CPT 정리 (CPT Symmetry) 간단 정리 (+테넷)

 열역학 제 2법칙이란 엔트로피는 자연상태에서 항상 증가한다는 법칙이다. 엔트로피는 다른 말로 불규칙성이라고 할 수 있고, 엔트로피를 감소시키려면 외부에서 에너지가 작용해야 한다. 예를 들어, 잉크를 물에 떨어뜨리면 불규칙성이 증가하며 잉크가 물에 퍼진다. 또한, 냉동실에 물을 넣어두면 외부 에너지를 받은 냉장고가 물을 얼린다. (엔트로피를 감소시킨다.)

https://www.dedoimedo.com/physics/entropy.html

 

 이처럼 자연계에서는 엔트로피가 증가하는지 감소하는지에 따라 시간이 순행하는지, 역행하는지를 알아볼 수 있다. 하지만 이런 현상은 아주 작은 입자들이 어떻게 행동하는지에 따른 결과물일 뿐이다. 물속에서 잉크가 퍼질때도, 수많은 잉크 입자들이 서로 멀어지기 때문에 생겨나는 현상이라고 할 수 있다.

 

 그렇다면 그 수많은 입자들의 결과물이 아닌, 그저 한 입자만의 행동만으로도 시간의 흐름을 알 수 있을까?

 이 질문의 대답은 놀랍게도 '그렇다'이다. 이것은 바로 CPT 정리에 의해서 알 수 있게 된다.

 

 

1. CPT 정리란?

 물리학에서는 항상 지켜져야 된다고 생각해왔던 세가지의 대칭성이 존재했다. Charge, Parity, Time이 그 세가지이다.

 Charge Symmetry(전하 켤레 대칭) 란 어떤 입자의 전하가 양전하이든 음전하이든지 간에 같은 물리학적 현상이 적용된다는 것이다.

음전하나 양전하나 같은 전하끼리는 밀어낸다.

 

Parity Symmetry(반전성)란 거울을 바라보는 것과 같다. 오른손을 거울 앞에 들면 왼손으로 보이게 된다. Parity Symmetry 또한 거울 속 세상이나 현실 세상이나 물리학적 현상은 똑같이 일어난다.

왼손을 거울 앞에 가져가면 거울 속 손은 오른손이 된다.

 

마지막으로 Time Symmetry(시간 역전 대칭)란 한 사건이 일어났을때 그 사건의 시간을 뒤로 돌려도 물리학적 이론이 같게 적용된다는 대칭이다. 즉, A가 공을 던지고 B가 받았다. 그 영상을 뒤로 돌린다면 그 공을 B가 던지고 A가 받는것과 같게 보인다는 것이다. 왜냐하면? 영상을 역재생했을때나 똑바로 재생했을때나 같은 물리학 법칙을 따르기 때문이다.

2. Parity Symmetry의 붕괴

 1956년, P 대칭이 깨지게 된다. 바로 약력은 P 대칭을 따르지 않는다는 논문이 발표되었기 때문이다.

 

약력이란?

약력이란?

물리학에는 강력, 약력, 전자기력, 중력이라는 4가지 기본 상호 작용이 존재한다. 여기서 약력은 베타 붕괴가 일어날때 관찰되는 힘인데, 베타 붕괴란 중성자가 붕괴하여 양성자와 전자, 그리고 중성미자로 나뉘는 현상이다.

 

 1957년 노벨상 물리학 부문을 수상한 리정다오와 양전닝이 저서한 논문에는 그들이 한 실험에 대해 나와있다. 짧게 설명을 하자면, 그들은 코발트 60을 한 방향으로만 돌도록 정렬을 한후, 그들에게 에너지를 공급하여 붕괴하게 하였다. 만약 P 대칭이 약력에 상관없이 적용 된다면 코발트 60에 거울을 비췄을때 전자들이 양방향으로 같은 수만큼 나올것이다.

만약 P 대칭이 적용된다면 전자가 양방향으로 나올 것이다.

 

 하지만 놀랍게도 전자는 한방향으로만 나오는 현상을 보였고 이로써 우리는 약력을 이용해 거울속 세상과 현실 세상을 구분할 수 있게 되었다. 즉, 약력은 P 대칭을 따르지 않는다는 것이다.

놀랍게도 전자는 주로 한쪽 방향으로만 나왔다.

 

 모든것이 따르는 P 대칭이 붕괴되자 물리학자들은 혼란에 빠졌는데, 이때 P 대칭만이 아니라 C 대칭도 함께 적용을 시킨다면 그 현상은 CP 대칭을 따른다고 할 수 있다. 결국, P 대칭은 혼자서만 적용이 되는것이 아니라 C 대칭도 동시에 적용되는 CP 대칭이어야만 모든 것들이 그것을 따른다는 것이다.

C 대칭도 함께 적용하면 말이 된다.

 

3. Charge Symmetry의 붕괴

 그리고 얼마 지나지 않아 1964년, 약력이 C 대칭도 따르지 않는다는 것이 밝혀졌다.

 

 

 

4. Time Symmetry

 이렇게 C대칭과 P대칭이 차례대로 깨지고, 과학자들은 CPT 대칭이 모든것에 대해서 성립하기 위해서는 T대칭도 언젠까는 깨져야 한다고 말하고 있다. (T대칭도 비교적 최근에 실제로 깨졌음)

 

 

5. CPT Symmetry

 C, P, T 대칭이 한번에 일어나는 CPT 대칭은 아직 깨지지 않았다. 그래서 테넷이 이 대칭을 기본 원리로 삼은게 아닐까 싶다!

 

6. CPT 대칭과 테넷

 실제로 주인공이 인버전된 상태로 자신과 싸울때는 항상 방호복 같은것을 입고 다닌다. 그 이유는 만약 인버전된 자신과 인버전되지 않은 자신이 접촉하게 되면 둘 다 붕괴되기 때문이다. 이런 현상은 C대칭에서 볼 수 있는데, 인버전은 시간을 되돌리는 것이다. 즉, T대칭이 일어나게 만든다는건데, T대칭이 일어나기 위해서는 CP대칭도 동시에 일어나야 하기 때문에 인버전을 하게되면 CPT 대칭이 모두 동시에 일어나게 된다. 여기서 C대칭은 물질을 반물질로 만드는 대칭이다. 즉, 인버전 된 주인공은 몸이 반물질로 이루어져 있기 때문에 인버전되지 않은 자신과 접촉하게 된다면 물질과 반물질이 접촉하여 쌍소멸이 일어나게 된다.

 

 

 

 

 

이 포스팅은 Veritasium의 "시간 대칭성을 무너뜨리는 입자" 영상을 바탕으로 쓰였습니다.
시간이 되는 분들 께서는 영상도 시청하는 것을 권합니다.