От живой материи до молекул и элементарных частиц — мир состоит из «хиральных» объектов, которые отличаются от своих отражённых форм

После приключений в Стране чудес вымышленная Алиса в романе Льюиса Кэрролла «Алиса в зазеркалье» (1871) прошла через зеркало над камином, чтобы узнать, чем отражённый мир отличается от её собственного. Она обнаружила, что все книги были написаны задом наперёд, а люди «жили задом наперёд», перемещаясь по миру, где следствия предшествовали причинам.

Когда предметы отличаются от своего зеркального отражения, учёные называют их хиральными. Например, руки являются хиральными. Представьте, что Алиса пытается пожать руку своему отражению. Правая рука в зеркальном мире превращается в левую, и нет никакой возможности идеально совместить их для рукопожатия, потому что пальцы сгибаются не в ту сторону. (На самом деле само слово «хиральность» происходит от греческого слова, означающего «рука»).

Опыт Алисы отражает нечто глубокое в нашей собственной вселенной: в зазеркалье всё не так, как в реальности. Поведение многих привычных объектов, от молекул до элементарных частиц, зависит от того, с какой версией зеркального отражения мы взаимодействуем.

Зеркальное молоко

В начале романа «Сквозь зазеркалье» Алиса подносит свою кошку Китти к зеркалу и грозится протолкнуть её на другую сторону. «Интересно, дадут ли тебе там молоко? Наверное, молоко из Зазеркалья пить вредно», — говорит она.

Алиса была в чём-то права. Чуть более чем за два десятилетия до выхода книги Луи Пастер, экспериментируя с просроченным вином, обнаружил, что некоторые молекулы могут быть хиральными. Они могут иметь ярко выраженные левосторонние и правосторонние структурные формы, которые невозможно наложить друг на друга. Пастер обнаружил, что, хотя они содержат все те же компоненты, зеркальные версии хиральных молекул могут выполнять различные химические функции.

Лактоза, сахар, содержащийся в молоке, является хиральным веществом. Хотя синтезировать можно любую его версию, сахара, производимые и потребляемые живыми организмами, всегда правосторонние. Фактически, жизнь, как мы её знаем, использует только правосторонние сахара — именно поэтому генетическая лестница ДНК всегда закручивается вправо. Причина этой «гомохиральности» остаётся одной из самых больших загадок, скрывающих происхождение жизни.

Китти не могла бы переварить молоко из зазеркалья. Хуже того, если бы в нём содержались вредоносные бактерии с противоположной хиральностью, её иммунная система, а также антибиотики не смогли бы противостоять ей. Группа известных учёных недавно предостерегла от синтеза зеркальных форм жизни по этой причине — если таковые вырвутся из лаборатории, они смогут обойти защитные механизмы обычных форм жизни.

Уменьшение

Продолжая спускаться в кроличью нору, мы встречаем следы хиральности везде, вплоть до элементарных частиц.

Работа Пастера с молекулами основывалась на предыдущем открытии Огюстена-Жана Френеля, который в 1822 году понял, что разные кварцевые призмы могут посылать электрическое поле света, закручивающееся в одном из двух направлений — по часовой стрелке или против неё. Если бы каждая частица света могла оставлять за собой дымный след, то из одной призмы выходила бы правосторонняя спираль дыма, а из другой — левосторонняя.

В настоящее время физики считают хиральность фундаментальным свойством всех элементарных частиц — таким же, как заряд или масса. Частицы, не обладающие массой, всегда летят со скоростью света, и все они также обладают собственным угловым моментом — они как будто вращаются на манер волчка. Если представить, что частицы летят в направлении, в котором указывает ваш большой палец, их вращение следует за направлением изгиба ваших пальцев — на правой или на левой руке.

С массивными частицами, такими как электроны и кварки, дело обстоит несколько сложнее. Поскольку массивные частицы движутся медленнее, наблюдатель, набравший скорость, может догнать их и изменить направление движения, тем самым перевернув их видимую направленность. По этой причине, описывая хиральность массивных частиц, физики часто ссылаются на математическое описание квантовых свойств частицы. Когда вы вращаете частицу, её квантовая волновая функция смещается влево или вправо в зависимости от её хиральности.

Почти у каждой элементарной частицы есть двойник в зазеркалье. Отрицательно заряженный левосторонний электрон отражается как антипозитрон, отрицательно заряженная правосторонняя частица.

В зазеркальном мире Алиса обнаруживает, что вся логика там перевёрнута с ног на голову: люди бегают, чтобы оставаться на месте, и празднуют «не-день рождения» во все дни, когда они не родились. Точно так же наша Вселенная отличается от своего зеркального отражения. Слабое взаимодействие — сила, которая отвечает за радиоактивный распад, — ощущается только левосторонними частицами. Это значит, что некоторые частицы в обычном мире распадаются, а их аналоги в зеркале — нет.

Кроме того, есть одна частица, которая, кажется, вообще не отражается в зеркале. Нейтрино наблюдали только в его левосторонней форме. Физики элементарных частиц выясняют, существует ли правостороннее нейтрино или зеркальные изображения нейтрино просто идентичны, что может помочь объяснить, почему Вселенная не пустая.

Мы можем многое узнать о нашем собственном мире, заглянув в зазеркалье. Только будьте осторожны и не пейте молоко.