本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
手性的概念——比如左和右，或者顺时针和逆时针——表面上看起来很简单。实际上，我认为它是科学和数学中最微妙的概念之一。在这篇文章中，我将提出一个挑战，希望能够引起读者的兴趣。
这不是一个测试或测验：我自己还没有完全想出一个解决方案。相反，这只是我希望能够引发一场有趣讨论的开场白。在后续的文章中，我计划采访一些物理学家，看看他们的看法。但首先，让我们进行一些初步探讨。
想象一下，你必须向一个从未听说过“左”和“右”这两个词的人解释它们的含义。而且，想象一下，你必须完全用口头方式来做，也就是说，不画图，不指东西，也不做其他手势。
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经过一番思考，你可能会首先从一些共同的经验入手。例如，对于一个美国人，你可以说，如果他们从纽约市开车横跨美国到旧金山，他们的右侧将是加拿大，而左侧将是墨西哥。
但是，如果有人告诉你不要假设这个人来自哪里，或者他们对地理了解多少呢？你可以寄希望于他们了解一些关于星星的知识。例如，你可以解释说，如果一个人观察黄道星座，使它们的“上方”指向北方，那么他们会看到双子座，比如说，在金牛座的左边，巨蟹座的右边。（在天球上，黄道星座是太阳在地球每年公转期间在天空中的视路径上穿过的星座。）
但是星座只是星星的纯粹人为的组合，而且实际上它们的组合方式是受文化影响的。此外，我们有多少人能认出它们呢？在黑暗无月的夜空中，如果我幸运的话，也许能认出北斗七星、猎户座，再多认出几个。
即使你的朋友从未学过任何关于星座的知识——或者他们从未见过任何星座，因为他们一生都住在洛杉矶或纽约——你仍然可以使用天文参考来解释左和右。也许最简单的方法是告诉他们，如果他们面向北方，“右”是太阳升起的地方，“左”是太阳落下的地方。
当然，你首先要解释“北方”这个词。但这很容易解释——至少如果你住在北半球——因为北极星是唯一一颗在地球自转期间几乎不动恒星。（没有南极星。）在下面的长曝光照片中，当地球自转时，星星在安纳普尔纳山脉上空（喜马拉雅山脉）形成条纹，北极星是中间的小点。
另一种介绍“左”和“右”概念的方法可能是借助人体解剖学。你可以指出，“左”是心脏所在的一侧，而肝脏在右侧——然后你不得不希望你的对话者不是那些罕见的人之一，他们的整个身体都反转了，心脏在右边，肝脏在左边等等。
或者，你可以采取生物化学的方法。让你的朋友学习如何纯化和结晶DNA并分析其结构。通常，DNA的双螺旋结构是以这样一种方式扭曲的，它看起来像一个从左到右向上延伸的螺旋楼梯：想想正斜杠“/”。这就是人们所说的右旋螺丝。另一方面，左旋螺丝就像一个向下延伸的螺旋楼梯，就像反斜杠“\”。（你还需要确保你的朋友正确地进行实验，这样他们的DNA就不会以错误的方式卷曲，形成所谓的Z-DNA构象，而不是通常的构象，称为B-DNA。然而，这两种构象对于结构生物学家来说看起来非常不同。）
也许你开始明白我的意思了。为了沟通甚至建立左和右的概念，你必须诉诸一些共同的经验，一些有形的物体或现象。或者，正如物理学家可能会说的那样，你必须对这个概念进行操作性定义。如果没有这个，就没有先验的方法来确定自己的方向。顺便说一句，这反映在数学家描述手性的方式中，手性也称为对称破缺或方向，在一个抽象空间中：在几何学中，没有像正数和负数那样的先验的左和右的概念。这纯粹是一种约定俗成。
所以，亲爱的读者，这是我对你的挑战。你将如何通过无线电信号向外星文明传达左和右的概念？
首先，当然，两个文明必须互相探测到对方并破译对方的语言，这可能需要一些来回；而且信息从这里到达他们的恒星系统再返回，需要几十年或几百年，这取决于他们的恒星系统有多远。但假设你们有几个世纪的时间来练习星际交流。
为了增加一些趣味性，让我们反转一下局面——让外星人来教我们左和右——并假设人类的未来危在旦夕。我们已经发现，几十年后太阳将会爆炸，我们物种生存的唯一方法是放弃太阳系。幸运的是，外星人拥有建造某种穿越虫洞的宇宙之门的技术。一艘特制的宇宙飞船可以搭载四男四女，穿越宇宙之门机器，几乎瞬间穿越星系。在那里，这些先驱者可以找到一颗宜居的行星定居。然后他们可以繁衍生息，确保物种的生存。
外星人没有足够的时间向我们发送宇宙之门和虫洞飞船，所以我们需要他们教我们如何建造一个。我们需要他们把蓝图发给我们。因此，他们开始以三维技术图纸的形式向我们发射信息，编码为一组空间中的三维坐标。
但这里有个问题。为了正常工作，虫洞旅行依赖于外星人在银河系周围放置的宇宙之门机器网络。所有这些机器的建造方式都使得飞船必须以螺旋运动穿过它们。这种运动必须像我们在地球上所说的右旋螺丝一样。任何试图以左旋运动穿过大门的尝试都将导致大门机器、飞船以及其中所有东西的解体。
你看，我们可以从坐标中重建一个详细的三维图纸——他们发给我们的所有x、y和z。我们地球人有一个约定，即设置坐标的方式是，如果你站在正z方向并向下看xy平面，则正-x轴将在正-y轴的右侧。但我们无法知道这是否是外星人使用的相同约定。因此，我们无法知道我们建造的模型及其螺旋运动是正确的还是它们的镜像。
外星人的语言确实包含“左”和“右”以及“左旋螺丝”和“右旋螺丝”的词语。但在我们与他们的所有交流中，我们始终无法弄清楚哪个是哪个。我们需要他们向我们解释他们的哪个词对应于我们的“左”字，哪个对应于我们的“右”字。为了做到这一点，他们需要诉诸一些共同的参考点或现象。我将挑战重新表述如下：
外星文明如何通过无线电信号指示我们如何建造一艘以右旋方式飞行的宇宙飞船？
我至少可以想到几个解决这个问题的“简单”方法，其中一个是我朋友David Harris向我建议的。我将在后续的文章中描述这些解决方案，但与此同时，我很好奇想看看ScientificAmerican.com的读者——他们都是一群聪明人——会提出什么。记住，你必须拯救人类！
稍后，我会“作弊”，我会稍微修改一下问题，使其更难，也更有趣。到那时，一些相当深刻的物理概念应该会发挥作用。
阅读此帖子的后续文章：银河挑战，第二部分：理查德·费曼档案
这篇文章是关于手性系列文章的一部分。以下是该系列的所有文章：
建议阅读
新的左右对称的宇宙：从镜像反射到超弦的对称与不对称：第三版修订版。作者：马丁·加德纳？ 2005年。
宇宙的手性。罗杰·A·赫格斯特罗姆和迪利普·K·孔德普迪，《大众科学》，第262卷，第108-115页；1990年1月。
外星人披萨，有人要吗？在其他世界，生物化学可能会有不同的发展方向。《科学新闻》，第172卷，第7期，第107页起；2007年8月18日，作者：Davide Castelvecchi。