Helicitet och kiralitet i fysik, kemi och liv

I fysiken beskriver helicitet relationen mellan en partikels "spin" och hastighet: Lite förenklat kan man säga att spinnet antingen kan vara i rörelsens riktning eller motriktat. Quantum Diaries illustrerar detta med några fina animeringar.

I kemin pratar man om kirala molekyler som inte är lika sin egen spegelbild. En sockerlösning roterar polariserat ljus. (Prova med ett litet glasrör med koncentrerad sockerlösning mellan två korsade polaroider!)

Louis Pasteur studerade vinsyrans kristaller och sorterade dem i höger och vänsterformer, löste upp dem separat i vatten och fann att dessa lösningar också var "optiskt aktiva" och roterade polarisationsplanet för linjärpolariserat ljus. Pasteur kopplade kiralitet till liv och försökte syntetisera kirala molekyler genom att lägga på starkt magnetfält - utan att lyckas.

Richard Feynman utmanar: How would you teach left from right to an alien civilization?

Trots kända högerhandregler för magnetfält är elektromagnetism oförändrad på andra sidan spegeln. Det behövs alltid två högerhandregler för att få fram en fysikalisk effekt (och samma effekt erhålls alltså av två vänsterhandsregler.) Symmetrier diskuteras i detalj av Martin Gardner i böckerna Skapelsens symmetri (The New Ambidextrous Universe) och i "The annotated Alice".

Den enda fundamentala växelverkan som bryter mot spegelsymmetri är "Svag växelverkan". Brott mot spegelsymmetri "paritetsbrott" upptäcktes 1956. Upptäckten belönades med Nobelpris redan 1957 Den svaga växelverkan förmedlas av W± och Z0 bosonerna som upptäcktes på CERN 1983. Även denna upptäckt belönades redan året efter med Nobelpris: (Nobelpris 1984) Den neutrala Z0 bosonen gör att inte ens en atom är riktigt lik sin egen spegelbild.

I min egen tidigare forskning har jag beräknat storleken av effekten i atomer, som stöd för experimentella grupper som mätt upp denna väldigt lilla effekt med allt större noggrannhet. Läs mer i en översiktsartikel jag skrivit om Atoms through the looking glass.

Helix genom spegeln

Bilden till höger visar spiralkaninen, speglad i två speglar i ett hörn. En kanin blev till fyra: Ett original med högerskruv, två spegelbilder med vänsterskruv och så en dubbelspeglad kanin, som är högerskruv, och ser ut som om den bara blivit roterad 180o.

Personlig kommentar

Jag har varit fascinerad av spegelbilder och symmetrier i fysiken sedan jag som 20-åring läste Martin Gardners "Skapelsens symmetri". Sedan fick jag 1978 möjlighet att som post-doktor inom atomär beräkningsfysik arbeta i grupper som sökte efter atomärt paritetsbrott (vid University of Washington - med Ernset Henley, Larry Wilets och Norval Fortson - och Oxford - Pat Sandars). I föredrag om paritetsbrott har jag ofta använt en slinky för att illustrera höger och vänster-skruvar.

Ann-Marie.Pendrill@physics.gu.se, 2012-10-07