Характер физических законов - Ричард Фейнман

Возможно, вы слышали, что измерять концентрацию сахара в воде можно, пропуская через воду поляризованный свет. Так вот, возьмем кусок поляроида[19], пропускающего лишь свет с определенной поляризацией, и пропустим луч света через него и через сахарный раствор. Мы увидим, что если после прохождения через сахарный раствор луч пройдет еще через один кусок поляроида, то чем толще пройденный слой раствора, тем больше вправо нужно будет повернуть второй кусок поляроида, чтобы на выходе увидеть луч света. Теперь, если вы попробуете пропускать свет через тот же раствор, но в обратном направлении, то окажется, что вам снова придется поворачивать выходной кусок поляроида вправо. Вот мы и получили разницу между правым и левым. Сахарный раствор и пучок света можно использовать в часах. Пусть у нас есть сосуд с сахарной водой и мы пропускаем через него луч света, а второй кусок поляроида повернули так, что он пропускает весь свет. Предположим затем, что мы воспроизведем зеркальное отображение всей этой конструкции во вторых часах, надеясь, что плоскость поляризации света повернется влево. Ничего не выйдет. Свет, как и в первых часах, будет поворачиваться вправо, и второй кусок поляроида его не пропустит. Значит, при помощи сахарного раствора мы сможем обнаружить разницу между нашими двумя часами.

Это замечательный факт, и с первого взгляда кажется, что физические законы не обладают симметрией относительно зеркальных отображений. Но сахар, которым мы пользовались во время наших опытов, вероятнее всего, изготовлен из сахарной свеклы. Молекулы же сахара сравнительно просты, и их можно воспроизвести в лаборатории из углекислого газа и воды после большого числа промежуточных преобразований. Так вот, если вы поставите аналогичный опыт с искусственным сахаром, который химически ничем не отличается от обычного, то окажется, что поляризация света при этом вообще не меняется. Сахаром питаются бактерии, и если внести бактерии в водный раствор искусственного сахара, то окажется, что они съедают лишь половину сахара, и после того, как они съедят ее, плоскость поляризации света, пропускаемого через оставшуюся сахарную воду, станет поворачиваться влево. Это можно объяснить следующим образом. Сахар представляет собой сложную молекулу, некоторый набор атомов, образующих сложную конструкцию. Если собрать конструкцию, представляющую собой зеркальное отображение первой, сохраняя все расстояния между любыми парами атомов и энергию молекул, то для всех химических явлений, не затрагивающих процессов жизни, они неразличимы. Но живые существа различают эти два типа молекул. Например, бактерии едят лишь молекулы одного типа и не едят молекул другого. Тот сахар, который получается из сахарной свеклы, состоит из молекул только одного сорта, только правосторонних молекул, и поэтому поляризует свет только в одном направлении. Только такого типа молекулы съедобны для бактерий. Но когда мы синтезируем сахар из веществ, которые сами по себе не являются асимметричными, а представляют собой простые газы, мы синтезируем молекулы обоих типов в равных количествах. Если теперь в такой сахар попадают бактерии, то они съедают молекулы одного типа и оставляют нетронутыми молекулы другого. Вот почему поляризация света оставшейся сахарной водой изменяется в другом направлении, чем обычно. Как выяснил Пастер[20], эти два типа сахара можно различать, рассматривая их кристаллы под микроскопом. Мы можем с полной определенностью показать, что все это действительно так, и мы можем разделять оба типа сахара, не дожидаясь помощи бактерий, если нам это понадобится. Но гораздо интереснее, что это умеют и бактерии. Значит ли это, что жизненные процессы не подчиняются обычным физическим законам? По-видимому, нет. Похоже, что в живых организмах много-много очень сложных молекул и что у всех у них есть определенная ориентация. Одними из наиболее характерных молекул живых организмов являются белковые молекулы. Такие молекулы закручиваются в виде штопора, причем закручиваются вправо. Настолько, насколько можно утверждать сейчас, если бы нам удалось создать химическим путем точно такие молекулы, но закрученные влево, а не вправо, то эти молекулы не смогли бы выполнять своих биологических функций, так как, столкнувшись с другими белковыми молекулами, они не смогут взаимодействовать с ними обычным образом. Левая резьба подходит к левой резьбе, но не подходит к правой. Вот почему бактерии с правой резьбой в своем химическом нутре могут отличить правый сахар от левого.

Как же так получилось? Физики и химики не могут различать такие молекулы и могут синтезировать лишь молекулы обоих видов, а биология может. Можно думать, что объясняется это так: давным-давно, когда жизнь только зарождалась, случайным образом возникла одна молекула, которая стала затем размножаться самовоспроизведением и т. д. до тех пор, пока много-много лет спустя не появились эти забавные бурдюки с разветвляющимися на концах отростками, которые могут стоять и без конца очень быстро говорить что-то друг другу… Но ведь мы всего лишь потомки этих первых нескольких молекул, и чисто случайно оказалось, что у этих первых молекул одна ориентация, а не другая. Эти молекулы могли быть либо одного типа, либо другого, либо с левой, либо с правой ориентацией, а затем они начали воспроизводиться и размножаться и усложнялись все дальше и дальше. Собственно, таким же образом обстоит дело и с нарезанием винтов в промышленности. Пользуясь винтами с правой резьбой, вы делаете новые винты с правой резьбой и т. д. Тот факт, что все молекулы живых организмов имеют одинаковое «направление резьбы», по-видимому, глубочайшим образом доказывает, что все живое на Земле произошло от одних и тех же предков на молекулярном уровне.

Для того чтобы лучше разобраться в вопросе о том, симметричны ли законы физики относительно изменения правого на левое и наоборот, мы можем сформулировать его следующим образом. Предположим, что мы разговариваем по телефону с каким-нибудь жителем Марса или звезды Арктур и хотим рассказать ему, как все выглядит здесь, на Земле. Прежде всего как объяснить ему значение слов? Этот вопрос тщательно исследовал профессор Морисон[21] из Корнеллского университета. Он предлагал такой способ: начать говорить ему «тик, раз; тик, тик, два; тик, тик, тик, три…» и т. д. Довольно скоро наш приятель научился узнавать числа. Как только он разберется в нашей системе счисления, вы можете написать ему целую последовательность чисел, соответствующих относительным массам различных атомов, а затем продиктовать «водород 1,008», затем дейтерий, затем гелий и т. д. Посидев некоторое время над сообщенными ему числами, наш приятель догадается, что они совпадают с известными ему отношениями весов элементов и что, следовательно, сопровождающие их слова должны быть названиями этих элементов. Так мало-помалу мы можем построить общий язык. Но здесь возникают проблемы. Представьте себе, что вы совсем уже привыкли к нашему новому знакомому и в один прекрасный день вы слышите: «А знаете ли, вы удивительно мне симпатичны. Хотелось бы знать, как вы выглядите». Вы начинаете: «Наш рост что-то около одного метра восьмидесяти сантиметров». «Один метр восемьдесят сантиметров? А что такое метр?» – спрашивает он. «Ну, это очень просто: сто восемьдесят сантиметров – это в восемнадцать миллиардов раз больше размера атома водорода», – говорите вы. И это не шутка – это один из способов объяснить, что такое 1,80 м, кому-нибудь, кто пользуется другой мерой длины, при условии, что вы не можете послать ему какой-нибудь эталон и что у вас нет какого-либо предмета, который виден и вам, и ему. Итак, мы можем сообщить нашему знакомому свои размеры. Это возможно потому, что законы физики не остаются неизменными в результате изменения масштаба, и, следовательно, мы можем этим воспользоваться для того, чтобы определить, каким же масштабом каждый из нас пользуется. Вот так мы и описываем себя: рост – 1,80 м, внешняя симметрия, конечности и т. д. Затем наш марсианин говорит: «Все это очень интересно, но как вы устроены внутри?» Тогда мы рассказываем ему про сердце и про все остальное и говорим: «Сердце расположено слева». Все упирается в то, как объяснить марсианину, что такое лево и что такое право. «Ну, – скажете вы, – возьмем сахарную свеклу, сделаем сахар, растворим его в воде, и окажется…», но то-то и оно, что на Марсе не растет сахарная свекла. Да, кроме того, нам никак не узнать, не привела ли случайность в начале эволюции жизни на Марсе (даже если она привела к возникновению белков, аналогичных здешним) к выделению противоположной ориентации. Так что мы не знаем, как ему объяснить это. Поразмыслив на эту тему довольно долго, вы это поймете и решите, что это вообще невозможно.