От молекул до частиц: как хиральность формирует нашу вселенную

Если бы Алиса из Зазеркалья действительно попала в отраженный мир, ее кошка вряд ли смогла бы переварить местное молоко — ведь даже на молекулярном уровне этот мир был бы не таким, как наш.

В отраженном мире Льюиса Кэрролла все законы переворачиваются — даже время идет в обратную сторону

Источник: Quanta Magazine

Вдохновившись историей Алисы, оказавшейся по ту сторону зеркала в книге Льюиса Кэрролла, ученые снова обратили внимание на фундаментальное свойство материи — хиральность, или асимметрию объектов относительно зеркала. Об этом рассказывается в материале Quanta Magazine, где собраны как исторические, так и современные научные данные о том, почему отраженный мир не просто искажение, а принципиально другая реальность.

Хиральные объекты невозможно совместить с их зеркальным отражением. Простейший пример — человеческие руки: правая и левая внешне похожи, но наложить одну на другую полностью не получится. Это свойство имеет глубокие последствия как для химии, так и для физики элементарных частиц.

Еще в 1840-х годах Луи Пастер заметил, что некоторые молекулы, например молочный сахар — лактоза, имеют зеркальные версии, при этом только одна из них используется живыми организмами. Правая версия сахаров — основа для всех форм жизни на Земле. Это одностороннее предпочтение ученые называют гомохиральностью. Почему природа выбрала именно такой вариант — до сих пор загадка.

Хиральные молекулы, такие как лактоза, могут иметь «правую» и «левую» формы — и только одна из них используется в живых организмах

Источник: Unsplash

Если бы молоко в Зазеркалье состояло из левых молекул сахара, животные из нашего мира не смогли бы его переварить. В случае существования зеркальных бактерий они оказались бы неуязвимыми для нашей иммунной системы и антибиотиков. Именно по этой причине современные биологи предупреждают об осторожности при работе с искусственными хиральными молекулами в лабораториях.

На более глубоком уровне хиральность проявляется и в свойствах света. В XIX веке физик Огюстен Френель показал: свет, проходя через кварц, закручивает свою электрическую волну вправо или влево. Сегодня физики считают хиральность базовым свойством частиц наряду с массой и зарядом. У фотонов, которые не имеют массы, направление вращения строго связано с направлением их движения.

Для массивных частиц, таких как электроны или кварки, ситуация сложнее. Их хиральность может казаться разной в зависимости от того, как быстро движется наблюдатель. Поэтому физики описывают такие частицы не только по их спину, внутреннему вращению, но и через математические свойства их квантовых волн.

Элементарные частицы, такие как электроны и нейтрино, обладают хиральностью — квантовым «вращением», которое определяет их поведение в нашем мире и в гипотетическом зеркальном

Источник: Unsplash

Любая частица имеет зеркального двойника. Левый электрон отражается в правый анти-позитрон. Но слабое взаимодействие, одна из фундаментальных сил природы, действует только на левые частицы. Именно по этой причине мир и его отражение не полностью симметричны.

И наконец, загадочные нейтрино наблюдаются только в левой форме. Ученые до сих пор не знают, существуют ли их правые двойники. Если да — это может объяснить, почему во Вселенной есть материя, а не только антиматерия.

Мир по ту сторону зеркала не просто литературная фантазия. Он помогает ученым лучше понять законы, по которым устроен наш собственный мир — от молекул до частиц, от жизни до космологии. А на более масштабном уровне это «зеркальное» различие проявляется и в космосе: например, в том, как устроены черные дыры и почему их струи света и материи ведут себя столь необычно — подробнее об этом читайте в нашей статье.