«Левша» по наследству
«Ненормально» завитые моллюски не такая уж редкость: они составляют примерно одну десятитысячную часть всех особей данного вида (приблизительно так же часто встречаются люди ростом больше двух метров). Интересно, что эта черта передается по наследству, как и любой другой признак.
Великий постулат
Асимметрия — непременное условие всякого движения. Например, чтобы поезд сдвинулся с места, сила тяги должна стать больше противоположно направленной ей силы трения; для того чтобы тепло распространялось по металлическому стержню, требуется, чтобы один его конец был горячее другого, и т. д. Сама по себе асимметрия возникнуть не может, как не может самопроизвольно один конец кочерги нагреться, а другой охладиться. Следствия всегда симметричнее причин— этот принцип, сформулированный Пьером Кюри, есть наиболее общая формулировка второго начала термодинамики.
«Бог изощрен, но не злонамерен»
А. Эйнштейн
Как возникла асимметрия в живой природе! Маловероятно, чтобы это произошло случайно — дело в том, что все живое имеет асимметрию «одного знака» и поэтому надо допустить, что жизнь появилась на Земле в «один прием», в одной луже, где случайно скопился избыток одного из антиподов. Чем не «божественное творение»! Но ничуть не легче, если считать, что асимметрия в живой природе возникла закономерно. На этот счет существует масса гипотез, одна фантастичнее другой. Например, Л. Пастер считал, что эта асимметрия есть результат действия каких-то несимметричных «космических сил» (с современной точки зрения — какого-то космического излучения), по В. И. Вернадскому, — несимметрично пространство, а согласно теории Н. А. Козырева, — несимметрично время.
Пространство, время… обращение ко столь всеобъемлющим понятиям не случайно: асимметрия характерна и для элементарных частиц, и для молекул, и для живых существ, и для астрономических объектов. Но общей теории, связывающей такие разнородные явления, до сих пор не существует…
Еще один закон сохранения?
Если бы мы не умели экспериментально определять знак вращения плоскости поляризации света, то нам пришлось бы признать, что никаких зеркальных изомеров вообще не существует в природе: по определению, данному еще Лейбницем, «два неразличимых состояния представляют собой одно и то же состояние».
Поведение элементарных частиц описывается уравнением Шредингера, которое является четной функцией (то есть ее знак не изменяется после зеркального преобразования координат). С этой точки зрения частица и соответствующая ей античастица неразличимы. Но в 1956 году было установлено, что в некоторых случаях четность все-таки не сохраняется и элементарную частицу можно объективно отнести к право- или левовинтовому ряду — так же, как оптический изомер можно охарактеризовать знаком вращения плоскости поляризации света.
Эти опыты привели к формулировке так называемого принципа сохранения комбинированной четности. Дело в том, что четность сохраняется, если преобразование пространственных координат будет сопровождаться заменой вещества на антивещество. Это и неудивительно: если смотреть через зеркало на правую руку- то она нам покажется левой — «четность» будет нарушена. Если же заменить правую руку левой, то в зеркале мы снова увидим правую руку.
Странный запрет
В «живой» природе часто встречаются виды симметрии, которые запрещены для «неживых» объектов. Например, кристалл не может иметь осей симметрии пятого порядка (такую ось имеет, например, пятиконечная звезда, так как при повороте на 360° она пять раз совмещается «сама с собой»), как не может он иметь осей симметрии седьмого или девятого порядков. Но такой вид симметрии встречается у многих обитателей моря.
Логика и факты
Было бы крайне заманчиво связать возникновение асимметрии в живой природе с существованием так называемой «зарядовой асимметрии». Дело в том, что в целом наш мир, по-видимому, симметричен, и поэтому каждому электрону должен, казалось бы, соответствовать позитрон, каждому протону — антипротон и т. д. Но в действительности мы живем среди материи одного «знака». Можно предположить, что «истинным» зеркальным отражением молекулы, построенной из обычных атомов, является ее антипод, построенный из «антиатомов»: человек, обитающий в «антимире», должен не только здороваться левой рукой, но и состоять из белков, построенных из D-аминокислот. Впервые предположение о неравноценности антиподов высказал в прошлом веке Л. Пастер. Но в настоящее время известен только один случай, когда четность не сохраняется — это происходит при «слабых взаимодействиях», примером которых может быть β-распад радиоактивных элементов.
Самое непонятное…
Существует один любопытный способ объяснить существование «зарядовой асимметрии». У любого материального тела есть поверхность, которая отделяет его от пространства. Точно так же о двух телах можно только в том случае сказать, что они обособлены, если между ними есть какая-то поверхность раздела. Но о какой поверхности раздела можно говорить, если физический вакуум — это действительно «ничто»?! Иначе говоря, материя должна находиться в отношении с пространством, как взаимно дополняющие друг друга, но изготовленные из разного «материала» слепок и форма. Симметрия подобного рода называется антисимметрией и ее не надо путать с «обычной» зеркальной симметрией. Например, если у нас есть правая перчатка, черная снаружи и белая изнутри, то в зеркале мы увидим ее мнимое изображение — левую перчатку, тоже черную снаружи и белую изнутри. Но если правую черную перчатку вывернуть наизнанку, то получится вполне реальная левая перчатка, только снаружи белая, а изнутри черная. В этом смысле можно сказать, что «правой» материи соответствует «левое» пространство и поэтому в целом симметрия имеет несколько необычный вид, но все-таки сохраняется.