Дивовижна симетрія

Серед наймудріших і найдивовижніших речей у фізиці симетрія основних законів – одна з найбільш цікавих і гарних загадок. Симетрія імпонує нашого складу розуму; кожному доставляє удо-вольство милуватися предметом, який в якомусь сенсі симетричний. Настільки ж симетричні тонкі світлові короби, що прикрашають наші сучасні інтер'єри. У цьому бачиться якась осмисленість, що виділяє предмет зі світу хаосу. Але найдивовижніша симетрія – це симетрія фундаментальних законів, які управляють всіма процесами фізичного світу.

Наші спостереження показують, що закони фізики не залишаються тими ж при зміні масштабу. В основі залежності явищ від розмірів лежить атомна природа будови речовини. У рухається з прискоренням системі або в системі, що обертається з постійною кутовою швидкістю, закони фізики будуть виглядати інакше, ніж у спочиває. І зовсім не очевидно, як потечуть процеси при зверненні часу.
У природі існує цілком певний зв'язок між законами збереження і симетріями фізичних законів. У квантовій механіці кожній з симетрій відповідає закон збереження – факт, який приголомшує фізиків своєю глибиною і красою. Сформулюємо основні положення.
• Симетрія законів фізики по відношенню до переносу в просторі означає збереження імпульсу.
• Незмінність (інваріантність) при повороті на фіксований кут в просторі відповідає збереженню моменту кількості руху.
• Закони симетричні при переміщенні в часі – це означає в квантовій механіці збереження енергії.
• Симетрія в квантовій механіці, пов'язана з законом збереження електричного заряду. Вона менш доступна розумінню. Але ми згадаємо і про неї: фізичні закони не змінюються від того, що ми зсуваємо фазу хвильової функції на деяку довільну постійну. Це найдивовижніша річ.
• Наступна симетрія – це симетрія при відображенні в просторі, на якій ми зупинимося більш детально.
Проблема полягає в наступному: чи симетричні фізичні закони при відображенні, тобто в дзеркальному відображенні? Якщо симетричні, то це означає, що, замінивши в будь-якому пристрої «праве» на «ліве», а все інше залишивши без зміни, ми ніякої різниці не виявимо. І якщо відкинути засвоєну з дитинства умовність, що «праве» – це все те, що розташовується у бік правої руки, тоді ніякими фізичними явищами неможливо розрізнити, де «праве», а де «ліве», точно так само, як, скажімо, ніяким фізичним досвідом неможливо встановити абсолютну швидкість руху. Це означало б, що «праве» це лише протилежність «лівого» (і навпаки), і ніякими дослідами відрізнити їх, по суті, неможливо.
Нікого не дивує наявність «лівого» і «правого» в повсякденному житті. Рукавичку з правої руки не можна надіти па ліву руку; гайку з лівою різьбою не можна навернути на болт з правого різьбленням і т.п. Цікаво те, що щось подібне спостерігається на молекулярному рівні і, що особливо цікаво, у живої матерії.
Існує фізичне явище обертання площини поляризації плоскополярізованного світла в оптично активних середовищах (ефект Фарадея). Такими середовищами можуть бути кристали, у т.ч. і органічні. Розчин цукру повертає площину поляризації світла направо. Але цукор, зауважте, продукт живої природи. Якщо ми той же експеримент проведемо з штучним цукром, то виявимо, що розчин штучного цукру площину поляризації світла не повертає. А далі починаються чудеса. Якщо у цей же розчин з штучним цукром напустити бактерій і почекати, поки вони з'їдять стільки, скільки хочуть (а це виявиться майже половина початкового кількості цукру), а потім відфільтрувати їх, то виявимо, що той цукор, який залишився, повертає площину поляризації, але тепер вже в інший бік – наліво! Цей факт здається бентежить, проте його можна легко пояснити. І розібратися в цьому допоможе інший приклад.
Білки (протеїни) – речовини, загальні для всіх живих істот, основа життя. Складаються вони з різних комбінацій молекул амінокислот. Всього амінокислот в живій природі налічується трохи більше 20. Так от, всі молекули амінокислот, виділені з білка живих істот, обертають площину поляризації світла тільки вліво, у зв'язку з чим отримують приставку L-. Однак якщо ми спробуємо створити амінокислоти штучно (що цілком здійсненно), то отримаємо молекули, які площину поляризації не обертається. Пояснюється це просто: при синтезі вийшли молекули не тільки ідентичні молекулам, які виробляй! жива природа, тобто L-молскули, а й інші, які однакові з ними у всіх відносинах, крім того, що є їх дзеркальним відображенням, тобто D-молекули, причому в рівних кількостях. А ось вони якраз і обертають площину поляризації в протилежну сторону, і в результаті площину поляризації зразка в цілому не повертається.

 

MAXCACHE: 0.47MB/0.00101 sec