НаверхЧем Вселенная и ее зеркальная версия отличаются
От живой материи до молекул и элементарных частиц — мир состоит из «хиральных» объектов, которые отличаются от своих отраженных форм.
После своих приключений в Стране чудес вымышленная Алиса прошла сквозь зеркало над камином в романе Льюиса Кэрролла 1871 года «Алиса в Зазеркалье», чтобы обнаружить, насколько отраженный мир отличается от ее собственного. Она обнаружила, что все книги были написаны задом наперед, а люди «жили в обратную сторону», перемещаясь по миру, где следствия предшествовали своим причинам.
Когда объекты в зеркале выглядят по-другому, ученые называют их хиральными. Руки, например, хиральны. Представьте, что Алиса пытается пожать руку своему отражению. Правая рука в зазеркалье становится левой, и нет никакого способа идеально совместить их для рукопожатия, потому что пальцы сгибаются не в ту сторону. (Собственно, слово «хиральность» происходит от греческого слова, означающего «рука».)
Опыт Алисы отражает нечто глубокое о нашей собственной вселенной: не все одинаково по ту сторону зеркала. Поведение многих знакомых объектов, от молекул до элементарных частиц, зависит от того, с какой зеркальной версией мы взаимодействуем.
Зеркальное молоко
В начале «Алисы в Зазеркалье» Алиса подносит свою кошку Китти к зеркалу и угрожает протолкнуть ее на ту сторону. «Интересно, дадут ли тебе там молока? Возможно, зазеркальное молоко не годится для питья», — говорит она.
Алиса была на верном пути. Чуть более чем за два десятилетия до публикации книги Луи Пастер, экспериментируя с прокисшим вином, обнаружил, что некоторые молекулы могут быть хиральными. Они могут существовать в виде отдельных левосторонних и правосторонних структурных форм, которые невозможно наложить друг на друга. Пастер обнаружил, что, хотя они и содержат одни и те же компоненты, зеркальные версии хиральных молекул могут выполнять различные химические функции.
Лактоза, сахар, содержащийся в молоке, хиральна. Хотя синтезировать можно любую из версий, сахара, производимые и потребляемые живыми организмами, всегда правосторонние. Фактически, жизнь, как мы ее знаем, использует только правосторонние сахара, поэтому генетическая лестница ДНК всегда закручивается вправо. Корень этой «гомохиральности» остается одной из величайших загадок, окутывающих происхождение жизни. Китти не смогла бы переварить зазеркальное молоко. Хуже того, если бы в нем содержались бактерии с противоположной хиральностью, ее иммунная система и антибиотики были бы плохо приспособлены для борьбы. Группа видных ученых недавно предостерегла от синтеза зеркальных форм жизни именно по этой причине — если бы какая-либо из них сбежала из лаборатории, она могла бы уклониться от защитных механизмов обычных форм жизни.
Уходя в микромир
Продолжая погружение в кроличью нору, мы видим следы хиральности вплоть до элементарных частиц.
Работа Пастера над молекулами основывалась на более раннем открытии Огюстена-Жана Френеля, который в 1822 году понял, что разные призмы из кварца могут заставлять электрическое поле света вращаться в одном из двух направлений — по часовой стрелке или против. Если бы каждая частица света могла оставлять за собой дымовой след, из одной призмы выходил бы правосторонний винт дыма, а из другой — левосторонний.
В наши дни физики считают хиральность фундаментальным свойством всех элементарных частиц, таким же, как заряд или масса. Частицы, не имеющие массы, всегда движутся со скоростью света, и все они несут собственный угловой момент, как будто вращаются, как волчок. Если частицы летят в направлении вашего большого пальца, их вращение следует направлению изгиба ваших пальцев — либо правой, либо левой руки.
Ситуация немного усложняется для массивных частиц, таких как электроны и кварки. Поскольку массивная частица движется медленнее, быстрый наблюдатель мог бы обогнать ее и фактически изменить направление ее движения, тем самым изменив ее видимую хиральность. По этой причине при описании хиральности массивных частиц физики часто ссылаются на математическое описание квантовых свойств частицы. Когда вы вращаете частицу, ее квантовая волновая функция смещается влево или вправо в зависимости от ее хиральности.
Почти у каждой элементарной частицы есть двойник в зазеркалье. Отрицательно заряженный левосторонний электрон отражается в антипозитроне, отрицательно заряженной правосторонней частице.
В зазеркалье Алиса обнаруживает, что вся логика перевернута с ног на голову: люди бегут, чтобы остаться на месте, и празднуют «не-дни рождения» во все дни, когда они не родились. Точно так же наша вселенная отличается от своего зеркального отражения. Слабое взаимодействие — сила, ответственная за радиоактивный распад, — ощущается только левосторонними частицами. Это означает, что некоторые частицы будут распадаться в обычном мире, в то время как их аналоги в зеркале — нет.
Кроме того, есть одна частица, которая, кажется, вообще не появляется в зеркале. Нейтрино наблюдалось только в его левосторонней форме. Физики-ядерщики исследуют, существует ли правостороннее нейтрино или зеркальные отражения нейтрино просто идентичны, что могло бы помочь объяснить, почему вселенная содержит нечто, а не ничто.
Мы можем многое узнать о нашем собственном мире, заглядывая в зазеркалье. Просто будьте осторожны, не пейте молоко.
