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

Петр Авен и его каталоги Петр Авен и его каталоги

Интервью банкира и коллекционера

СНОБ
Консервный нож для немцев: 7 фактов о самой страшной советской самоходке Консервный нож для немцев: 7 фактов о самой страшной советской самоходке

Боевой путь ИСУ-152 — от Берлина до Чернобыля

Maxim
Хозяйки кино: женщины-продюсеры, которые меняют российскую киноиндустрию Хозяйки кино: женщины-продюсеры, которые меняют российскую киноиндустрию

Рассказываем о женщинах, которые строят российское кино

Forbes
Все просто: сценарий идеального свидания Все просто: сценарий идеального свидания

4 совета о том, как покорить девушку за один вечер

Maxim
Грязи не боимся: топ-8 достойных стиральных машин на 4, 5 и 6 кг Грязи не боимся: топ-8 достойных стиральных машин на 4, 5 и 6 кг

Стиральная машина для дома может быть качественной, функциональной и недорогой

CHIP
Любовник в шкафу и подруга под кроватью: странные истории измен Любовник в шкафу и подруга под кроватью: странные истории измен

Истории об измене выглядят в реальности гораздо страшнее, чем в анекдотах

Psychologies
Девушки созрели! Пикантные фото дочерей Литвиновой, Климовой и других актрис Девушки созрели! Пикантные фото дочерей Литвиновой, Климовой и других актрис

Популярные российские актрисы стали мамами прекрасных дочерей

Cosmopolitan
Сверхвысокое разрешение в микроскопии стало возможно без флуоресценции Сверхвысокое разрешение в микроскопии стало возможно без флуоресценции

Удалось получить изображение с разрешением, превосходящим дифракционный предел

N+1
Эхо казанской трагедии: в России необходимо деанонимизировать интернет Эхо казанской трагедии: в России необходимо деанонимизировать интернет

Как и кому необходимо контролировать анонимность в российском интернете

СНОБ
Стресс и ПМС Стресс и ПМС

Как эмоциональные встряски влияют на женское здоровье?

Лиза
Жванецкий, Ерофеев и Петров-Водкин. 20 аудиокниг для дачников, путешественников и тех, кто на майские останется дома Жванецкий, Ерофеев и Петров-Водкин. 20 аудиокниг для дачников, путешественников и тех, кто на майские останется дома

Аудиокниги для путешественников, домоседов и тех, кому нравится работать

СНОБ
Доказано, что люди отравляли океан микропластиком даже полвека назад Доказано, что люди отравляли океан микропластиком даже полвека назад

Пластиковый мусор разлагается на микрочастицы в океане еще с 1950-х

Популярная механика
Смерть после помолвки и истерика перед свадьбой: личные драмы Кейт Миддлтон Смерть после помолвки и истерика перед свадьбой: личные драмы Кейт Миддлтон

Герцогиня Кембриджская столкнулась с несколькими тяжелыми моментами

Cosmopolitan
Боль в животе и высокий сахар: признаки опасного рака, которые нельзя пропустить Боль в животе и высокий сахар: признаки опасного рака, которые нельзя пропустить

Симптомы рака поджелудочной железы

Cosmopolitan
Индейцы пуэбло невольно увеличили разнообразие растений в Юте Индейцы пуэбло невольно увеличили разнообразие растений в Юте

Американские археологи обнаружили 117 различных таксонов растений на 25 стоянках

N+1
Принц и бунтарка из народа: история любви короля Испании и его супруги Летиции Принц и бунтарка из народа: история любви короля Испании и его супруги Летиции

Не только британская королевская семья пользуется популярностью во всем мире

Cosmopolitan
«Нужно стремиться к радикальным прорывам, иначе как достичь результата?» «Нужно стремиться к радикальным прорывам, иначе как достичь результата?»

Высказывания известных предпринимателей о ведении инновационного бизнеса

РБК
Постоянно хочется спать: 15 причин, почему это происходит Постоянно хочется спать: 15 причин, почему это происходит

Сонливость может быть и симптомом многих болезней

РБК
Часики тикают… Часики тикают…

«Когда замуж-то выйдешь? А рожать не пора?»

Лиза
Слушать кино: плей-лист режиссера «Конференции» Ивана И. Твердовского Слушать кино: плей-лист режиссера «Конференции» Ивана И. Твердовского

Подборка любимых треков от режиссера Ивана И. Твердовского

Esquire
Алексей Левин: «Сахар, яйца и мука — наши лучшие друзья!» Алексей Левин: «Сахар, яйца и мука — наши лучшие друзья!»

Шеф-кондитер сети «Сыроварня» — человек правил и знает, как покорить гостя

Bones
Скука и страх. Когда к художнику приходит полиция Скука и страх. Когда к художнику приходит полиция

Культура в России продолжает «сворачиваться» по воле властей

СНОБ
Грудь напоказ: пикантные конфузы Шарлиз Терон, Шэрон Стоун и других звезд Грудь напоказ: пикантные конфузы Шарлиз Терон, Шэрон Стоун и других звезд

Голливудские дивы обладают впечатляющими формами

Cosmopolitan
Финансовая футурология: как инвесторы находят компании будущих побед Финансовая футурология: как инвесторы находят компании будущих побед

Неопределенность на рынках и усложняет выбор регионов для инвестирования

РБК
От зависимости к свободе: как развивается наша личность От зависимости к свободе: как развивается наша личность

Рождаемся мы личностью или становимся?

Psychologies
Исчезающие кондоры облюбовали дом жительницы Калифорнии Исчезающие кондоры облюбовали дом жительницы Калифорнии

Численность калифорнийских кондоров растет благодаря охране

N+1
Ранняя менопауза: почему климакс может наступить до 40 лет Ранняя менопауза: почему климакс может наступить до 40 лет

Что такое преждевременная менопауза и в чем она выражается?

Cosmopolitan
Из грязи в князи: простые напитки, неожиданно ставшие элитными Из грязи в князи: простые напитки, неожиданно ставшие элитными

Как еще вчера приземленное спиртное становилось желаемым и роскошным

Playboy
В Изернии найдена мраморная голова императора Августа В Изернии найдена мраморная голова императора Августа

Уникальная находка может открыть неизвестные страницы в римской истории города

N+1
Как две капли воды: топ-10 звездных мам и их маленьких копий Как две капли воды: топ-10 звездных мам и их маленьких копий

Очаровательные дочки знаменитых мам, которые похожи на них как две капли воды

Cosmopolitan
Открыть в приложении