Ближайшая к Солнцу планета Меркурий по сию пору остается одной из наименее исследованных человеком. Вплоть до 2011 года, за всю историю межпланетных космических экспедиций XX-XXI веков Меркурий посещался всего один раз – когда в 1974-1975 годах исследовательский зонд НАСА Mariner 10 трижды проходил вблизи планеты, собрав основную часть той информации, которой располагает на сегодняшний день наука. В данных о строении и свойствах Меркурия очень много непонятного, если не сказать загадочного – удивительно большая масса и признаки жидкого ядра при столь небольших размерах планеты, постоянное глобальное магнитное поле как у Земли (у Венеры и Марса такого нет), признаки больших резервуаров замороженной воды на полюсах…

Список накопившихся у ученых вопросов весьма велик, и есть надежда, что многие из них поможет разрешить исследовательский космический зонд Messenger, запущенный NASA к Меркурию в 2004 году. Этот аппарат достиг планеты в 2011, а чуть позже, ориентировочно в 2013 году в том же направлении должен отправиться еще один корабль-исследователь – BepiColombo европейского космического агентства ESA и Японии.

Хотя интерес планетологов к Меркурию вполне очевиден, остается неясным, смогут ли приборы и результаты двух новых экспедиций помочь в разгадке еще одной тайны, также обнаруженной в данных от «Маринера 10». Эта загадка, в отличие от остальных, в большинстве случаев обычно никак не упоминается, а потому, хотя и не является секретом, за прошедшие десятилетия практически забыта. Суть же проблемы такова: измерения параметров солнечного света, отражаемого Меркурием, показали, что большинство минералов на поверхности планеты отражает свет с одним и тем же направлением вращения поляризации.

Многие природные минералы, как известно, существуют в двух формах структурного строения, условно именуемых правой и левой хиральностью (от греческого «cheir» — «рука»). Как правая и левая рука у человека, эти структуры являются зеркальным отражением друг друга и обычно обнаруживаются в природе всегда в примерно равных пропорциях. Однако поверхность Меркурия имеет совершенно очевидное преобладание леворуких минералов, но почему – совершенно непонятно ни для минералогов, ни для физиков вообще. Некоторые же ученые-биологи предполагают, что коль скоро органические молекулы живых организмов на Земле имеют тенденцию к левой хиральности, то разгадка данной тайны Меркурия могла бы пролить свет и на загадки происхождения жизни на Земле.

*

Будет к месту напомнить, что собственно физический факт хиральности молекул был открыт в тесной связи с биологическими исследованиями. В 1848 году Луи Пастер, которому было в ту пору 25 лет, исследовал под микроскопом одну из солей винной кислоты и обратил внимание, что кристаллы соли не все одинаковы, а делятся на два типа, каждый из которых является зеркальным отображением другого. Заинтересовавшись, Пастер вручную отделил разновидности кристаллов друг от друга и растворил их в воде, чтобы пропустить через растворы луч поляризованного света. Оказалось, что различие в симметрии сохраняется и при растворении соли – один из растворов вращал плоскость поляризации света по часовой стрелке, т.е. «вправо», а другой – в обратном направлении, т.е. «влево». Проанализировав свое открытие, ученый постулировал, что зеркально-симметричная форма кристаллов и их способность вращать плоскость поляризации света в противоположных направлениях объясняются тем, что существует два вида молекул соли – «правые» и «левые».

Еще через несколько лет тот же Пастер сделал – почти мимоходом – другое важное открытие, как-то раз обнаружив, что в забытой лабораторной чашке с оптически неактивным (т.е. не вращающим плоскость поляризации света) раствором выросла плесень. По идее, негодный раствор следовало просто вылить, а чашку вымыть. Но Пастер вместо этого решил проверить оптическую активность остатка. И оказалось, что испорченный раствор стал вращать плоскость поляризации света. Иными словами, выходило, что исходный раствор содержал равное количество правых и левых молекул и потому был оптически неактивным, но затем плесень использовала для своего питания молекулы только одного вида, а в растворе, соответственно, стали преобладать молекулы другого вида. Эта диспропорция и породила оптическую активность раствора.

Последующие исследования ученых показали, что свойство хиральности молекул оказывается не просто важным, а критически важным для осмысленного объединения традиционно различаемых областей неорганической химии, органической химии и физической химии в единую науку. Поначалу считалось, что вещества, исследованием которых занимается органическая химия, так или иначе связаны с жизнедеятельностью биологических организмов. Затем точка зрения изменилась, коль скоро многие из этих веществ научились синтезировать искусственно. Но благодаря открытиям Пастера в органической химии было обнаружено действительно существенное отличие биологически активных молекул от остальных.

В подавляющем большинстве биологически активные молекулы, включая витамины, сахары и все натурально образующиеся аминокислоты обладают свойством хиральности. Но если вещества органической химии имеют хиральную структуру, то при лабораторном, искусственном синтезе любого из них всегда происходит, как и в неорганической химии, образование левых и правых молекул в примерно одинаковом количестве. Однако в природе все такие молекулы, используемые и синтезируемые организмами, являются гомохиральными, т.е. имеют строго одну и ту же хиральность (даже в метеоритах, попавших на Землю из космоса, выявленные аминокислоты оказались с той же гомохиральностью, что и земные). Более того, искусственно синтезируемые молекулы «не с той» хиральностью часто оказываются токсичны для использующих их биологических систем, вызывая уродства и гибель. Вполне очевидно, что вся живая природа отдает предпочтение лишь одной половине зеркально-симметричных молекул, однако почему это так – совершенно неясно. Как непонятен и весь механизм происхождения гомохиральности в биологическом мире, где аминокислоты, скажем, существуют только левые, а сахары, наоборот, только правые.

**

В середине XX века довольно похожая ситуация, к удивлению как теоретиков, так и экспериментаторов, была обнаружена в мире элементарных частиц. Вплоть до 1957 года физики были уверены, что при зеркальном отражении этого мира все законы природы должны оставаться в точности теми же самыми. Ученые называют это принципом пространственной инвариантности или, по соображениям терминологической строгости, принципом сохранения четности. Термин «четность» здесь подразумевает такое зеркальное отображение, которое меняет знак у всех трех пространственных координат, т.е. переставляет местами низ с верхом и левое с правым. Предполагалось, что любые, даже самые внимательные и искушенные зрители, наблюдающие всякий физический эксперимент, никогда не смогут отличить отраженную в зеркале картину от картины реальной.

Для подобной точки зрения имелись веские основания, поскольку практически все известные на тот момент физические феномены подчинялись принципу пространственной инвариантности. В частности, не вызывала никакого сомнения применимость данного закона к трем из четырех фундаментальных взаимодействий природы – сильному, электромагнитному и гравитационному. Что же касается четвертого, слабого взаимодействия, по необходимости введенного в физику в 1949 году для объяснения распада и преобразований одних частиц в другие, то именно здесь, как оказалось, науку поджидали большие сюрпризы.

В поисках решения для необъяснимых экспериментальных результатов два китайских теоретика Ли Цзун-Дао и Янг Чжань-нин, осевшие в США, занялись изучением всех известных на то время опытов с распадом частиц. И к изумлению своему обнаружили, что ни в одном из них принцип сохранения четности для слабых взаимодействий никогда не проверялся. Более того, столь примечательный факт оставался в физическом сообществе никем не замеченным, пока на него не обратили внимание Янг и Ли. Подводя итог в своей обзорной статье [1], опубликованной осенью 1956 года, они предложили несколько экспериментальных тестов, чтобы решить ясно и определенно, сохраняется ли четность при слабых взаимодействиях или же, напротив, слабые взаимодействия несимметричны, отличая, грубо говоря, правое от левого, а верх от низа.

Среди предложенных экспериментов один из самых простых заключался в измерениях бета-распада кобальта-60. Идея была в том, чтобы с помощью сильного магнитного поля упорядочить ориентацию ядер кобальта, выровняв их спины, обычно случайно направленные, в одном и том же направлении. В процессе бета-распада электроны испускаются у полюсов ядра. Зеркальный образ такой системы с перевернутым направлением магнитного поля демонстрирует ту же по сути картину, но с той лишь разницей, что северный и южный полюса зеркальных ядер перевернуты, поскольку они вращаются в противоположную сторону. Принцип сохранения четности требует, чтобы испускаемые лучи были распределены между двумя полюсами поровну. Если же опыт показывает, что бета-частиц излучается с одного полюса больше, чем с другого, то становится возможным различать зеркальные отражения ядер-двойников. Иначе говоря, выявление анизотропии в испускании бета-лучей было бы эквивалентно нарушению четности в слабых взаимодействиях.

***

Нельзя сказать, что статья китайских теоретиков оказалась полностью незамеченной, но сколь-нибудь заметного резонанса в научном сообществе поначалу она явно не получила. Никто не усмотрел здесь результат настолько важный, чтобы отложить текущие дела и заняться экспериментами с тестированием четности при слабых взаимодействиях. Лишь по счастливому стечению обстоятельств Ли Цзун-Дао сумел убедить свою землячку и коллегу по Колумбийскому университету, профессора Цзянь-Сюн Ву, попытаться организовать эксперимент с распадом кобальта-60.

В последнюю неделю 1956 и первые дни 1957 года Ву и ее коллеги поставили нужный эксперимент и обнаружили отчетливое нарушение принципа сохранения четности. Как только это стало известно, несколько физиков Колумбийского университета (R. Garwin, L. Lederman, R. Weinrich), работавшие с циклотроном, быстро модифицировали свой эксперимент по другой модели, также предложенной в статье Янга-Ли. Эксперимент на циклотроне столь же четко подтвердил нарушение четности, но теперь уже для случая распада мезонов. Статьи двух независимых экспериментальных групп с результатами, полностью подтверждающими идеи Янга-Ли, были опубликованы одновременно в одном и том же номере журнала Physical Review, открыв существенно новый и никем не предсказанный этап в развитии современной физики.[2]

Конкретно для Янга и Ли это открытие принесло в том же 1957 году высшую для физиков награду, сделав их первыми нобелевскими лауреатами китайского происхождения. Для науки же в целом нарушение принципа четности означало то, что «оказалась разрушенной до основания весьма полная и завершенная теоретическая структура, причем никто не знает наверняка, как теперь складывать куски вместе» (цитата из комментариев ученых на пресс-конференции Колумбийского университета по поводу важного достижения).[3]

За прошедшие с той поры полвека исследователям удалось, конечно, выстроить новую, Стандартную Модель взаимодействий, включающую в себя и нарушение четности. Но для слабого взаимодействия здесь отведена весьма особая роль «хирального калибровочного взаимодействия». В более понятных словах это означает, что по некой неустановленной пока причине природа оказывается не полностью симметричной, а более леворукой. Конкретнее, согласно СМ, в слабых взаимодействиях принимают участие только леворукие компоненты частиц и только праворукие компоненты античастиц. Формулируя иначе, все наблюдавшиеся до сих пор нейтрино имеют только левую хиральность спина, а все антинейтрино – только правую… Данная картина заметно похожа на ситуацию в биологии, но вот почему это так – и здесь ясности никакой.

[1] Lee, T. D., and C. N. Yang, Question of Parity Conservation in Weak Interactions, The Physical Review, 104, Oct 1, 1956.

[2] Wu, C.S., Ambler, E., Hayward, R.W., D.D. Hoppes, and Hudson, R.P., Experimental test of parity conservation in beta decay, Physical Review, 105(4), 1957 ; Garwin, R.L., Lederman, L.M., Weinrich, M., Observations of the failure of conservation of parity and charge conjugation in meson decays: the magnetic moment of the free muon, Physical Review, 105(4), 1957

[3] Gardner, M., The Fall of Parity, in The Ambidextrous Universe, 1964