釋說新語之十:左旋與右旋

2008/09/11 – 下午 12:11

劉源俊

  螺旋有兩種─左手旋與右手旋。所謂「右手旋」是指,當螺旋順著右手食指繞一圈後,朝右手拇指的方向前進一步;換言之,像是右手。「左手旋」則反是,像是左手。右手螺旋與左手螺旋不能疊合,它們互為鏡像;就好像右手與左手互為鏡像一樣。這種本身與鏡像不同的現象,物理上稱之為「手徵性」(chirality)。

  據量子光學,光是光量子(一般稱為光子)的集合。光子有兩種,一種像右手螺旋(螺旋度helicity+1),一種像左手螺旋(螺旋度-1)。如果光完全由右手螺旋的光子組成,當光朝著觀察著行進時,光的轉向是逆時鐘的。(就好比把右手大拇指對者自己,食指及其它手指的轉向是逆時鐘方向)這樣的光,傳統上稱之為「左旋圓偏振」(left-hand circularly polarized light, LHC)。反之,全由左手螺旋光子組成的光,傳統上稱之為「右旋圓偏振」(left-hand circularly polarized light, RHC)。

  如果光是由一半左手螺旋觀光子、一半右手螺旋光子組成,而兩種光子間維持一定的相位關係(差90度),則光有一定的偏振方向,稱為線偏振。將這樣的線偏振光通過有機分子的溶液,奇特的現象發生了:有時光的偏振方向(當對著光看時)向順時鐘方向轉,有時向逆時鐘方向轉,有時不轉。這一現象稱之為「旋光性」(optical activity)。

  旋光的原因來自分子的左右不對稱,換言之,分子的手徵性。於是,葡萄糖有兩種,右旋葡萄糖(D-glucose或dextroglucose)的水溶液會使光的偏振方向順時鐘轉,左旋葡萄糖(L-glucose或levoglucose)的水溶液則會使光的偏振方向逆時鐘轉。(這裡採用了兩個拉丁文:dexter是右的意思,levo是左的意思。)如果溶液中,右旋葡萄糖與左旋葡萄糖一樣多,則光的偏振方向不變。

  實驗發現,所有生命體中的DNA分子都是右手螺旋;而幾乎所有氨基酸(蛋白質的基石)溶液的旋光性都是左旋的。為什麼呢?這裡或許蘊藏了一件有關生命的大奧秘。

  基本粒子實驗又發現,β衰變中與電子一起出現的「反中微子」(anti-neutrino)一定是右手螺旋,而β+衰變中與正子一起出現的「中微子」(neutrino)則一定是左手螺旋。是中微子的這一性質,使得我們的物質世界左右不對稱。