Вы думали, что видите в зеркале своё отражение? Ошибаетесь. Это другая Вселенная

Когда писатель Льюис Кэрролл отправил свою героиню Алису в зазеркальный мир, он не подозревал, насколько точно художественный вымысел предвосхитит научные открытия будущего. В романе 1871 года девочка размышляет над странным вопросом: если перенести кошку Дину по ту сторону зеркала, будут ли там поить её молоком? И главное — можно ли это молоко пить? За кажущейся наивностью детских рассуждений скрывается глубокая научная проблема.

В нашем привычном мире многие предметы и явления существуют в паре со своими зеркальными двойниками. Казалось бы, отражение — это точная копия оригинала, просто развёрнутая в противоположную сторону. Однако в природе зеркальная симметрия часто нарушается, создавая необычные свойства у внешне похожих объектов. Этот феномен настолько важен для понимания основ мироздания, что учёные выделили его в отдельное явление — хиральность.

Проще всего понять хиральность на примере человеческих рук. Правая и левая ладони содержат одинаковые элементы: пять пальцев, ладонную поверхность, одинаковые линии. Но попробуйте "пожать руку" своему отражению в зеркале — правая кисть превращается в левую, и идеально совместить их невозможно из-за противоположного расположения пальцев. Неслучайно сам термин "хиральность" происходит от греческого слова, обозначающего руку.

Причем это явление выходит далеко за рамки простых геометрических форм. В конце 1840-х годов французский учёный Луи Пастер, исследуя кристаллы винной кислоты из забродившего вина, сделал революционное открытие. Он обнаружил, что некоторые молекулы могут существовать в двух зеркальных формах. Внешне они выглядят как отражения друг друга и состоят из абсолютно одинаковых атомов, но при этом демонстрируют совершенно разные химические свойства. Кропотливо разделяя кристаллы пинцетом, Пастер впервые доказал удивительный факт: живые организмы избирательно используют только одну из зеркальных версий молекул, словно природа сделала выбор в пользу определённой "руки".

Молочный сахар — лактоза — ещё один хороший пример. Хотя в лаборатории можно создать обе разновидности, живые существа производят и усваивают только правостороннюю форму. Более того, все известные нам организмы используют исключительно правосторонние сахара — именно поэтому генетическая спираль ДНК всегда закручивается вправо. Причины такой "гомохиральности" вообще остаются одной из величайших загадок происхождения жизни.

Это означает, что гипотетическая кошка действительно не смогла бы переварить "зазеркальное" молоко. Хуже того, если бы в нём содержались бактерии с противоположной хиральностью, ни иммунная система, ни антибиотики не справились бы с ними. Именно поэтому недавно группа ведущих исследователей выступила с серьёзным предупреждением: синтез зеркальных биомолекул в лабораториях может представлять неожиданную угрозу. Попав во внешнюю среду, такие вещества способны преодолеть все естественные барьеры, созданные эволюцией, и сильно навредить множеству видов, в том числе и человечеству.

Удивительно, но принцип зеркальной симметрии проявляется не только в мире молекул — он пронизывает материю вплоть до мельчайших элементарных частиц. Здесь отличным доказательством служат эксперименты французского физика Огюстена Жана Френеля, проведенные еще в 1822 году. Изучая оптические свойства кристаллов кварца, учёный обнаружил необычное явление: проходящий через них свет менял свои характеристики особым образом.

Френель установил, что разные образцы кварца заставляют электрическое поле световой волны вращаться в противоположных направлениях. Чтобы понять этот эффект, представьте, что каждый фотон — частица света — оставляет за собой светящийся след. Пропустив свет через один кристалл, мы увидели бы, как этот след закручивается правой спиралью, словно винтовая лестница. А через другой образец кварца свет выходил бы с левосторонним вращением.

Конечно, современная физика рассматривает хиральность как фундаментальное свойство элементарных частиц, наряду с массой и зарядом. Безмассовые частицы, перемещающиеся со скоростью света, обладают собственным угловым моментом — словно крошечные волчки. Направление их вращения определяется правилом руки: если частица движется вдоль большого пальца, её спин следует изгибу остальных пальцев.

Для массивных частиц, таких как электроны и кварки, картина усложняется. Поскольку они движутся медленнее, наблюдатель теоретически может обогнать их и увидеть противоположное направление движения. При этом видимая траектория изменится, поэтому физики описывают это свойство через поведение квантовой волновой функции: при повороте частицы она смещается влево или вправо в зависимости от типа хиральности.

Практически каждая элементарная частица имеет зеркального двойника. Отрицательно заряженному левостороннему электрону соответствует антипозитрон — отрицательно заряженная правосторонняя частица. Однако наша Вселенная не идентична своему отражению: слабое взаимодействие, вызывающее радиоактивный распад, воздействует только на левосторонние частицы. Это приводит к тому, что некоторые процессы распада, происходящие в обычном мире, невозможны в зеркальном.

Уникальную роль в понимании фундаментальных законов природы играет нейтрино. За десятилетия экспериментов учёным удавалось зафиксировать только левостороннюю разновидность этой неуловимой частицы. Так что поиски зеркального двойника со временем превратились в одну из главных загадок квантовой физики. Существует ли правосторонний вариант в реальности, или у этой частицы какие-то особые свойства, делающие её версии неразличимыми? Разгадка может оказаться ключом к пониманию глобальных космологических процессов. Асимметричное поведение нейтрино, возможно, объясняет, почему после Большого взрыва вещество не исчезло в результате столкновения с антивеществом, а сформировало наблюдаемую сегодня Вселенную.

Сказочный мир, придуманный Кэрроллом, где логика переворачивается с ног на голову, а люди празднуют "не-дни рождения" во все дни, кроме даты появления на свет, оказался удивительно близок к реальности. Как мы видим, изучение зеркальной симметрии и её нарушений и правда помогает человечеству проникнуть в тайны мироздания. Только, как интуитивно чувствовала Алиса, молоко из зазеркалья действительно лучше не пробовать.