Ученые выяснили, как можно управлять энергией ионизации

N+1Наука

Менделееву и не снилось: что может сделать фотонный кристалл с энергией ионизации атома

Марат Хамадеев, физик-теоретик

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.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Гуантанамо Гуантанамо

Гуантанамо — тюрьма США на Кубе для иностранцев, обвиняемых в терроризме

Дилетант
Сколько зарабатывают ведущие, участники и «выпускники» реалити-шоу «Дом-2» Сколько зарабатывают ведущие, участники и «выпускники» реалити-шоу «Дом-2»

Как зарабатывают участники реалити-шоу «Дом-2»

Cosmopolitan
Негромкие песни Севера Негромкие песни Севера

Квартира, сочетающая в себе природные мотивы и эстетику функционализма

Идеи Вашего Дома
Ford представил электрический пикап с «безручным» автопилотом Ford представил электрический пикап с «безручным» автопилотом

Электрический пикап F-150 Lightning проезжает 500 километров на одном заряде

N+1
Древним австралийцами разрешили приходить в Сахул с севера и юга Древним австралийцами разрешили приходить в Сахул с севера и юга

С какой скоростью и какими путями заселялся древний материк Сахул

N+1
«Разнообразие в командах важно — иначе вы не выживете на борту»: как Роуз Дамен управляет строительством мегаяхт «Разнообразие в командах важно — иначе вы не выживете на борту»: как Роуз Дамен управляет строительством мегаяхт

Роуз Дамен руководит яхтенным подразделением судостроительного гиганта Damen

Forbes
MONA SONGZ MONA SONGZ

MONA SONGZ рассказал, как Меладзе отреагировал на его кавер

ЖАРА Magazine
Школа дружбы: 8 пар знаменитых девушек, которые знакомы еще со времен учебы Школа дружбы: 8 пар знаменитых девушек, которые знакомы еще со времен учебы

Эти звездные девушки через многое прошли и пронесли свою дружбу сквозь годы

Cosmopolitan
Три источника, пять маршрутов Три источника, пять маршрутов

По каким маршрутам осуществлялись поставки в СССР по ленд-лизу

Дилетант
Страшно интересно Страшно интересно

В фильмах ужасов происходит мало веселого, но они нам нравятся. Почему?

Psychologies
Влияние потребителей на устойчивое развитие компаний: тактический маркетинг или стратегическое планирование Влияние потребителей на устойчивое развитие компаний: тактический маркетинг или стратегическое планирование

Драйверами устойчивого развития в мире сегодня являются частные компании

Forbes
Ну пустой желудок Ну пустой желудок

Возможно ли 10 дней продержаться на жидкой диете?

Robb Report
«Выходила, песню заводила…»: правда и вымысел о знаменитой «Катюше» «Выходила, песню заводила…»: правда и вымысел о знаменитой «Катюше»

Если «Катюша» такая крутая, то почему не выиграла войну еще в 1941-м?

Maxim
Давай завтра: все о природе лени и том, как с ней бороться Давай завтра: все о природе лени и том, как с ней бороться

С чем именно связана лень? Почему она нас раздражает в других?

Популярная механика
Фантастические фотографии Юпитера в трех диапазонах световых волн Фантастические фотографии Юпитера в трех диапазонах световых волн

NOIRLab опубликовала потрясающие фотографии планеты-гиганта

Популярная механика
«Ужасный способ погибнуть»: ученые рассказали о рисках полета людей на Марс «Ужасный способ погибнуть»: ученые рассказали о рисках полета людей на Марс

Отправка людей на Марс может стать самой рискованной миссией в истории

Forbes
Когда весна не в радость: как победить аллергический ринит Когда весна не в радость: как победить аллергический ринит

Как отличить аллергию от простуды и как бороться с аллергическим ринитом

РБК
Трагические судьбы звезд сериала «Участок»: Краско, Галкина, Булдакова и других Трагические судьбы звезд сериала «Участок»: Краско, Галкина, Булдакова и других

Сериал «Участок» сразу полюбился отечественному зрителю

Cosmopolitan
Я тебя копчу Я тебя копчу

Почему мы начали коптить овощи?

Bones
Танцы со стрепетом Танцы со стрепетом

Весной стрепет — бесспорный символ ковыльной степи

Наука и жизнь
Синий мед, пчелиный McDonald’s и еще 6 удивительных фактов о пчелах Синий мед, пчелиный McDonald’s и еще 6 удивительных фактов о пчелах

Пчелы не только опыляют растения и дают мед. Их жизни гораздо более интересны

Популярная механика
Как умный дом помогает удаленной работе Как умный дом помогает удаленной работе

Умный дом может не только помочь отдохнуть, но и повысить продуктивность

Популярная механика
Монстры под кроватью Монстры под кроватью

Как детские страхи управляют нашей жизнью

Лиза
Выжить в Америке: как современные кочевники работают в обмен на бесплатное жилье Выжить в Америке: как современные кочевники работают в обмен на бесплатное жилье

Отрывок из книги Джессики Брудер «Земля кочевников»

Forbes
Плейстоценовый ледник сточил Скандинавское нагорье Плейстоценовый ледник сточил Скандинавское нагорье

Скандинавский ледниковый щит сточил 117-194 метра нагорья

N+1
Из знойной «перчинки» в королеву стиля: яркие преображения Виктории Бекхэм Из знойной «перчинки» в королеву стиля: яркие преображения Виктории Бекхэм

Виктория Бекхэм демонстрирует образы, в которых собраны самые свежие тренды

Cosmopolitan
Как в воду глядеть… Как в воду глядеть…

Стиль этой квартиры — смесь современного и скандинавского направлений

Идеи Вашего Дома
Даосская «суперсила» Дэ: создаем гармонию внутри и снаружи Даосская «суперсила» Дэ: создаем гармонию внутри и снаружи

Какие практики помогают приблизиться к состоянию гармонии

Psychologies
Как изменились звезды телесаги «Две судьбы»: Семёнова, Вольская и другие Как изменились звезды телесаги «Две судьбы»: Семёнова, Вольская и другие

Российская мелодрама, которая стала нашим ответом латиноамериканским сериалам

Cosmopolitan
Царь горы Царь горы

Чем для светской общины Николиной Горы был погибший Александр Липницкий

Tatler
Открыть в приложении