гом Паули: «Я не верю, что Господь – левша, и готов поставить кругленькую сумму на то, что эксперимент покажет симметричные результаты». Неизвестно, сделал ли он ставку на самом деле, но если и сделал, то проиграл[200].
В эксперименте использовался радиоактивный кобальт-60. В ходе бета-распада он испускает электрон и неуловимую элементарную частицу – нейтрино. Атомы кобальта вращаются примерно так, как вращается Земля, а потому можно говорить о «северном» и «южном» полюсах, хотя определяются они произвольно. Если атомы кобальта в сильном электромагнитном поле охладить почти до абсолютного нуля, они выстроятся так, что вращаться будут в одном направлении (например, по часовой стрелке, если смотреть сверху). Они продолжат испускать электроны, но ключевой вопрос – в каком направлении. Сохранение четности предполагает, что в обоих направлениях, северном и южном. Если бы это было не так, то в зеркальном отображении картина эксперимента выглядела бы иначе, точно так же, как отличается отражение штопора в зеркале, и система не сохраняла бы положительную четность. Но это требовалось доказать. Если с «юга» электронов испускалось бы больше, чем с «севера», значит, четность не сохранялась. Электроны, как выяснилось, закручены влево. Паули называл эксперимент «весьма сенсационным», и результаты опыта за несколько дней облетели весь мир физики. Нобелевский комитет согласился с Паули и признал открытие, удостоив в 1957 году Янга и Ли Нобелевской премии по физике[201].
Людям, далеким от науки, значение открытия Янга и Ли хорошо объясняет пакистанский физик Абдус Салам, сам ставший нобелевским лауреатом в 1979 году. В письме к другу, филологу-классику, он рассказывает, почему результаты опыта так всех взволновали:
«Я спросил его, упоминали ли античные авторы о гигантах лишь с одним левым глазом. Конечно, упоминали, и он предоставил мне полный их список, но у всех, как у Циклопа в гомеровской «Одиссее», единственный глаз был в середине лба. А я полагаю, мы обнаружили, что вселенная – гигант, слепой на левый глаз».
Следствия несохранения четности разнообразны – вплоть до преобладания галактик, закрученных влево, а не вправо. Это позволяет решить и Проблему Озма, о которой речь шла в третьей главе: как объяснить пришельцу из дальнего космоса, какая из двух перчаток – левая. Решение просто, если в наличии есть оборудование, позволяющее увидеть движение множества электронов – большинство из которых в основном закручены влево, а еще лучше – нейтрино, которые закручены влево все до единого – как заметил физик Отто Фриш, нейтрино летит, словно пуля из винтовки с левой нарезкой ствола. Как только возникнет понимание, что левое соответствует направлению вращения нейтрино, так тут же и решится вопрос о том, какую перчатку считать левой. Итак, почти через двести лет после эссе Канта 1768 года Проблема Озма поучила решение в 1957-м[202].
Реальная сложность, однако, состоит в том, можно ли асимметрией слабых взаимодействий объяснить и биологическое преобладание L-аминокислот и D-углеводов. Вскоре после эксперимента Ву Джон Холдейн отметил, что предположение Пастера об асимметричности живого может отражать асимметричность самой Вселенной. Не в этом ли все дело? Может ли существовать связь между спином элементарных частиц и формами углеводов и аминокислот? Действительно, многие физики-теоретики и химики предполагали подобное и проводили немало опытов, хотя в целом и не слишком успешных: эффекты были либо очень малы и оказывались за пределом чувствительности, либо их не удавалось в полной мере воспроизвести в аналогичных экспериментах. Проблему легко понять, если принять во внимание ее численную составляющую[203].
С 1957 года теория подчеркивала, что хотя L- и D-аминокислоты похожи как в зеркале, они не являются точным зеркальным отражением друг друга, поскольку электроны в них в основном имеют левый спин. Таким образом, физические свойства D- и L-аминокислот несколько различны, в частности D-аминокислоты менее стабильны и легче разрушаются. Это означало, что в конечном счете возникнет преобладание L-аминокислот. Если этот процесс мог как-то усилиться, то и все живые организмы должны были бы полностью состоять из L-аминокислот. Это заманчивая теория, и несколько теоретиков усиленно искали доводы в ее пользу. Их вычисления показали, что преобладание L-аминокислот возникло бы обязательно, но соотношение оказалось крайне мало – около 1 на 1017. Чтобы понять, сколь малая это величина (1 часть на 100 000 000 000 000 000), вспомните, что длина окружности земного шара – около 40 тысяч километров. Если увеличить ее на 1/1017, она удлинится на полумиллионную долю миллиметра – около 4 ангстрем – на диаметр всего лишь пары атомов. То есть на крошечную величину. Если подойти к проблеме с этой стороны, трудно поверить, что столь незначительное преобладание атомов может иметь какие-то реальные биологические следствия[204].
Важно, что столь малый эффект требует усиления. Одна из возможностей – так называемая положительная обратная связь – то, что многие могут наблюдать, если электрогитара или микрофон оказываются перед динамиком. Микрофон улавливает тихий звук, который затем несколько усиливается динамиком, так что микрофон улавливает чуть более громкий звук из динамика, который снова усиливается динамиком, и так далее, пока почти сразу все не заглушит воющий звук на максимальной громкости. Подобным образом в химических системах могут усиливаться первоначально очень слабые различия. Не исключено, что какие-то первоначальные химические реакции D-форм веществ подавляют действие L-форм и наоборот. Любые малые различия в концентрации двух веществ могут поэтому усиливаться до тех пор, пока одно из них возобладает полностью. Если с самого начала концентрация одной из форм была чуть выше, пусть даже на 1 в 1017, то в результате эта форма стала бы преобладающей. Подобные химические системы были продемонстрированы экспериментально, показав, что такой механизм действительно мог усилить крошечные различия, возникшие из-за несохранения четности[205].
Если причина преобладания в наших телах L-аминокислот связана с микроскопическими различиями, возникшими на уровне слабых взаимодействий, то как можно проверить или доказать эту теорию? Между тем способ существует и, как ни странно, не на Земле. Из любой теории, основанной на слабом взаимодействии, следуют очень ясные выводы, а именно, если законы физики применимы во всей Вселенной, значит, и четность не сохраняется во всей Вселенной, и повсюду, где обнаружатся аминокислоты, должна преобладать именно L-форма. Иначе говоря, жизнь или, по крайней мере, аминокислоты, повсюду должны быть похожи. Это предположение в 1960-х легло в основу так называемого «Пастеровского анализа», космического исследования по поиску признаков внеземной жизни по оптической активности[206].
Хотя научные теории обладают предсказательной силой, предположения, выдвигаемые на этой основе, довольно бессодержательны, если их невозможно проверить на практике; так и рассуждения об аминокислотах в других мирах могут показаться пустой игрой ума, если нет возможности их увидеть. Но это не так. Вещество из глубин космоса постоянно попадает на Землю в виде метеоритов. Большинство метеоритов представляют собой плотные глыбы железа или горных пород и не слишком интересны биологам. Но есть исключения, такие как углистые хондриты, один из которых упал в Австралии близ города Мерчисон в 11 утра 28 сентября 1969 года. Метеорит развалился, и его куски были разбросаны на площади около пяти квадратных миль. Важность его была очевидна почти сразу, поскольку куски черного камня состояли в основном из «обугленного черного вещества» с сильным запахом органики, напоминающим денатурат. Обломки были собраны и подвергнуты интенсивным исследованиям. Очень скоро выяснилось, что метеорит, в составе которого было 3 % углерода, богат и аминокислотами. Нельзя было исключить возможность загрязнения в момент, когда метеорит врезался в Землю, которая фактически покрыта аминокислотами, содержащимися в живых организмах. Однако вскоре ученые исключили этот вариант, заглянув внутрь осколков метеорита и обнаружив в нем аминокислоты, которые в живых организмах не встречаются – метилаланин, саркосин и метилнорвалин. Поначалу решили, что обнаруженные аминокислоты представляют собой рацемическую смесь L- и D-форм, но первый образец был очень мал, а техника анализа несовершенна. Однако в ходе последующих исследований было ясно и определенно установлено преобладание в метеорите Мерчисон L-аминокислот – до 97 % в случае лейцина. Впервые было получено надежное доказательство того, что в аминокислотах, происходящих не с нашей планеты, также преобладают L-формы. К сожалению, углистые хондриты редки, хотя и в метеорите Муррей, упавшем в Кентукки в 1950 году, также обнаружилось преобладание L-аминокислот. В более близкое к нам время, 18 января 2000 года, большой углистый хондрит упал в озеро Тагиш в канадской провинции Британская Колумбия. Осколки были быстро извлечены из замерзшего озера и немедленно подвергнуты глубокой заморозке, что сделало их идеальными для научных исследований. Результаты анализа аминокислот скоро будут известны[207].
Большинство теорий относительно преобладания L-аминокислот основывается на принципе, выдвинутом Пьером Кюри, удостоенным вместе со своей женой Мари Нобелевской премии за открытие радиоактивности. Кюри говорил, что «асимметрия не может произойти из симметрии». Поскольку все законы физики, за исключением тех, что связаны со слабым взаимодействием, демонстрируют симметрию, единственной областью поисков остается слабое взаимодействие. Здесь, однако, упускается из виду тот факт, что Вселенная чрезвычайно велика. И если в некоторой ограниченной ее части присутствует асимметрия, а в другой – противоположная асимметрия, тогда законы физики все же останутся симметричными, поскольку Вселенная в целом останется симметричной, даже если асимметричным покажется состояние аминокислот в местной ее области. «Местная область», если говорить о Вселенной, фактически может быть и огромной. На этом принципе основывается теория Уильяма Боннера, химика из Стэнфордского университета, предположившего, что причина преобладания L-аминокислот на Земле связана с круговой поляризацией света. В то время как распространение волн обычного поляризованного света ограничено определенным направлением, например вверх или вниз, волны поляризованного по кругу света закручены либо по часовой стрелке (вправо), либо против часовой стрелки (влево). Этим может объясняться преобладание L-аминокислот, поскольку поляризованный по кругу свет по-разному взаимодействует с хиральными молекулами, то есть стереоизомерами, обеспечивая одним преобладание над другими. Однако, чтобы это оказалось полезным для объяснения преобладания L-аминокислот, нужно еще найти мощный источник поляризованного по кругу света. Боннер предположил, что лучше всего искать его близ нейтронной звезды. Эти невероятно плотные объекты формируются после взрывов сверхновых, и достаточно часто