Мислите, че виждате собственото си отражение в огледалото? Грешите. Това е друга вселена

Алиса е била права: огледалният свят съществува, но е квантов и има друго име.

Когато писателят Луис Карол изпраща героинята си Алиса в огледалния свят, той не е имал представа колко точно художествената измислица ще предскаже научните открития на бъдещето. В романа от 1871 г. момичето се замисля над един странен въпрос: ако заведеш котката Дина от другата страна на огледалото, дали там ще я хранят с мляко? И най-важното – може ли това мляко да се пие? Зад привидната наивност на детските разсъждения се крие дълбок научен проблем.

В нашия обичаен свят много предмети и явления съществуват в двойка със своите огледални двойници. Изглежда, че отражението е точно копие на оригинала, само че обърнато в обратна посока. В природата обаче огледалната симетрия често се нарушава, което създава необичайни свойства на външно сходните обекти. Това явление е толкова важно за разбирането на основите на Вселената, че учените са го обособили в отделно явление – хиралност.

Най-лесният начин за разбиране на хиралността е примерът с човешките ръце. Дясната и лявата длан съдържат идентични елементи: пет пръста, повърхност на дланта, идентични линии. Но опитайте се да се „ръкувате“ с отражението си в огледалото – дясната ръка се превръща в лява и е невъзможно да ги съчетаете идеално поради противоположното разположение на пръстите. Неслучайно терминът „хиралност“ идва от гръцката дума за ръка.

И този феномен далеч надхвърля рамките на простите геометрични форми. В края на 40-те години на XIX в. френският учен Луи Пастьор, изучавайки кристалите на винената киселина от ферментирало вино, прави революционно откритие. Той открива, че някои молекули могат да съществуват в две огледални форми. Външно те изглеждат като отражения една на друга и са съставени от абсолютно еднакви атоми, но проявяват напълно различни химични свойства. Като разделя старателно кристалите с пинсета, Пастьор за пръв път доказва един удивителен факт: живите организми използват избирателно само една от огледалните версии на молекулите, сякаш природата е направила избор в полза на определена „ръка“.

Млечната захар, лактозата, е друг добър пример. Въпреки че и двете разновидности могат да бъдат създадени в лаборатория, живите същества произвеждат и усвояват само дясната форма. Нещо повече, всички познати ни организми използват единствено дясно ориентирани захари – ето защо генетичната спирала на ДНК винаги е усукана надясно. Причините за тази „хомохиралност“ като цяло остават една от най-големите загадки за произхода на живота.

Това означава, че една хипотетична котка наистина не би могла да усвои „огледалното“ мляко. Нещо по-лошо, ако в него има бактерии с противоположна хиралност, нито имунната система, нито антибиотиците биха били в състояние да се справят с тях. Ето защо група водещи изследователи наскоро отправиха сериозно предупреждение: синтезирането на огледални биомолекули в лабораториите може да представлява неочаквана заплаха. Веднъж попаднали във външната среда, тези вещества са в състояние да преодолеят всички естествени бариери, създадени от еволюцията, и да навредят значително на много видове, включително и на човечеството.

Изненадващо, но принципът на огледалната симетрия се проявява не само в света на молекулите – той прониква в материята до най-малките елементарни частици. Тук като отлично доказателство служат експериментите на френския физик Огюстен Жан Френел, проведени още през 1822 г. Изследвайки оптичните свойства на кварцовите кристали, ученият открива необичайно явление: светлината, преминаваща през тях, променя характеристиките си по особен начин.

Френел открива, че различните образци кварц карат потока на светлинната вълна да се върти в противоположни посоки. За да разберете този ефект, представете си, че всеки фотон – частица светлина – оставя след себе си светлинна следа. При преминаване на светлината през даден кристал ще видим как тази следа се извива надясно, подобно на спираловидно стълбище. А през друг образец от кварц светлината ще излезе с ляво завъртане.

Разбира се, съвременната физика разглежда хиралността като фундаментално свойство на елементарните частици, наред с масата и заряда. Частиците без маса, които се движат със скоростта на светлината, имат собствен ъглов момент – като малки пумпали. Посоката на тяхното въртене (спин) се определя от правилото на ръката: ако една частица се движи по посока на палеца, нейният спин следва кривата на останалите пръсти.

При масивните частици, като електроните и кварките, картината се усложнява. Тъй като те се движат по-бавно, наблюдателят теоретично може да ги изпревари и да види обратната посока на движение. При това видимата траектория ще се промени, затова физиците описват това свойство чрез поведението на квантовата вълнова функция: при завъртането на дадена частица тя се измества наляво или надясно, в зависимост от вида на хиралността.

На практика всяка елементарна частица има огледален двойник. На отрицателно заредения лявоориентиран електрон съответства антипозитрон – отрицателно заредена дясноориентирана частица. Нашата Вселена обаче не е идентична с отражението си: слабото взаимодействие, което предизвиква радиоактивния разпад, засяга само лявоориентираните частици. Това води до факта, че някои процеси на разпад, които протичат в обикновения свят, са невъзможни в огледалния свят.

Неутриното играе уникална роля за разбирането на фундаменталните закони на природата. В продължение на десетилетия експерименти учените успяха да фиксират само лявоориентираната разновидност на тази неуловима частица. Така търсенето на огледалния двойник в крайна сметка се превърна в една от основните загадки на квантовата физика. Съществува ли в действителност дясноориентираната версия, или тази частица има някакви специални свойства, които правят версиите ѝ неразличими? Решението може да се окаже ключът към разбирането на глобалните космологични процеси. Асиметричното поведение на неутриното може да обясни защо след Големия взрив материята не е изчезнала в резултат на сблъсъци с антиматерията, а е образувала наблюдаваната днес Вселена.

Измисленият от Карол приказен свят, в който логиката е обърната с главата надолу и хората празнуват „не-рождени дни“ във всички дни, с изключение на датата на раждане, се оказва изненадващо близък до реалността. Както виждаме, изучаването на огледалната симетрия и нейните нарушения наистина помага на човечеството да проникне в тайните на Вселената. Но, както интуитивно усещаше Алиса, наистина беше по-добре да не опитваме млякото от огледалния свят.