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

Хотят охватить всех игроков в России и открыть игровой магазин: глава «СберИгр» рассказала о планах на геймеров и студии Хотят охватить всех игроков в России и открыть игровой магазин: глава «СберИгр» рассказала о планах на геймеров и студии

Разговор с Алисой Чумаченко о новом бизнес-направлении «Сбера»

VC.RU
Прорыв в никуда. Тест-драйв уникальной «Волги» Прорыв в никуда. Тест-драйв уникальной «Волги»

Рассказываем драматичную историю ГАЗ-3105

РБК
От провинциалки до звезды красных дорожек: бьюти-эволюция Виктории Бони От провинциалки до звезды красных дорожек: бьюти-эволюция Виктории Бони

Посмотрим, как Виктория изменилась за последние 15 лет!

Cosmopolitan
Что делать, если машину повредили на мойке. Инструкция и советы Что делать, если машину повредили на мойке. Инструкция и советы

Кто ответит за повреждения, которые обнаружились на автомобиле после мойки?

РБК
Исследование: для современных людей смартфон заменил дом Исследование: для современных людей смартфон заменил дом

Человек чувствует себя беззащитным, если случайно забудет или потеряет смартфон

Inc.
Идеальная мишень. Почему мы любим ненавидеть Чулпан Хаматову Идеальная мишень. Почему мы любим ненавидеть Чулпан Хаматову

Критиковать Чулпан Хаматову всем и по любому поводу стало общим местом

СНОБ
Боул и поке – кулинарный тренд Боул и поке – кулинарный тренд

Что делать, если обычные салаты набили оскомину

Здоровье
Глава из «Нью-Йорк вне себя» Рема Колхаса — одной из главных книг об архитектуре и устройстве города Глава из «Нью-Йорк вне себя» Рема Колхаса — одной из главных книг об архитектуре и устройстве города

Отрывок из книги Рема Колхаса по архитектуре и урбанистике современности

Esquire
Можно ли победить тревогу с помощью восточных практик? Можно ли победить тревогу с помощью восточных практик?

Помогают ли восточные практики в борьбе с тревожностью

Psychologies
Фрагмент книги Ксении Суриковой «Музей. Архитектурная история» про связь архитектуры с культурой и развитием общества Фрагмент книги Ксении Суриковой «Музей. Архитектурная история» про связь архитектуры с культурой и развитием общества

Отрывок из книги Ксении Суриковой о том, как архитектура следовала за культурой

Esquire
Смартфон и психическое здоровье: что расскажет история пользования Смартфон и психическое здоровье: что расскажет история пользования

Как смартфоны могут помочь определить проблемы с психикой

Psychologies
Красота по-итальянски: бьюти-эволюция Моники Беллуччи Красота по-итальянски: бьюти-эволюция Моники Беллуччи

Моника Беллуччи - истинное воплощение итальянского стиля и красоты

Cosmopolitan
Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача) Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача)

Почему женщины рожают дома и кто из селебрити предпочел естественные роды?

Cosmopolitan
Пранк вышел из-под контроля. Как защититься от потенциально опасных блогеров Пранк вышел из-под контроля. Как защититься от потенциально опасных блогеров

Как с точки зрения закона классифицируются действия блогеров?

СНОБ
17 удивительных фактов о Volkswagen в день рождения фирмы 17 удивительных фактов о Volkswagen в день рождения фирмы

А что ты не знаешь про «народный автомобиль»?

Maxim
Никаких советов! О чем нельзя говорить беременным и молодым мамам Никаких советов! О чем нельзя говорить беременным и молодым мамам

Что не стоит говорить маме, чтобы не нарваться на грубость

Cosmopolitan
Снялась топлес и «засветила» трусики на сцене: пикантные видео с Верой Брежневой Снялась топлес и «засветила» трусики на сцене: пикантные видео с Верой Брежневой

Вера Брежнева является одной из самых сексуальных женщин российского шоу-бизнеса

Cosmopolitan
Рыба и мясо Рыба и мясо

Эклектичная концепция кухни с упором на рыбные и мясные блюда

SALON-Interior
Охотники с кенийского побережья оказались древнейшими владельцами скота Охотники с кенийского побережья оказались древнейшими владельцами скота

Первые козы появились в результате обмена около 1180–960 годов до нашей эры

N+1
Почему ваш смартфон заряжается так долго: 8 самых популярных причин Почему ваш смартфон заряжается так долго: 8 самых популярных причин

Причин, которые могут повлиять на длительность зарядки смартфона

CHIP
«Люди стали очень хрупкими»: как Лиза Таддео написала книгу о реальных историях насилия «Люди стали очень хрупкими»: как Лиза Таддео написала книгу о реальных историях насилия

Лиза Таддео — о гендерном восприятии историй о насилии и движении #MeToo

Forbes
Моби: почему некогда главный музыкальный бунтарь предпочел затихнуть Моби: почему некогда главный музыкальный бунтарь предпочел затихнуть

В какой момент Моби свернул "не туда"

Esquire
Классная любовь: звезды, которые познакомились в школе, а потом поженились Классная любовь: звезды, которые познакомились в школе, а потом поженились

Эд Ширан, Снуп Догг и другие звезды, встретившие свою любовь в школе

Cosmopolitan
Папа, мама, детский сад Папа, мама, детский сад

Готов ли ваш малыш к детскому саду?

Здоровье
Огород на подоконнике: почему он вам нужен и как завести собственный Огород на подоконнике: почему он вам нужен и как завести собственный

Почему домашнее огородничество отличное занятие и как к нему подступиться?

Esquire
Глава из романа Татьяны Замировской «Смерти.net» Глава из романа Татьяны Замировской «Смерти.net»

Глава из романа «Смерти.net» — каким будет мир, состоящий из памяти о мире

СНОБ
10 звезд, которые ненавидят ходить на каблуках 10 звезд, которые ненавидят ходить на каблуках

Звездные модницы, которые не надевают каблуки даже на красную дорожку

Cosmopolitan
Резервы ФСИН: почему труд заключенных не поможет решить проблему нехватки кадров Резервы ФСИН: почему труд заключенных не поможет решить проблему нехватки кадров

Труд заключенных не слишком нужен бизнесу

Forbes
Непоколебимые устои: как развивается мода с приставкой sustainable Непоколебимые устои: как развивается мода с приставкой sustainable

Какие проблемы решает устойчивое развитие

Forbes
Ложный след: почему ужесточение оборота оружия не поможет предотвратить трагедии в школах Ложный след: почему ужесточение оборота оружия не поможет предотвратить трагедии в школах

Ужесточение оборота оружия не повлияет на уровень насилия в школах

Forbes
Открыть в приложении