서의 상태가 주어질 경우 자연법칙들은 그 시스템의 미래와 과거를 정확하게 결정하는 것이 아니라 다양한 미래와 과거들의 확률을 결정합니다.