Ричард Фейнман - 4a. Кинетика. Теплота. Звук

• Название: 4a. Кинетика. Теплота. Звук
• Автор: Ричард Фейнман
• Жанр: Физика

---

Еще одно обстоятельство: наше определение «правой» сто­роны не должно зависеть от истории. Иначе было бы очень просто отличить «левое» от «правого» — пойти в магазин зап­частей и наугад взять какой-нибудь болт. Вообще говоря, у нас в руках не обязательно окажется «правый болт», но все же более вероятно, что он будет именно правым, а не левым. Но это вопрос истории, или условностей, или общего положения вещей, а не фундаментальных законов. Ведь кто-то может начать выпускать болты с левой резьбой.

Таким образом, нам нужно поискать какие-то другие явле­ния, где бы «правое» входило более фундаментальным образом. Рассмотрим следующую возможность. Известно, что поляри­зованный свет, пропущенный через сахарный раствор, повора­чивает свою плоскость поляризации. Как мы видели в гл. 33 (вып. 3), плоскость поляризации при определенной концентра­ции сахара поворачивается направо. Казалось бы, мы нашли способ определения «правой стороны», потому что, растворив в воде некоторое количество сахара, мы можем повернуть пло­скость поляризации вправо. Но сахар получается из живых организмов, а если мы сделаем его искусственно, то обнаружим, что он не поворачивает плоскости поляризации. Если в этот искусственный сахар, который не поворачивает плоскости по­ляризации, напустить бактерий (они съедают некоторое коли­чество сахара) и затем отфильтровать их, то обнаружится, что, хотя сахар остался (почти половина первоначального ко­личества), и он поворачивает плоскость поляризации, но теперь уже в другую сторону! Этот факт кажется очень обескураживаю­щим, однако его можно легко объяснить.

Приведем другой пример. Одно из веществ, общее для всех живых существ, основа жизни — это белки (протеин). Белок состоит из цепочек аминокислот. На фиг. 52.1 показана модель аминокислоты, выделенной из белка.

Фиг. 52.1. Модели моле­кул аланина.

Слева — L-аланин; справа — D-аланин.

Эта кислота названа аланином, и на фиг. 52.1 (слева) показано расположение атомов в молекуле аланина, выделенного из белка живых существ. Если же мы попытаемся создать аланин из двуокиси углерода, этана и аммиака (что в самом деле можно сделать — это не столь уже сложная молекула), то обнаружим, что получились не толь­ко такие молекулы, но и другие, подобные показанной на фиг. 52.1 (справа), причем в равных количествах! Первые молеку­лы, те, которые произошли от живых существ, называются L-ала-нином. Другие же, одинаковые с ним химически в том смысле, что состоят из тех же атомов с теми же связями между ними, образуют «правосторонние» молекулы, которые в отличие от «левосторонних» молекул L-аланина называются D-аланином. Интересно, что если мы будем приготовлять аланин в лабора­тории из простых газов, то получится смесь обоих сортов в рав­ных количествах. Жизнь, однако, использует только L-аланин. (Но не без исключения, конечно: то там, то здесь в живых су­ществах встречается и .D-аланин, однако эти случаи очень редки. Во все белки входит исключительно L-аланин.) Если мы приготовим оба сорта и будем этой смесью кормить животных, которые любят «есть» его (т. е. усваивают аланин), то окажется, что они не смогут использовать D-аланин, а «съедят» только L-аланин. В результате получится то же, что и с нашим саха­ром; после того как бактерии «съедят» тот сахар, который им нравится, остается только «ненастоящий» сорт! (Левосторонний сахар тоже сладкий, а все же не такой, как настоящий, право­сторонний!)

Итак, похоже, что явления жизни позволяют отличить «правую» сторону от «левой», поскольку две молекулы хими­чески отличны одна от другой. И все-таки — нет, не могут! Пока мы занимались физическими измерениями, подобными определению энергий или скоростей химических реакций и т. д., эти два сорта вели себя совершенно одинаковым образом, если, разумеется, все остальное тоже было зеркально отражено. Одни молекулы поворачивают свет направо, а другие, проходя то же количество раствора,— налево на точно ту же величину. Таким образом, с точки зрения физики можно использовать лю­бую из этих двух аминокислот. Насколько мы понимаем основу вещей сегодня, уже в уравнение Шредингера заложено, что две молекулы должны вести себя в точности одинаковым образом, хотя там, где у одной правая сторона, у другой — левая. Но в природе тем не менее все устроено только одним способом!

Как полагают, причина этого состоит в следующем. Пред­ставьте себе, например, что в один прекрасный момент возникли такие условия, что все белки у каких-то существ содержали только левосторонние аминокислоты. Это привело к тому, что все на свете «перекосилось», «перекосились» все вещества в живых клетках, «перекосились» все ферменты— все стало не­симметричным. Когда пищеварительные ферменты пытались сменять химию своей пищи с одного сорта на другой, то один сорт пищи «подходил» им, а другой — нет (совсем как золушкин башмачок, с тем исключением, что мы меряем его на «левую но­гу»). Насколько нам известно сейчас, в принципе возможно создать такую лягушку, у которой, например, каждая молекула окажется «перевернутой», т. е. создать точное зеркальное отра­жение настоящей лягушки, так сказать, «левостороннюю» ля­гушку. Некоторое время эта «левосторонняя лягушка» чувство­вала бы себя вполне нормально, но не смогла бы найти себе пищи: если бы она проглотила муху, то ее ферменты не способны были бы переварить ее. Ведь муха-то настоящая, с правосторон­ней аминокислотой (разумеется, если мы не разведем специаль­но для нашей лягушки «левосторонних мух»). Итак, насколько нам сегодня известно, химические и жизненные процессы, если бы мы все «перевернули», протекали бы точно так же, как и сейчас.

Если жизнь — полностью физико-химическое явление, то факт «закрученности» всех белков только в одном направлении можно понять лишь с той точки зрения, что с самого начала со­вершенно случайно победил какой-то один сорт молекул. Где-то однажды органическая молекула как-то «перекосилась», и пра­вая сторона оказалась выделенной; какой-то случай в истории создал одностороннюю ситуацию, и с тех пор «перекос» разра­стался все шире и шире. Но, возникнув однажды, ситуация, которую мы наблюдаем сейчас, будет продолжаться вечно: все ферменты переваривают и приготовляют только «правосто­ронние» вещества. Когда в листья растений входит углекислый газ, водяной пар и другие вещества, то ферменты, приготовляю­щие из них сахар, делают его правосторонним, ибо они сами правосторонние. Если бы в более позднее время возник какой-то новый сорт вирусов или каких-то других живых существ, то они смогли бы выжить только, если оказались бы способны питаться уже существующими органическими веществами. А, стало быть, и сами они должны быть того же сорта.

Для правосторонних молекул не существует закона сохра­нения их числа. Жизнь может только увеличивать его. Пред­положение, таким образом, состоит в том, что жизненные явле­ния говорят нам не об отсутствии симметрии физических за­конов, а, наоборот, об универсальности природы и общности начала всех живых созданий на Земле в описанном выше смысле.

§ 5. Полярный и аксиальный векторы

Пойдем дальше. Вы видели, что в физике имеется масса при­меров применимости правила правой и левой руки. В самом деле, когда мы изучали векторный анализ, то узнали о правиле пра­вой руки, которым необходимо пользоваться, чтобы получить правильный момент количества движения и момент силы, маг­нитное поле и т. п. Например, сила, действующая на заряд в магнитном поле, равна F=qvXB. Но представьте себе та­кое положение: пусть мы знаем F, v и В. Как ив этого узнать, где у нас правая сторона? Если вернуться назад и посмотреть, откуда произошли векторы, то увидим, что правило правой руки — просто соглашение, своего рода трюк. В самом начале такие величины, как угловая скорость и момент количества движения и другие, подобные им, в действительности вообще не были настоящими векторами! Все они каким-то образом связа­ны с определенными плоскостями, и только благодаря тому, что наше пространство трехмерно, эти величины можно связать с направлением, перпендикулярным данной плоскости. Мы же из двух возможных направлений выбрали правое.

Представьте себе, что какой-то озорной чертик, решив под­шутить над физиками, пробрался во все лаборатории и всюду заменил слово «правое» на «левое». И в результате, где было написано правило правой руки, мы вынуждены были бы поль­зоваться правилом левой руки. Ну что ж, физики бы просто не заметили этого, ибо ни к какому изменению в физических за­конах это бы не привело, разумеется, если физические законы симметричны.

Покажем это на примере. Вы знаете, что существуют два сорта векторов. Имеются обыкновенные, «настоящие» векторы, подобные, например, отрезку расстояния Dr в пространстве. Пусть в нашей аппаратуре что-то находится «здесь», а нечто другое — «там», тогда те же самые «что-то» будут присутство­вать и в зеркально отраженной аппаратуре. Если мы в обоих случаях проведем векторы от «сюда» до «туда», то один вектор будет отражением другого (фиг. 52.2), причем направление стрелки вектора точно, как и все пространство, «выворачивает­ся наизнанку».