آن‌سوی آینه؛ جهان با تصویر آینه‌ای خود چه تفاوتی دارد؟

آلیس، پس از ماجراجویی‌هایش در سرزمین عجایب در رمان آن‌سوی آینه نوشته‌ی لوئیس کارول در سال ۱۸۷۱، از آینه‌ای که بالای شومینه‌اش بود گذشت تا ببیند دنیای انعکاسی چه تفاوتی با دنیای خودش دارد. او متوجه شد که کتاب‌ها همگی وارونه نوشته شده‌اند و مردم «به صورت معکوس زندگی می‌کنند» و در جهانی در حرکت هستند که در آن، معلول‌ها پیش از علت‌ها رخ می‌دهند.

وقتی اشیاء در آینه متفاوت به نظر می‌رسند، دانشمندان آن‌ها را «کایرال» (chiral) می‌نامند. برای مثال، دست‌ها کایرال هستند. تصور کنید آلیس بخواهد با تصویر آینه‌ای خود دست بدهد. یک دست راست در دنیای آینه‌ای به دست چپ تبدیل می‌شود و هیچ راهی برای هم‌راستا کردن کامل این دو برای دست دادن وجود ندارد، چون انگشت‌ها در جهت اشتباه خم می‌شوند. در واقع منشأ کلمه‌ی کایرالیته، کلمه‌ی یونانی دست است.

تجربه‌ی آلیس بازتاب‌دهنده‌ی نکته‌ای عمیق درباره‌ی جهان ماست: همه‌چیز در آن‌سوی آینه یکسان نیست. رفتار بسیاری از اشیای آشنا، از مولکول‌ها گرفته تا ذرات بنیادی، بسته به اینکه با کدام نسخه‌ی آینه‌ای تعامل داریم، متفاوت است.

در ابتدای داستان آن‌سوی آینه، آلیس گربه‌اش، کیتی را به سمت آینه نگه می‌دارد و تهدید می‌کند که او را به آن‌سوی آینه پرتاب می‌کند. او می‌گوید: «به این فکر می‌کنم آن‌ها در آنجا به تو شیر می‌دهند؟ شاید شیر دنیای آینه برای نوشیدن خوب نباشد.»

آلیس درست فکر می‌کرد. درست بیش از دو دهه پیش از انتشار کتاب، لویی پاستور هنگام آزمایش روی مقداری شراب فاسد، کشف کرد که برخی مولکول‌ها می‌توانند کایرال باشند. آن‌ها می‌توانند در دو شکل ساختاری متمایز راست‌دست و چپ‌دست وجود داشته باشند که هیچ‌گاه نمی‌توان آن‌ها را به‌طور کامل بر هم منطبق کرد. پاستور دریافت که با وجود یکسان بودن تمام اجزای آن‌ها، نسخه‌های آینه‌ای این مولکول‌های کایرال می‌توانند عملکردهای شیمیایی متفاوتی داشته باشند.

لاکتوز، قند موجود در شیر، کایرال است. درحالی‌که هر دو نسخه‌ی آن را می‌توان سنتز کرد، قند تولیدی و مصرفی موجودات زنده، همیشه نسخه‌ی راست‌دست هستند. درواقع، زندگی آن‌طور که ما می‌شناسیم، فقط از قندهای راست‌دست استفاده می‌کند، به همین دلیل است که مارپیچ مولکول DNA همواره به سمت راست می‌پیچد. ریشه‌ی این «هم‌کایرالیته» یکی از بزرگ‌ترین رازهایی مربوط به منشاء حیات محسوب می‌شود.

کیتی نمی‌توانست شیر آینه‌ای را هضم کند. بدتر از آن، اگر این شیر شامل باکتری‌هایی با کایرالیته‌ی مخالف می‌بود، سیستم ایمنی‌اش و آنتی‌بیوتیک‌ها کارایی لازم را برای مقابله نداشتند. به همین دلیل، گروهی از دانشمندان برجسته به‌تازگی نسبت به سنتز شکل‌های حیات آینه‌ای هشدار دادند؛ زیرا اگر هر یک از آن‌ها از آزمایشگاه فرار کنند، ممکن است از مکانیزم‌های دفاعی موجودات زنده معمولی بگریزند.

اگر همچنان مسیر سوراخ خرگوش را در داستان آلیس دنبال کنیم، ردپای کایرالیته را تا ذرات بنیادی نیز خواهیم یافت.

کار پاستور روی مولکول‌ها بر پایه‌ی کشف قبلی آگوستن-ژان فرزنل استوار بود که در سال ۱۸۲۲ متوجه شد منشورهای کوارتز متفاوت می‌توانند میدان الکتریکی نور را در یکی از دو جهت بچرخانند: ساعت‌گرد یا پادساعت‌گرد. اگر هر ذره‌ی نور دنباله‌ای از دود برجا می‌گذاشت، یک پیچ‌خوردگی دود راست‌دست از یک منشور و یک پیچ‌خوردگی چپ‌دست از منشور دیگر بیرون می‌آمد.

امروزه فیزیک‌دانان کایرالیته را درست مانند بار یا جرم یکی از ویژگی‌های بنیادی تمام ذرات بنیادی می‌دانند. ذراتی که جرم ندارند، همیشه با سرعت نور حرکت می‌کنند و همگی دارای تکانه‌ی زاویه‌ای ذاتی هستند، به‌طوری‌که مانند یک فرفره می‌چرخند. اگر این ذرات در جهت انگشت شست شما حرکت کنند، چرخش آن‌ها چه راست‌دست باشد چه چپ‌دست، مطابق با خم‌شدن انگشتان شماست.

وضعیت برای ذرات دارای جرم، مانند الکترون‌ها و کوارک‌ها، کمی پیچیده‌تر است. چون ذره‌ی دارای جرم با سرعت کمتری حرکت می‌کند، ناظر سریع می‌تواند از آن سبقت بگیرد و عملاً جهت حرکت آن را معکوس و به‌این‌ترتیب، کایرالیته‌ی ظاهری آن را برعکس کند. به همین دلیل، هنگام توصیف کایرالیته‌ی ذرات دارای جرم، فیزیک‌دان‌ها اغلب به توصیف ریاضی ویژگی‌های کوانتومی آن‌ها ارجاع می‌دهند. وقتی یک ذره را بچرخانید، تابع موج کوانتومی آن بسته به کایرالیته‌اش ممکن است به چپ یا راست تغییر فاز دهد.