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

Экземпляр единственный Экземпляр единственный

Потери авиации на советско-германском фронте в июне — июле 1941 года

Дилетант
Разделяй и властвуй Разделяй и властвуй

Не важно, какого размера квартира, — для комфорта ее надо разделить на зоны

AD
«Проснулась и поняла, что ничего не вижу»: как я живу с редкой болезнью «Проснулась и поняла, что ничего не вижу»: как я живу с редкой болезнью

Как живет женщина, которой диагностирован оптиконевромиелит

Psychologies
Тасманийские дьяволы начали размножаться после возвращения на материковую Австралию Тасманийские дьяволы начали размножаться после возвращения на материковую Австралию

Впервые за три тысячи лет тасманийские дьяволы начали размножаться в Австралии

N+1
Диета доктора Борменталя: никаких запретов! Диета доктора Борменталя: никаких запретов!

Диета, которая на сегодняшний день считается одной из самых эффективных

Лиза
30 до 30. Наука и технологии 30 до 30. Наука и технологии

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Наука и технологии

Forbes
Грубый охранник, просрочка, обман: как избежать проблем в косметическом магазине Грубый охранник, просрочка, обман: как избежать проблем в косметическом магазине

Законные способы избежать распространенных проблем в косметическом магазине

Cosmopolitan
От писсуаров с играми до кубических арбузов: 11 поразительных фактов о Японии От писсуаров с играми до кубических арбузов: 11 поразительных фактов о Японии

Факты, которые показывают, насколько Япония не похожа на другие страны

Playboy
5 вещей, которые в жизни выглядят совсем не так, как в фильмах 5 вещей, которые в жизни выглядят совсем не так, как в фильмах

Что еще в фильме «не по-настоящему»

Maxim
С пьедестала на нары. Знаменитые спортсмены, сидевшие в тюрьме С пьедестала на нары. Знаменитые спортсмены, сидевшие в тюрьме

Когда забить — это не про гол, а сесть — не про скамейку запасных

Maxim
30 до 30. Социальные практики 30 до 30. Социальные практики

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Социальные практики

Forbes
И кто здесь гипотенуза? 10 шикарных фильмов о любовных треугольниках И кто здесь гипотенуза? 10 шикарных фильмов о любовных треугольниках

Лучшие фильмы о любовных треугольниках

Cosmopolitan
«Мы лидеры по качеству звука, но по-прежнему теряем позиции на рынке»: с чего начинала и к чему пришла Sennheiser «Мы лидеры по качеству звука, но по-прежнему теряем позиции на рынке»: с чего начинала и к чему пришла Sennheiser

Sennheiser пришлось бороться с Beats, Sony и Apple в сфере качества звука

VC.RU
Агнец и виноград Агнец и виноград

Мясо и вино соединились в традиционном праздничном блюде – чакапули

Вокруг света
Запасной выход Запасной выход

Озера – идеальное место отдыха с шезлонгами и красивыми пейзажами

Добрые советы
Растерянный метод Растерянный метод

Выставка «Соцреализм. Метаморфозы» и ускользании соцреализма

Weekend
Против Смуты Против Смуты

Жители Нижнего Новгорода во главе с Кузьмой Мининым против поляков

Дилетант
Семейный бизнес: как старейшая итальянская марка развивает тренд на экологичность в России Семейный бизнес: как старейшая итальянская марка развивает тренд на экологичность в России

Генеральный директор Boggi Milano — о том, как бренд открыл 10 бутиков в России

Forbes
Химия, генетика, дендрология: как работают современные археологи Химия, генетика, дендрология: как работают современные археологи

Современная археология использует многочисленные достижения науки и техники

Популярная механика
Большой Ангкор подтвердил статус одного из самых густонаселенных городов доиндустриальной эпохи Большой Ангкор подтвердил статус одного из самых густонаселенных городов доиндустриальной эпохи

На пике своего развития Большой Ангкор населяло около 700–900 тысяч человек

N+1
Майкл Джексон и его легендарный красный пиджак для клипа Thriller Майкл Джексон и его легендарный красный пиджак для клипа Thriller

Рассказываем о культовом образе поп-короля, который стал хеллоуинской классикой

GQ
12 наиболее самых лучших эпизодов «Южного Парка» 12 наиболее самых лучших эпизодов «Южного Парка»

Что именно стоит посмотреть из «Южного Парка»?

Maxim
Кухня цвета Кухня цвета

Мартин Штайн изобрел уникальную систему питания Waldhotel Colour Cuisine

Bones
«Хочу дорасти до миллиарда»: почему бизнес-сообщества больше не актуальны «Хочу дорасти до миллиарда»: почему бизнес-сообщества больше не актуальны

Почему никто больше не хочет заниматься «нетворкингом впрок»

Forbes
«Недооценил белорусские спецслужбы»: чем известен экс-главред Nexta Роман Протасевич «Недооценил белорусские спецслужбы»: чем известен экс-главред Nexta Роман Протасевич

Друзья Романа Протасевича — о его увлечениях, карьере и отношении к протестам

Forbes
Привет из зазеркалья: есть ли в космосе антизвезды Привет из зазеркалья: есть ли в космосе антизвезды

Астрономы назвали 14 объектов, которые могут оказаться антизвездами

Forbes
Голову одной жены Франциска I заменили на голову другой в часослове XV века Голову одной жены Франциска I заменили на голову другой в часослове XV века

Подмену в средневековой миниатюре обнаружили на инфракрасной фотографии

N+1
Вопрос доверия Вопрос доверия

Что нужно, чтобы ребенок превратился в полноценного взрослого человека

СНОБ
6 ошибок, которые не совершают финансово грамотные люди 6 ошибок, которые не совершают финансово грамотные люди

Необдуманные шаги, которые не в правилах финансово грамотных людей?

Psychologies
4 книги, которые заставят посмотреть на историю России по-новому 4 книги, которые заставят посмотреть на историю России по-новому

Книги, которые проливают свет на темные пятна в истории России

Популярная механика
Открыть в приложении