奇妙的微观世界的左撇子

化学中,许多分子组成相同但在空间结构上互成镜象,称之为手性分子。分子结构相对简单的矿物的晶格就有左手性和右手性的。用眼睛观察它们的结晶体,可明显分辩出晶格的旋向。

手性分子的识别可通过它的光学特征进行,能使平面偏振光按顺时针方向旋转的为右旋体,反之为左旋体。这对双胞胎左右撇子外貌上颇为相似,性情上却往往大不一样。

有一则短篇科幻小说叫《技术错误》,记述一位叫尼尔松的工程师偶然在强电场作用下实现了镜向反转,他的左右侧肢体换位了,他成为镜象中的他。

生活中和工作中的困难都可逐步克服,他却面临被饿死的危险。原因是一般人可吸收的维生素的分子旋向与他的消化系统不符!公司花巨资专门合成适于他的那种旋向的维生素,果真有效。尼尔松得救了,公司却因高昂的费用濒临破产,不得不对这位倒霉的工程师再次实施镜象反转……

科学幻想中的事情并非不在现实生活中出现。上个世纪欧洲曾给妊娠妇女服用一种叫“反应停”的药来镇痛和止咳,结果不少妇女生下“海豹婴儿”,有的无头,有的缺胳膊少腿,甚至手长在肩膀上。深入的研究发现,这种药的右旋体的确有镇静作用,而左旋体却有强烈的致畸作用。这次左撇子的乱子可惹大了,一下造出一万两千多个畸形儿!

沉痛的教训教育了人们,要仔细分析药物的左撇子和右撇子。因为手性分子的性质有时相近,有时却相去甚远。一种叫努特卡酮的香精,左旋的和右旋的化学式相同,香味竟相差750倍之多。四米唑左撇子胞兄是驱虫药,右撇子胞弟却是抗抑郁药。左旋的甲状腺素钠确为甲状腺激素,而右旋的甲状腺素钠实为一种降血脂药。一些昆虫的性引诱激素是手性分子,一种手性的只引诱雌性,而相对应的另一种手性的却只吸引雄性。

当我们说手性药物有治疗效果还是有毒副作用时,当然不仅仅是药物分子旋向一方面的问题。比如嗅觉,对嗅觉发生感应的嗅觉器官本身的受体就是由手性分子构成,手性匹配才能产生可感受到的气味。药物的疗效也在于生物器官受体本身的分子结构的旋向与药物分子的旋向相匹配。

如今手性药物的开发被列在重要位置。利用手性技术将药物中不起作用甚至有毒副作用的成分剔除,生产出具有单一旋向的纯手性药物,在治疗疾病时疗效更高,疗程更短。药物分子中的左撇子和右撇子这次可要分家了。现在这种纯左撇子或右撇子的手性药物的销售额已占全球药物销售额的三分之一,在最畅销的500种药物中占了一半以上,并还在不断增长。

手性分子在生命科学中占极为重要的地位。地球上所发现的生物氨基酸分子多为左旋的,一切天然的蛋白质都是由左旋的氨基酸组成。然而这些左旋的分子构建的遗传物质DNA却都是右旋的双螺旋结构。现在只发现一种局部具有左旋的Z-DNA结构,且只是作为右旋双螺旋结构的一种补充。

为什么生命选择了右旋的DNA?这也许只有更深入的分子生物学研究才能回答。

在粒子世界中,微观粒子的自旋也有左旋和右旋之分。

神奇的超导现象正是由于电子与振动晶格的相互作用使具有相反方向自旋和角动量的电子结成“超导态”而产生的,在这个意义上说,是电子“左撇子”和“右撇子”的合作成就了超导现象。

在众多微观粒子中,中微子是清一色的“左撇子”,总是左旋的。中微子果真没有右旋的吗?中微子之谜也一直困扰着理论物理学家。

即使是最基本的物理学定律,也有不循规蹈矩的左撇子。

守恒律是物理学中最重要的定律,如物质守恒定律、能量守恒定律、电荷守恒定律、动量守恒定律等等,构筑了物理学的基本框架。

在物理学的守恒定律中有一条宇称守恒定律,宇称相当于手性,它的意思是指物理规律在空间反演(如镜象)条件下完全不变。举个例子,一台钟放在镜子前,它的指针沿顺时针方向旋转,镜象中的钟的指针则沿反时针方向旋转,但两个钟的快慢是完全一致的。这就是说,物理规律是左右对称的,即宇称是守恒的。

作为物理学基石之一的宇称守恒定律曾被认为是不可动摇的。

然而上世纪五十年代,基本粒子相互作用的实验却对此提出严重挑战。著名物理学家杨振宁和李政道破解了这个谜,指出在弱相互作用中宇称不守恒。这一结论震惊了物理学界,许多人表示不相信。大物理学家泡利甚至放言:“我不相信上帝是一个软弱的左撇子。我已经准备好下一笔大赌注,我敢打赌实验将获得对称的结论。”泡利先生如果下注,他必输无疑,因为另一位著名物理学家吴健雄不久即以无可争辩的实验结果证明弱相互作用中宇称不守恒的结论。

宇称不守恒发现后,人们证明一条CPT反演联合守恒的定律。这里T表示时间变换,即过去与未来互变;P表示宇称,即手性变换,即左变成右,右变成左;C指电荷,即粒子与反粒子的互变。CPT对称,就是说三种变换同时进行,所有物理定律又都是对称的了。后来这一定律也遭到困难,因为发现在某些基本粒子的衰变过程中时间不守恒!迄今,对这些现象尚无满意的解释,而物理学正是在不断破解这些反常之谜的过程中发展起来。

我们已经知道存在反物质。一个电子和一个反电子的区别在于,虽然它们电荷的数值相同,但符号相反,自旋和角动量的方向也相反。其它基本粒子也是一样,并由这些反粒子组成反物质。如果把我们现实物质世界当作右撇子世界的话,那就存在一个与之镜象对称的左撇子物质世界。物质与反物质直接作用将导致湮灭,物质将消失而变成能量。

反物质可不可能在“宇宙”的量级上与物质世界对称?如果真是这样,宇宙在真空中产生,一半是我们的宇宙,另一半是反物质的宇宙,二者构成一个统一的宇宙。

这两大部分之间仍存在多种相互作用。一种可能是它们产生以后就分别独立发展,另一种正好相反,它们永远同步的对偶的发展。为什么会出现后一种可能呢?因为整个宇宙系统在产生之初和后来都保持着一种守恒性,如动量守恒。我们在此时此刻此世界的每一动作都在遥远的镜象世界中产生一个影子,那真是一种奇妙的景象。

当然,现在这还只能是科学幻想。然而,出现在几千年前的印度教主神毗湿奴的造像,是一位端庄的女神左手托着一只奇怪的海螺壳,这只海螺壳竟然是左旋的!毗湿奴造像具有罕见的对映体形象,显然古印度的先哲们已经注意到自然界手性这一神秘现象,并赋予它神圣而崇高的含义。在这里,东方神秘主义和近代物理学似乎是殊途同归。

对称和不对称是自然的属性之一,物质在存在的形态上和其运动的方式上都有“左撇子”和“右撇子”。

在一个层次上的不对称,构筑了上一个层次的对称。一个层次的对称,又形成更高一个层次的不对称。这是一种辩证的关系。人类左撇子的起源可能正是物质世界本性的反映。

左撇子和右撇子都在共同求索它的答案。(完)