Перейдемо до наступного питання, яке займатиме нас до кінця розділу,— це симетрія при відображенні у просторі. Проблема полягає в наступному: чи симетричні фізичні закони при відображенні? Можна її сформулювати й по-іншому. Припустімо, що ми побудували якийсь пристрій, наприклад годинник із безліччю коліщаток, стрілок тощо. Вони йдуть, усередині в них є пристрій для заводки. Погляньмо тепер на годинник у дзеркало. Річ не в тому, як він виглядає в дзеркалі. Ні, давайте побудуємо інший годинник, у точності такий самий, як той перший, відображений у дзеркалі. Там, де у першого годинника знаходиться гвинт із правою різьбою, ми поставимо гвинт із лівою різьбою, там, де на циферблаті стоїть цифра «XII», ми на циферблаті другого годинника намалюємо «IIX», кожна спіральна пружина закручена в один бік у першого годинника і в протилежний — у дзеркально відображеного. Коли все буде закінчено, вийдуть двоє годинників, кожен з яких буде точним дзеркальним відображенням іншого, хоча зауважте, що і той, і другий — справжні фізичні матеріальні об'єкти. Виникає питання: а що, якщо і той, і другий годинник запущені за однакових умов, якщо пружини їх закручені однаково туго, чи будуть вони йти і цокати, як точне дзеркальне відображення? (Це суто фізичне, а зовсім не філософське питання.) Наша інтуїція і наше знання фізичних законів підказують, що будуть.
Ми підозрюємо, що принаймні в цьому випадку відображення буде однією із симетрій фізичних законів, тобто якщо замінити «право» на «ліво», а все інше залишити тим самим, то жодної різниці при цьому ми виявити не зможемо. Припустімо на хвилину, що все це правильно. Тоді жодними фізичними явищами неможливо розрізнити, де «право», а де «ліво», точно так само, як, скажімо, жодним фізичним дослідом неможливо знайти абсолютної швидкості руху. Таким чином, за допомогою якихось дослідів неможливо абсолютно визначити, що ми розуміємо під «правим», як протилежністю «лівого», оскільки всі фізичні закони мають бути симетричними.
Звісно, наш світ не повинен бути симетричним. Якщо, наприклад, взяти те, що ми називаємо «географією», то тут цілком можна визначити, де права сторона. Нехай ми перебуваємо в Нью-Орлеані і дивимося в бік Чикаго. Тоді Флорида буде від нас праворуч (звісно, якщо ми стоїмо ногами на Землі!). Тож у географії можна визначити, де «право» і де «ліво». У будь-якій системі реальне положення не повинно мати ту симетрію, про яку йдеться, питання в тому — чи симетричні закони? Іншими словами, чи суперечить фізичним законам наявність подібної до Землі кулі з «лівосторонньою поверхнею» і людиною, подібною до нас, що дивиться в бік міста, подібного до Чикаго, з місця, подібного до Нью-Орлеана, але з усім іншим, перевернутим навпаки, так що Флорида в нього буде вже з іншого боку? Ясно, що така ситуація не здається неможливою, фізичним законам не суперечить така заміна всього лівого на праве.
Ще одна обставина: наше визначення «правої» сторони не повинно залежати від історії. Інакше було б дуже просто відрізнити «ліве» від «правого» — піти в магазин запчастин і навмання взяти якийсь болт. Взагалі кажучи, у нас у руках не обов'язково опиниться «правий болт», але все ж імовірніше, що він буде саме правим, а не лівим. Але це питання історії, чи умовностей, чи загального стану речей, а не фундаментальних законів. Адже хтось може почати випускати болти з лівою різьбою.
Таким чином, нам потрібно пошукати якісь інші явища, де б «праве» входило більш фундаментальним чином. Розгляньмо наступну можливість. Відомо, що поляризоване світло, пропущене через цукровий розчин, повертає свою площину поляризації. Як ми бачили в розд. 33 (вип. 3), площина поляризації за певної концентрації цукру повертається праворуч. Здавалося б, ми знайшли спосіб визначення «правої сторони», тому що, розчинивши у воді якусь кількість цукру, ми можемо повернути площину поляризації праворуч. Але цукор здобувають із живих організмів, а якщо ми зробимо його штучно, то виявимо, що він не повертає площини поляризації. Якщо в цей штучний цукор, який не повертає площини поляризації, напустити бактерій (вони з'їдають якусь кількість цукру) і потім відфільтрувати їх, то виявиться, що, хоча цукор залишився (майже половина початкової кількості), і він повертає площину поляризації, але тепер уже в інший бік! Цей факт здається дуже спантеличливим, однак його можна легко пояснити.
Наведемо інший приклад. Одна з речовин, спільна для всіх живих істот, основа життя — це білки (протеїни). Білок складається з ланцюжків амінокислот. На фіг. 52.1 показано модель амінокислоти, виділеної з білка. Ця кислота названа аланіном, і на фіг. 52.1 (зліва) показано розташування атомів у молекулі аланіну, виділеного з білка живих істот. Якщо ж ми спробуємо створити аланін із двоокису вуглецю, етану й аміаку (що насправді можна зробити — це не така вже складна молекула), то виявимо, що вийшли не тільки такі молекули, а й інші, подібні до показаної на фіг. 52.1 (справа), причому в рівних кількостях! Перші молекули, ті, що походять від живих істот, називаються L-аланіном. Інші ж, однакові з ним хімічно в тому сенсі, що складаються з тих самих атомів із тими самими зв'язками між ними, утворюють «правосторонні» молекули, які на відміну від «лівосторонніх» молекул L-аланіну називаються D-аланіном. Цікаво, що якщо ми будемо готувати аланін у лабораторії з простих газів, то вийде суміш обох сортів у рівних кількостях. Життя, однак, використовує лише L-аланін. (Але не без винятку, звісно: то там, то тут у живих істотах трапляється і D-аланін, однак ці випадки дуже рідкісні. У всі білки входить виключно L-аланін.) Якщо ми приготуємо обидва сорти і будемо цією сумішшю годувати тварин, які люблять «їсти» його (тобто засвоюють аланін), то виявиться, що вони не зможуть використовувати D-аланін, а «з'їдять» лише L-аланін. У результаті вийде те саме, що й з нашим цукром; після того як бактерії «з'їдять» той цукор, який їм подобається, залишається лише «несправжній» сорт! (Лівосторонній цукор теж солодкий, а все ж не такий, як справжній, правосторонній!)
Отже, схоже, що явища життя дозволяють відрізнити «праву» сторону від «лівої», оскільки дві молекули хімічно відмінні одна від одної. І все-таки — ні, не можуть! Поки ми займалися фізичними вимірюваннями, подібними до визначення енергій чи швидкостей хімічних реакцій і т. д., ці два сорти поводилися абсолютно однаковим чином, якщо, звісно, все інше теж було дзеркально відображене. Одні молекули повертають світло праворуч, а інші, проходячи ту саму кількість розчину,— ліворуч на точно ту саму величину. Таким чином, з погляду фізики можна використовувати будь-яку з цих двох амінокислот. Наскільки ми розуміємо основу речей сьогодні, вже в рівняння Шредінгера закладено, що дві молекули повинні поводитися в точності однаковим чином, хоча там, де в однієї права сторона, у другої — ліва. Але в природі проте все влаштовано лише одним способом!
Як вважають, причина цього полягає в наступному. Уявіть собі, наприклад, що в одну прекрасну мить виникли такі умови, що всі білки в якихось істот містили лише лівосторонні амінокислоти. Це призвело до того, що все на світі «перекосилося», «перекосилися» всі речовини в живих клітинах, «перекосилися» всі ферменти— все стало несиметричним. Коли травні ферменти намагалися перевести хімію своєї їжі з одного сорту на інший, то один сорт їжі «підходив» їм, а інший — ні (зовсім як попелюшчин черевичок, з тим винятком, що ми міряємо його на «ліву ногу»). Наскільки нам відомо зараз, у принципі можливо створити таку жабу, у якої, наприклад, кожна молекула виявиться «перевернутою», тобто створити точне дзеркальне відображення справжньої жаби, так би мовити, «лівосторонню» жабу. Якийсь час ця «лівостороння жаба» почувалася б цілком нормально, але не змогла б знайти собі їжі: якби вона проковтнула муху, то її ферменти не здатні були б перетравити її. Адже муха-то справжня, з правосторонньою амінокислотою (звісно, якщо ми не розведемо спеціально для нашої жаби «лівосторонніх мух»). Отже, наскільки нам сьогодні відомо, хімічні й життєві процеси, якби ми все «перевернули», перебігали б точно так само, як і зараз.
Якщо життя — повністю фізико-хімічне явище, то факт «закрученості» всіх білків тільки в одному напрямку можна зрозуміти лише з того погляду, що з самого початку зовсім випадково переміг якийсь один сорт молекул. Десь одного разу органічна молекула якось «перекосилася», і права сторона виявилася виділеною; якийсь випадок в історії створив односторонню ситуацію, і відтоді «перекіс» розростався все ширше і ширше. Але, виникнувши одного разу, ситуація, яку ми спостерігаємо зараз, продовжуватиметься вічно: усі ферменти перетравлюють і готують лише «правосторонні» речовини. Коли в листя рослин входить вуглекислий газ, водяна пара та інші речовини, то ферменти, що готують з них цукор, роблять його правостороннім, бо вони самі правосторонні. Якби в пізніший час виник якийсь новий сорт вірусів чи якихось інших живих істот, то вони змогли б вижити лише якщо виявилися б здатні харчуватися вже наявними органічними речовинами. А отже, і самі вони повинні бути того самого сорту.
Для правосторонніх молекул не існує закону збереження їхнього числа. Життя може лише збільшувати його. Припущення, таким чином, полягає в тому, що життєві явища говорять нам не про відсутність симетрії фізичних законів, а, навпаки, про універсальність природи і спільність початку всіх живих створінь на Землі в описаному вище сенсі.
Ми підозрюємо, що принаймні в цьому випадку відображення буде однією із симетрій фізичних законів, тобто якщо замінити «право» на «ліво», а все інше залишити тим самим, то жодної різниці при цьому ми виявити не зможемо. Припустімо на хвилину, що все це правильно. Тоді жодними фізичними явищами неможливо розрізнити, де «право», а де «ліво», точно так само, як, скажімо, жодним фізичним дослідом неможливо знайти абсолютної швидкості руху. Таким чином, за допомогою якихось дослідів неможливо абсолютно визначити, що ми розуміємо під «правим», як протилежністю «лівого», оскільки всі фізичні закони мають бути симетричними.
Звісно, наш світ не повинен бути симетричним. Якщо, наприклад, взяти те, що ми називаємо «географією», то тут цілком можна визначити, де права сторона. Нехай ми перебуваємо в Нью-Орлеані і дивимося в бік Чикаго. Тоді Флорида буде від нас праворуч (звісно, якщо ми стоїмо ногами на Землі!). Тож у географії можна визначити, де «право» і де «ліво». У будь-якій системі реальне положення не повинно мати ту симетрію, про яку йдеться, питання в тому — чи симетричні закони? Іншими словами, чи суперечить фізичним законам наявність подібної до Землі кулі з «лівосторонньою поверхнею» і людиною, подібною до нас, що дивиться в бік міста, подібного до Чикаго, з місця, подібного до Нью-Орлеана, але з усім іншим, перевернутим навпаки, так що Флорида в нього буде вже з іншого боку? Ясно, що така ситуація не здається неможливою, фізичним законам не суперечить така заміна всього лівого на праве.
Ще одна обставина: наше визначення «правої» сторони не повинно залежати від історії. Інакше було б дуже просто відрізнити «ліве» від «правого» — піти в магазин запчастин і навмання взяти якийсь болт. Взагалі кажучи, у нас у руках не обов'язково опиниться «правий болт», але все ж імовірніше, що він буде саме правим, а не лівим. Але це питання історії, чи умовностей, чи загального стану речей, а не фундаментальних законів. Адже хтось може почати випускати болти з лівою різьбою.
Таким чином, нам потрібно пошукати якісь інші явища, де б «праве» входило більш фундаментальним чином. Розгляньмо наступну можливість. Відомо, що поляризоване світло, пропущене через цукровий розчин, повертає свою площину поляризації. Як ми бачили в розд. 33 (вип. 3), площина поляризації за певної концентрації цукру повертається праворуч. Здавалося б, ми знайшли спосіб визначення «правої сторони», тому що, розчинивши у воді якусь кількість цукру, ми можемо повернути площину поляризації праворуч. Але цукор здобувають із живих організмів, а якщо ми зробимо його штучно, то виявимо, що він не повертає площини поляризації. Якщо в цей штучний цукор, який не повертає площини поляризації, напустити бактерій (вони з'їдають якусь кількість цукру) і потім відфільтрувати їх, то виявиться, що, хоча цукор залишився (майже половина початкової кількості), і він повертає площину поляризації, але тепер уже в інший бік! Цей факт здається дуже спантеличливим, однак його можна легко пояснити.
Наведемо інший приклад. Одна з речовин, спільна для всіх живих істот, основа життя — це білки (протеїни). Білок складається з ланцюжків амінокислот. На фіг. 52.1 показано модель амінокислоти, виділеної з білка. Ця кислота названа аланіном, і на фіг. 52.1 (зліва) показано розташування атомів у молекулі аланіну, виділеного з білка живих істот. Якщо ж ми спробуємо створити аланін із двоокису вуглецю, етану й аміаку (що насправді можна зробити — це не така вже складна молекула), то виявимо, що вийшли не тільки такі молекули, а й інші, подібні до показаної на фіг. 52.1 (справа), причому в рівних кількостях! Перші молекули, ті, що походять від живих істот, називаються L-аланіном. Інші ж, однакові з ним хімічно в тому сенсі, що складаються з тих самих атомів із тими самими зв'язками між ними, утворюють «правосторонні» молекули, які на відміну від «лівосторонніх» молекул L-аланіну називаються D-аланіном. Цікаво, що якщо ми будемо готувати аланін у лабораторії з простих газів, то вийде суміш обох сортів у рівних кількостях. Життя, однак, використовує лише L-аланін. (Але не без винятку, звісно: то там, то тут у живих істотах трапляється і D-аланін, однак ці випадки дуже рідкісні. У всі білки входить виключно L-аланін.) Якщо ми приготуємо обидва сорти і будемо цією сумішшю годувати тварин, які люблять «їсти» його (тобто засвоюють аланін), то виявиться, що вони не зможуть використовувати D-аланін, а «з'їдять» лише L-аланін. У результаті вийде те саме, що й з нашим цукром; після того як бактерії «з'їдять» той цукор, який їм подобається, залишається лише «несправжній» сорт! (Лівосторонній цукор теж солодкий, а все ж не такий, як справжній, правосторонній!)Отже, схоже, що явища життя дозволяють відрізнити «праву» сторону від «лівої», оскільки дві молекули хімічно відмінні одна від одної. І все-таки — ні, не можуть! Поки ми займалися фізичними вимірюваннями, подібними до визначення енергій чи швидкостей хімічних реакцій і т. д., ці два сорти поводилися абсолютно однаковим чином, якщо, звісно, все інше теж було дзеркально відображене. Одні молекули повертають світло праворуч, а інші, проходячи ту саму кількість розчину,— ліворуч на точно ту саму величину. Таким чином, з погляду фізики можна використовувати будь-яку з цих двох амінокислот. Наскільки ми розуміємо основу речей сьогодні, вже в рівняння Шредінгера закладено, що дві молекули повинні поводитися в точності однаковим чином, хоча там, де в однієї права сторона, у другої — ліва. Але в природі проте все влаштовано лише одним способом!
Як вважають, причина цього полягає в наступному. Уявіть собі, наприклад, що в одну прекрасну мить виникли такі умови, що всі білки в якихось істот містили лише лівосторонні амінокислоти. Це призвело до того, що все на світі «перекосилося», «перекосилися» всі речовини в живих клітинах, «перекосилися» всі ферменти— все стало несиметричним. Коли травні ферменти намагалися перевести хімію своєї їжі з одного сорту на інший, то один сорт їжі «підходив» їм, а інший — ні (зовсім як попелюшчин черевичок, з тим винятком, що ми міряємо його на «ліву ногу»). Наскільки нам відомо зараз, у принципі можливо створити таку жабу, у якої, наприклад, кожна молекула виявиться «перевернутою», тобто створити точне дзеркальне відображення справжньої жаби, так би мовити, «лівосторонню» жабу. Якийсь час ця «лівостороння жаба» почувалася б цілком нормально, але не змогла б знайти собі їжі: якби вона проковтнула муху, то її ферменти не здатні були б перетравити її. Адже муха-то справжня, з правосторонньою амінокислотою (звісно, якщо ми не розведемо спеціально для нашої жаби «лівосторонніх мух»). Отже, наскільки нам сьогодні відомо, хімічні й життєві процеси, якби ми все «перевернули», перебігали б точно так само, як і зараз.
Якщо життя — повністю фізико-хімічне явище, то факт «закрученості» всіх білків тільки в одному напрямку можна зрозуміти лише з того погляду, що з самого початку зовсім випадково переміг якийсь один сорт молекул. Десь одного разу органічна молекула якось «перекосилася», і права сторона виявилася виділеною; якийсь випадок в історії створив односторонню ситуацію, і відтоді «перекіс» розростався все ширше і ширше. Але, виникнувши одного разу, ситуація, яку ми спостерігаємо зараз, продовжуватиметься вічно: усі ферменти перетравлюють і готують лише «правосторонні» речовини. Коли в листя рослин входить вуглекислий газ, водяна пара та інші речовини, то ферменти, що готують з них цукор, роблять його правостороннім, бо вони самі правосторонні. Якби в пізніший час виник якийсь новий сорт вірусів чи якихось інших живих істот, то вони змогли б вижити лише якщо виявилися б здатні харчуватися вже наявними органічними речовинами. А отже, і самі вони повинні бути того самого сорту.
Для правосторонніх молекул не існує закону збереження їхнього числа. Життя може лише збільшувати його. Припущення, таким чином, полягає в тому, що життєві явища говорять нам не про відсутність симетрії фізичних законів, а, навпаки, про універсальність природи і спільність початку всіх живих створінь на Землі в описаному вище сенсі.