Удивительная симметрия

Среди мудрейших и удивительнейших вещей в физике симметрия основных законов — одна из самых интересных и красивых загадок. Симметрия импонирует нашему складу ума; каждому доставляет удо-­вольствие любоваться предметом, который в каком-то смысле симмет­ричен. Столь же симметричны тонкие световые короба , украшающие наши современные интерьеры. В этом видится некая осмысленность, выделяющая предмет из мира хаоса. Но самая удивительная симметрия — это симметрия фун­даментальных законов, которые управляют всеми процессами физиче­ского мира.


Наши наблюдения показывают, что законы физики не остаются теми же при изменении масштаба. В основе зависимости явлений от размеров лежит атомная природа строения вещества. В движущейся с ускорением системе или в системе, вращающейся с постоянной угло­вой скоростью, законы физики будут выглядеть иначе, чем в покоя­щейся. И совсем не очевидно, как потекут процессы при обращении времени.
В природе существует вполне определённая связь между законами сохранения и симметриями физических законов. В квантовой механике каждой из симметрий соответствует закон сохранения — факт, который потрясает физиков своей глубиной и красотой. Сформулируем основ­ные положения.
• Симметрия законов физики по отношению к переносу в про­странстве означает сохранение импульса.
• Неизменность (инвариантность) при повороте на фиксирован­ный угол в пространстве соответствует сохранению момента количест­ва движения.
• Законы симметричны при перемещении во времени — это озна­чает в квантовой механике сохранение энергии.
• Симметрия в квантовой механике, связанная с законом сохра­нения электрического заряда. Она менее доступна пониманию. Но мы упомянем и о ней: физические законы не изменяются от того, что мы сдвигаем фазу волновой функции на некоторую произвольную посто­янную. Это удивительнейшая вещь.
• Следующая симметрия — это симметрия при отражении в про­странстве, на которой мы остановимся более подробно.
Проблема заключается в следующем: симметричны ли физические законы при отражении, т.е. в зеркальном отображении? Если симмет­ричны, то это означает, что, заменив в любом устройстве «правое» на «левое», а всё остальное оставив без изменения, мы никакой разницы не обнаружим. И если отбросить усвоенную с детства условность, что «правое» — это всё то, что располагается в сторону правой руки, тогда никакими физическими явлениями невозможно различить, где «пра­вое», а где «левое», точно так же, как, скажем, никаким физическим опытом невозможно установить абсолютную скорость движения. Это означало бы, что «правое» это лишь противоположность «левого» (и наоборот), и никакими опытами отличить их, по сути, невозможно.
Никого не удивляет наличие «левого» и «правого» в повседневной жизни. Перчатку с правой руки нельзя надеть па левую руку; гайку с левой резьбой нельзя навернуть на болт с правой резьбой и т.п. Любо­пытно то, что нечто подобное наблюдается на молекулярном уровне и, что особенно интересно, в живой материи.
Существует физическое явление вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света в оптически активных средах (эффект Фарадея). Такими средами могут быть кристаллы, в т.ч. и органиче­ские. Раствор сахара поворачивает плоскость поляризации света на­право. Но сахар, заметьте, продукт живой природы. Если мы тот же эксперимент проведём с искусственным сахаром, то обнаружим, что раствор искусственного сахара плоскость поляризации света не пово­рачивает. А дальше начинаются чудеса. Если в этот же раствор с ис­кусственным сахаром напустить бактерий и подождать, пока они съе­дят столько, сколько хотят (а это окажется почти половина первона­чального количества сахара), а затем отфильтровать их, то обнаружим, что тот сахар, который остался, поворачивает плоскость поляризации, но теперь уже в другую сторону — налево! Этот факт кажется обеску­раживающим, однако его можно легко объяснить. И разобраться в этом поможет другой пример.
Белки (протеины) — вещества, общие для всех живых существ, ос­нова жизни. Состоят они из различных комбинаций молекул амино­кислот. Всего аминокислот в живой природе насчитывается чуть более 20. Так вот, все молекулы аминокислот, выделенные из белка живых существ, вращают плоскость поляризации света только влево, в связи с чем получают приставку L-. Однако если мы попытаемся создать ами­нокислоты искусственно (что вполне осуществимо), то получим моле­кулы, которые плоскость поляризации не вращают. Объясняется это просто: при синтезе получились молекулы не только идентичные мо­лекулам, которые производи! живая природа, т.е. L-молскулы, но и другие, которые одинаковы с ними во всех отношениях, кроме того, что являются их зеркальным отражением, т.е. D-молекулы, причём в равных количествах. А вот они как раз и вращают плоскость поляриза­ции в противоположную сторону, и в результате плоскость поляриза­ции образца в целом не поворачивается.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.