本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
手性的概念——比如左和右，或者順時針和逆時針——表面上看起來很簡單。實際上，我認為它是科學和數學中最微妙的概念之一。在這篇文章中，我將提出一個挑戰，希望能夠引起讀者的興趣。
這不是一個測試或測驗：我自己還沒有完全想出一個解決方案。相反，這只是我希望能夠引發一場有趣討論的開場白。在後續的文章中，我計劃採訪一些物理學家，看看他們的看法。但首先，讓我們進行一些初步探討。
想象一下，你必須向一個從未聽說過“左”和“右”這兩個詞的人解釋它們的含義。而且，想象一下，你必須完全用口頭方式來做，也就是說，不畫圖，不指東西，也不做其他手勢。
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經過一番思考，你可能會首先從一些共同的經驗入手。例如，對於一個美國人，你可以說，如果他們從紐約市開車橫跨美國到舊金山，他們的右側將是加拿大，而左側將是墨西哥。
但是，如果有人告訴你不要假設這個人來自哪裡，或者他們對地理瞭解多少呢？你可以寄希望於他們瞭解一些關於星星的知識。例如，你可以解釋說，如果一個人觀察黃道星座，使它們的“上方”指向北方，那麼他們會看到雙子座，比如說，在金牛座的左邊，巨蟹座的右邊。（在天球上，黃道星座是太陽在地球每年公轉期間在天空中的視路徑上穿過的星座。）
但是星座只是星星的純粹人為的組合，而且實際上它們的組合方式是受文化影響的。此外，我們有多少人能認出它們呢？在黑暗無月的夜空中，如果我幸運的話，也許能認出北斗七星、獵戶座，再多認出幾個。
即使你的朋友從未學過任何關於星座的知識——或者他們從未見過任何星座，因為他們一生都住在洛杉磯或紐約——你仍然可以使用天文參考來解釋左和右。也許最簡單的方法是告訴他們，如果他們面向北方，“右”是太陽昇起的地方，“左”是太陽落下的地方。
當然，你首先要解釋“北方”這個詞。但這很容易解釋——至少如果你住在北半球——因為北極星是唯一一顆在地球自轉期間幾乎不動恆星。（沒有南極星。）在下面的長曝光照片中，當地球自轉時，星星在安納普爾納山脈上空（喜馬拉雅山脈）形成條紋，北極星是中間的小點。
另一種介紹“左”和“右”概念的方法可能是藉助人體解剖學。你可以指出，“左”是心臟所在的一側，而肝臟在右側——然後你不得不希望你的對話者不是那些罕見的人之一，他們的整個身體都反轉了，心臟在右邊，肝臟在左邊等等。
或者，你可以採取生物化學的方法。讓你的朋友學習如何純化和結晶DNA並分析其結構。通常，DNA的雙螺旋結構是以這樣一種方式扭曲的，它看起來像一個從左到右向上延伸的螺旋樓梯：想想正斜槓“/”。這就是人們所說的右旋螺絲。另一方面，左旋螺絲就像一個向下延伸的螺旋樓梯，就像反斜槓“\”。（你還需要確保你的朋友正確地進行實驗，這樣他們的DNA就不會以錯誤的方式捲曲，形成所謂的Z-DNA構象，而不是通常的構象，稱為B-DNA。然而，這兩種構象對於結構生物學家來說看起來非常不同。）
也許你開始明白我的意思了。為了溝通甚至建立左和右的概念，你必須訴諸一些共同的經驗，一些有形的物體或現象。或者，正如物理學家可能會說的那樣，你必須對這個概念進行操作性定義。如果沒有這個，就沒有先驗的方法來確定自己的方向。順便說一句，這反映在數學家描述手性的方式中，手性也稱為對稱破缺或方向，在一個抽象空間中：在幾何學中，沒有像正數和負數那樣的先驗的左和右的概念。這純粹是一種約定俗成。
所以，親愛的讀者，這是我對你的挑戰。你將如何透過無線電訊號向外星文明傳達左和右的概念？
首先，當然，兩個文明必須互相探測到對方並破譯對方的語言，這可能需要一些來回；而且資訊從這裡到達他們的恆星系統再返回，需要幾十年或幾百年，這取決於他們的恆星系統有多遠。但假設你們有幾個世紀的時間來練習星際交流。
為了增加一些趣味性，讓我們反轉一下局面——讓外星人來教我們左和右——並假設人類的未來危在旦夕。我們已經發現，幾十年後太陽將會爆炸，我們物種生存的唯一方法是放棄太陽系。幸運的是，外星人擁有建造某種穿越蟲洞的宇宙之門的技術。一艘特製的宇宙飛船可以搭載四男四女，穿越宇宙之門機器，幾乎瞬間穿越星系。在那裡，這些先驅者可以找到一顆宜居的行星定居。然後他們可以繁衍生息，確保物種的生存。
外星人沒有足夠的時間向我們傳送宇宙之門和蟲洞飛船，所以我們需要他們教我們如何建造一個。我們需要他們把藍圖發給我們。因此，他們開始以三維技術圖紙的形式向我們發射資訊，編碼為一組空間中的三維座標。
但這裡有個問題。為了正常工作，蟲洞旅行依賴於外星人在銀河系周圍放置的宇宙之門機器網路。所有這些機器的建造方式都使得飛船必須以螺旋運動穿過它們。這種運動必須像我們在地球上所說的右旋螺絲一樣。任何試圖以左旋運動穿過大門的嘗試都將導致大門機器、飛船以及其中所有東西的解體。
你看，我們可以從座標中重建一個詳細的三維圖紙——他們發給我們的所有x、y和z。我們地球人有一個約定，即設定座標的方式是，如果你站在正z方向並向下看xy平面，則正-x軸將在正-y軸的右側。但我們無法知道這是否是外星人使用的相同約定。因此，我們無法知道我們建造的模型及其螺旋運動是正確的還是它們的映象。
外星人的語言確實包含“左”和“右”以及“左旋螺絲”和“右旋螺絲”的詞語。但在我們與他們的所有交流中，我們始終無法弄清楚哪個是哪個。我們需要他們向我們解釋他們的哪個詞對應於我們的“左”字，哪個對應於我們的“右”字。為了做到這一點，他們需要訴諸一些共同的參考點或現象。我將挑戰重新表述如下：
外星文明如何透過無線電訊號指示我們如何建造一艘以右旋方式飛行的宇宙飛船？
我至少可以想到幾個解決這個問題的“簡單”方法，其中一個是我朋友David Harris向我建議的。我將在後續的文章中描述這些解決方案，但與此同時，我很好奇想看看ScientificAmerican.com的讀者——他們都是一群聰明人——會提出什麼。記住，你必須拯救人類！
稍後，我會“作弊”，我會稍微修改一下問題，使其更難，也更有趣。到那時，一些相當深刻的物理概念應該會發揮作用。
閱讀此帖子的後續文章：銀河挑戰，第二部分：理查德·費曼檔案
這篇文章是關於手性系列文章的一部分。以下是該系列的所有文章：
建議閱讀
新的左右對稱的宇宙：從映象反射到超弦的對稱與不對稱：第三版修訂版。作者：馬丁·加德納？ 2005年。
宇宙的手性。羅傑·A·赫格斯特羅姆和迪利普·K·孔德普迪，《大眾科學》，第262卷，第108-115頁；1990年1月。
外星人披薩，有人要嗎？在其他世界，生物化學可能會有不同的發展方向。《科學新聞》，第172卷，第7期，第107頁起；2007年8月18日，作者：Davide Castelvecchi。