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5大改变未来的超难科学挑战是什么?(2)
2025-01-11
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  2.看穿分子魔镜

  生物学中,存在着一种奇特的不对称性。很多分子具有“手性”(chiral),即分子中的原子存在两种互为镜像的排列方式。当化学家合成此类分子时,往往得到的是包含两种手性的混合物,为简单起见,分别称它们“左手分子”和“右手分子”。奇怪的是,生物细胞通常只由“左手分子”构成,但没人知道其中缘故。

  有一种解释认为,这是自然界中4种基本力中的弱力决定的。粒子物理学的标准模型预言了4种基本力,其中弱力(weak force)是核子和电子间相互作用的传递者,它对左手和右手分子有着不同的作用,而包括引力在内的其他3种基本力,对两种手征分子的作用都是相同的。法国巴黎第13大学的贝努瓦·达尔基耶(Benot Darquié)解释说,理论上,弱力会导致手性分子一种手征结构的能态(energy state)稍弱于另一手征结构,这种差异通常为1/1015~1/1020。因此,如果一种手征结构的振动频率是30THz(1THz=1012Hz),那另一手征结构的振动频率会差上几毫赫兹(mHz,10-3Hz)甚至几微赫兹(μHz,10-6Hz)。

  达尔基耶说,测量两种手征分子间的微小差异,将有助于解释,为何生物偏好左手结构,而他的研究小组也为此努力。这类测量甚至能为标准模型中,弱力理论部分的某些参数提供准确值。

  据达尔基耶所知,他和同事是目前全球唯一进行此项尝试的团队。实际上,他花了3年时间来网罗研究所需的实验物理学家、量子理论专家和化学家。他们现在需要攻克两个难题:首先是建造极高分辨率的光谱仪,用于测量手性分子的能态。目前,达尔基耶小组拥有的最好设备能探察5/1014的能量差别,比普通光谱仪的分辨能力大概要好100万倍,眼下他们正在建造一台精度更高的仪器——要达到如此高的精度,必须隔绝所有外部振动,保证温度波动不超过0.1℃。不仅如此,为了在所需精度上测量分子振动的频率,达尔基耶的实验室还使用了一台分子钟(molecular clock),并通过光纤与巴黎的世界时标准原子钟保持同步。

  他们面临的第二个挑战是,合成出一种手征结构不对称现象足够明显的测试分子。这种分子需要有一个较大的中心原子,因为原子理论告诉我们,如果中心原子较大,能将手征结构造成的能量差异最大化。同时,这种分子被加热到气态,用于拍摄光谱时,还不容易断裂。尽管达尔基耶在努力尝试,制造出纯粹的左手或右手分子,但他们认为,最佳的选择可能是以甲基三氧化铼(methyltrioxorhenium)为原型,然后用一个硫原子和一个硒原子置换该分子中的两个氧原子。即便最后找到了完美的测试分子,他们还需要一年时间来积累足够数据,以便获得可信的结果。

  如果实验结果没能解开生物手征谜团,该怎么办?达尔基耶说,他不会太在意,因为他们建立的技术将为检验基本的物理理论提供很多新方法。“通常,大多数精确的物理实验都是用高能粒子或低能原子开展,而分子更复杂,所以能解决更复杂的问题”。

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