Менделееву и не снилось: что может сделать фотонный кристалл с энергией ионизации атома
Вы можете многое сказать про свойства любого химического элемента, просто взглянув на то, в каком месте таблицы Менделеева он расположен: чем левее и ниже элемент, тем (в большинстве случаев) проще у него отобрать электрон, тем больше радиус его атома и тому подобное. Только что в журнале Physics Letters A вышла статья, авторы которой выяснили, что если поместить атом в пустоту между слоями одномерного фотонного кристалла с высоким показателем преломления, то как минимум одним из таких периодических свойств — энергией ионизации — можно управлять. Особенность работы в том, что она опирается на эффект изменения электромагнитной массы электрона, про которую физики не вспоминали уже очень много лет. Один из авторов статьи, Марат Хамадеев, доцент кафедры оптики и нанофотоники Казанского университета и постоянный автор N + 1, рассказывает, какие последствия может иметь для физики и химии его работа.
Бывает так, что, проводя исследования в некоей, уже хорошо разработанной области науки, ученые находят нечто новое, что ускользнуло от взгляда их предшественников. В этом случае важно не только доказать достоверность своей работы, но и попытаться объяснить научному сообществу объективные причины, почему это новое не было обнаружено раньше. Чем ценнее находка, и чем больше людей работало в данной области, тем убедительнее должны быть ваши аргументы.
Именно в такой ситуации оказались мы с коллегами, когда наши расчеты показали, что если поместить свободный электрон в пустоты фотонного кристалла, его электромагнитная масса поменяется. И если это так, то это может иметь большие последствия как для фундаментальной физики, так и для прикладных областей, особенно химии. Одной из проблем, однако, стало то, что фотонные кристаллы активно изучались с 90-х годов большим количеством групп, как теоретически, так и экспериментально, и все они прошли мимо этого эффекта. Как же это стало возможным?
Заметание мусора под ковер
Начать этот рассказ стоит с понятия электромагнитной массы, которое восходит еще к эпохе зарождения квантовой электродинамики (КЭД) — науке о квантовом описании электромагнитного взаимодействия. В то время физики поняли, что вакуум — это не просто пустое «ничего». Это скорее что-то, что содержит все сразу, но только на короткий промежуток времени. Эта концепция выразилась в понятии квантовых флуктуаций вакуума, то есть процессов рождения и последующего уничтожения виртуальных частиц разных сортов и свойств.
Наличие перманентных флуктуаций означало, что все реальные частицы тоже должны рождать и тут же поглощать частицы-переносчиков взаимодействий, в которых они могут участвовать. В частности, свободный электрон должен постоянно излучать и поглощать виртуальные фотоны всех энергий и поляризаций сразу, приобретая за счет этого массу. Вклад в массу от процессов взаимодействия с вакуумом (или самодействия) был назван электромагнитной массой. Он добавляется к «голой» массе и формирует реально наблюдаемую массу. Во всяком случае так рассуждали физики первой половины XX века, не так давно познакомившись с принципом эквивалентности массы и энергии.
Проблема только в том, что оценить этот вклад в массу частиц теоретики не могли: согласно формулам, электромагнитная масса выходила бесконечной. Проблема бесконечной собственной энергии электрона довольно стара — она возникла еще в классической электродинамике точечного заряда. В квантовой электродинамике она снова всплывает, только не в контексте точечности электрона, а точечности его взаимодействия с фотонами. Физики пытались «размазывать» такое взаимодействие по некоторой области пространства и строить таким образом нелокальную теорию, но такой подход не стыковался с другими хорошо зарекомендовавшими себя принципами, например, причинностью или лоренц-инвариантностью.
Тогда физики придумали процедуру перенормировки массы, которая заключалась в игнорировании электромагнитной массы и замене во всех остальных формулах «голой» массы частицы на массу наблюдаемую. Это сработало: физики смогли очень точно посчитать и сравнить с экспериментом множество процессов, среди которых взаимодействие с вакуумом уже связанного с атомным ядром электрона. Последнее приводит к поправкам к энергетическим уровням атомов и носит название лэмбовского сдвига. Подробнее о том, как проводилась перенормировка массы и что такое лэмбовский сдвиг, можно прочитать в материалах «Масса эффектов» и «Щель в доспехах».
Из-за того, что вычислить массу электрона из первых принципов мешает бесконечность, единственный источник информации о ней — эксперименты. Измерить ее можно различными способами, причем довольно точно. Существует даже специальная международная организация, которая называется Комитет по данным для науки и техники. Одна из ее функций — это сбор и систематизация данных об измерении констант различными группами и выработка неких единых стандартов. Комитет регулярно выпускает обновления констант, на которые опираются ученые в свежих исследованиях.