Чем отличаются Вселенная и ее зеркальная версия

Оригинальная версия этой истории была опубликована в журнале Quanta Magazine .

После своих приключений в Стране чудес вымышленная Алиса прошла сквозь зеркало над своим камином в романе Льюиса Кэрролла 1871 года «Сквозь зеркало», чтобы узнать, чем отраженный мир отличается от ее собственного. Она обнаружила, что все книги были написаны наоборот, и люди «жили наоборот», ориентируясь в мире, где следствия предшествуют своим причинам.

Когда объекты в зеркале выглядят по-разному, ученые называют их хиральными. Например, руки хиральны. Представьте себе Алису, пытающуюся пожать руку своему отражению. Правая рука в зеркальном мире становится левой рукой, и нет никакого способа идеально выровнять их для рукопожатия, потому что пальцы сгибаются в неправильном направлении. (На самом деле, слово «хиральность» происходит от греческого слова «рука».)

Опыт Алисы отражает нечто глубокое в нашей собственной вселенной: сквозь зеркало все не то же самое. Поведение многих знакомых объектов, от молекул до элементарных частиц, зависит от того, с какой зеркальной версией мы взаимодействуем.

В начале «Сквозь зеркало » Алиса подносит свою кошку Китти к зеркалу и грозится столкнуть ее на другую сторону. «Интересно, дадут ли они вам там молока? Может, молоко из Зеркала не годится для питья», — говорит она.

Элис была на верном пути. Чуть более чем за два десятилетия до публикации книги Луи Пастер, экспериментируя с просроченным вином, обнаружил, что некоторые молекулы могут быть хиральными. Они могут иметь отчетливые 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, хиральна. Хотя синтезировать можно любую из версий, сахара, производимые и потребляемые живыми организмами, всегда являются правыми. Фактически, жизнь, какой мы ее знаем, использует только правые сахара — отсюда и генетическая лестница ДНК, которая всегда закручивается вправо. Корень этой «гомохиральности» остается одной из самых больших загадок, окутывающих происхождение жизни.

Китти не смогла бы переварить зеркальное молоко. Хуже того, если бы в нем содержались какие-либо бактерии с противоположной направленностью, ее иммунная система и антибиотики были бы не в состоянии оказать сопротивление. Группа выдающихся ученых недавно предостерегла от синтеза зеркальных форм жизни по этой причине — если бы кто-то из них сбежал из лаборатории, он мог бы обойти защитные механизмы обычных форм жизни.

Продолжая движение по кроличьей норе, мы видим следы хиральности вплоть до элементарных частиц.

Работа Пастера над молекулами основывалась на предыдущем открытии Огюстена-Жана Френеля, который в 1822 году понял, что различные кварцевые призмы могут заставлять электрическое поле света вращаться в одном из двух направлений — по часовой стрелке или против часовой стрелки. Если бы каждая частица света могла оставлять за собой дымный след, то из одной призмы выходил бы правый винт дыма, а из другой — левый винт.

В настоящее время физики считают хиральность фундаментальным свойством всех элементарных частиц, как заряд или масса. Частицы, не имеющие массы, всегда движутся со скоростью света, и все они также несут внутренний угловой момент, как будто они вращаются как волчок. Если частицы летят в направлении вашего большого пальца, их вращение следует направлению сгибания ваших пальцев — как на правой, так и на левой руке.

Ситуация немного сложнее для массивных частиц, таких как электроны и кварки. Поскольку массивная частица движется медленнее, быстрый наблюдатель может догнать ее и эффективно изменить направление ее движения, тем самым перевернув ее кажущуюся леворукость. 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 через зеркало. Отрицательно заряженный левосторонний электрон зеркально отражается антипозитроном, отрицательно заряженной правосторонней частицей.

В зеркальном 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 наша вселенная отличается от своего зеркального отражения. Слабое взаимодействие — сила, которая отвечает за радиоактивный распад — ощущается только левосторонними частицами. Это означает, что некоторые частицы будут распадаться в обычном мире, а их аналоги в зеркале — нет.

Плюс, есть одна частица, которая, кажется, вообще не отображается в зеркале. Нейтрино когда-либо наблюдалось только в его левой форме. Физики, изучающие частицы, исследуют, существует ли правостороннее нейтрино или зеркальные отражения нейтрино просто идентичны, что может помочь объяснить, почему во Вселенной есть что-то, а не ничего .

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

Оригинальная статья перепечатана с разрешения журнала Quanta Magazine , редакционно независимого издания Фонда Саймонса , чья миссия заключается в расширении понимания науки общественностью путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических и биологических наук.