5大改变未来的超难科学挑战是什么？( 二 ) _小知识

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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