От живой материи и молекул до элементарных частиц — наш мир полон «хиральных» объектов, не совпадающих со своим отражением.
После приключений в Стране Чудес вымышленная Алиса из повести Льюиса Кэрролла 1871 года «Алиса в Зазеркалье» шагнула сквозь зеркало над камином, чтобы узнать, чем же отраженный мир отличается от ее собственного. Она обнаружила, что все книги там написаны задом наперед, а люди «живут наоборот», перемещаясь по миру, где следствия предшествуют причинам.
Когда предметы в зеркале выглядят иначе, ученые называют их хиральными. Например, наши руки хиральны. Представьте, как Алиса пытается пожать руку своему отражению. Правая рука в зазеркальном мире становится левой, и их невозможно идеально совместить для рукопожатия, потому что пальцы изгибаются не в ту сторону. (Собственно, само слово «хиральность» происходит от греческого слова, означающего «рука».)
Опыт Алисы отражает нечто глубокое о нашей собственной Вселенной: в Зазеркалье все не так, как у нас. Поведение многих привычных объектов, от молекул до элементарных частиц, зависит от того, с какой из зеркальных версий мы имеем дело.
Содержание
Зазеркальное молоко
В начале «Алисы в Зазеркалье» девочка подносит свою кошку Китти к зеркалу и грозится перенести ее на ту сторону. «Интересно, дадут ли тебе там молока? А может, зазеркальное молоко пить нельзя», — размышляет она.
Алиса была не так уж далека от истины. Чуть более чем за два десятилетия до публикации книги Луи Пастер, экспериментируя с подпорченным вином, обнаружил, что некоторые молекулы могут быть хиральными. Они могут существовать в различных лево- и правосторонние структурных формах, которые невозможно наложить друг на друга, как левую и правую перчатку. Пастер выяснил, что, хотя они содержат одни и те же компоненты, зеркальные версии хиральных молекул могут выполнять различные химические функции.
Лактоза, сахар, содержащийся в молоке, хиральны. Хотя синтезировать можно любую из версий, сахара, производимые и потребляемые живыми организмами, всегда являются правохиральными. Фактически, жизнь, какой мы ее знаем, использует только правосторонние сахара — отсюда и знаменитая правозакрученная спираль ДНК. Причина этой «гомохиральности» остается одной из величайших загадок, окутывающих тайну происхождения жизни.
Китти не смогла бы переварить зазеркальное молоко. Хуже того, если бы в нем содержались бактерии с противоположной хиральностью, ее иммунная система и антибиотики оказались бы бессильны. В прошлом году группа видных ученых предостерегла от синтеза зеркально-симметричных форм жизни именно по этой причине: если бы какие-то из них покинули лабораторию, они могли бы обойти защитные механизмы обычных организмов.
Углубляясь в микромир
Продолжая наше путешествие вглубь, мы обнаруживаем следы хиральности вплоть до элементарных частиц.
Работа Пастера с молекулами опиралась на более раннее открытие Огюстена Жана Френеля, который в 1822 году понял, что различные кварцевые призмы могут закручивать электрическое поле света в одном из двух направлений — по часовой стрелке или против нее. Если бы каждая частица света могла оставлять за собой дымный след, то из одной призмы выходил бы правозакрученный винт дыма, а из другой — левозакрученный.
Сегодня физики считают хиральность фундаментальным свойством всех элементарных частиц, таким же, как заряд или масса. Частицы, не имеющие массы, всегда движутся со скоростью света и несут внутренний угловой момент, будто вращаются как волчок. Если частицы летят в направлении вашего большого пальца, их спин следует направлению, в котором сгибаются остальные пальцы — либо правой, либо левой руки.
Ситуация несколько усложняется для массивных частиц, таких как электроны и кварки. Поскольку массивная частица движется медленнее света, более быстрый наблюдатель мог бы обогнать ее и фактически изменить направление ее движения, тем самым перевернув ее видимую хиральность. По этой причине, описывая хиральность массивных частиц, физики часто ссылаются на математическое описание квантовых свойств частицы. При вращении частицы ее квантовая волновая функция смещается влево или вправо в зависимости от ее хиральности.
Почти каждая элементарная частица имеет своего двойника в Зазеркалье. Отрицательно заряженный левосторонний электрон отражается как отрицательно заряженный правосторонний электрон.
В зазеркальном мире Алиса обнаруживает, что вся логика перевернута с ног на голову: люди бегут, чтобы оставаться на месте, и празднуют «не-дни рождения» во все дни, когда они не родились. Точно так же и 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 зеркальные аналоги — нет.
Более того, есть одна частица, которая, кажется, вообще не появляется в зеркале. Нейтрино до сих пор наблюдались только в левосторонней форме. Физики элементарных частиц исследуют, существует ли правостороннее нейтрино, или же зеркальные отражения нейтрино просто идентичны самим себе (являются частицами Майораны), что могло бы помочь объяснить, почему Вселенная содержит вещество, а не состоит из ничего.
Так что, заглядывая в Зазеркалье, мы можем многое узнать о нашем собственном мире. Только будьте осторожны и не пейте тамошнее молоко.
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.