看穿手性分子的“镜像”

生物学上存在着一种奇妙的不对称，存在着一些化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子，这两种分子拥有完全一样的物理、化学性质。但是从分子的组成形状来看，它们依然是两种分子。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合，就像左手和右手那样，因此，科学家们将其称为手性分子。当化学家们在实验室制造这种分子时，一般会得到两种形式的混合分子，而且，依照惯例，会给它们贴上左手性或右手性的标签。但活细胞一般仅仅由左手性分子制造而成，没有人知道为什么会这样。

一种可能的解释是，标准粒子物理模型预测的自然界中四种基本力中的一种——弱相互作用调停着原子核和电子之间的某些相互作用，其对左手性和右手性分子的影响不同；而包括重力在内的其他力在每个版本的镜像宇宙中都是一样的。法国巴黎第13大学的伯努特·达奎解释道，从理论上而言，弱相互作用或许导致一种形式的手性分子同其镜像“双胞胎”分子的能态稍微有些不同，大约有1015分之一到1020分之一的差异。因此，如果一种形式的手性分子的振动频率为30太赫(频率单位，等于百亿赫)，那么，它与对应的另一种手性分子的振动频率之间的差异仅为几豪赫兹甚至几微赫兹。

达奎表示，测量出这样的细微差异可能有助于我们解决生物学上的这个不对称难题，他的团队也正致力于做到这一点。这种差异甚至能让我们获得标准模型的弱相互作用理论的某些参数的值。

据达奎所知，他们的研究团队是目前全球唯一试图解决这一难题的团队。他花费了整整3年来组建这个由实验物理学家、量子理论学家以及化学家组成的实验团队。他们现在需要解决两个问题：首先，他们需要制造出分辨率极高的光谱仪来测量手性分子的能级。迄今最好的光谱仪能够识别出5/1014的能级差别，而他们需要的光谱仪的清晰度将约为目前市面上最好的光谱仪的100万倍。他们现在正在制造一个精确度更高的光谱仪。为了达到这样的灵敏度，他们的机器不能受到任何外部振动的影响，而且需要稳定地维持在0.1摄氏度以内。另外，为了能在测量分子振动频时获得所需要的精确度，达奎的实验室使用了一个分子时钟，其通过一个光纤网络与位于法国巴黎的世界时间标准原子钟相连。

科学家们面临的第二个挑战是制造出测试分子，且测试分子的不对称效应要大到足以被测量出来。因此，这个分子的中央原子应该很大，因为原子理论认为，这样会让不同形式的手性分子之间的能态差异最大，而且，当将其加热到光谱仪所要求的气体状态时，分子本身也不会分崩离析。该研究团队认为，最好的分子很有可能是甲基三氧化铼这样的分子，其两个氧原子被硫和硒所取代。不过，即使科学家们发现了一个能很好地用来做实验的分子，他们仍然需要一年时间来进行足够多的测试工作以增加信号与噪音之间的比率并得到更准确的数据。达奎表示：“问题越困难，当你解决它的时候，你就会越高兴。”

达奎表示，即使他们的实验并不能解决生物学上的这一难题，他们也不会因此而失望，因为，他们正在研发的技术将可用于对很多基础物理学理论进行测试。他说：“科学家们正在对能级更高或更低的粒子进行精确的测量，分子越复杂，测量需要解决的问题就更多，因此，我们正在研究的技术和工具将大有用武之地。”