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

Больше жертв — больше героизма? Больше жертв — больше героизма?

После Второй мировой СССР официально был признан одной из пяти великих держав

Дилетант
2 программы бега для разных целей 2 программы бега для разных целей

Программы для бега, которые помогут похудеть и разнообразить активность

Худеем правильно
Знойные мамочки! Пикантные фото звезд сериала «Содержанки»: Софья Эрнст и другие Знойные мамочки! Пикантные фото звезд сериала «Содержанки»: Софья Эрнст и другие

Актрисы воплотили на экране образы раскрепощенных героинь

Cosmopolitan
Биткоин – все еще валюта будущего? Биткоин – все еще валюта будущего?

Стоит ли доверять биткоину, и что стоит за этой валютой?

Популярная механика
Все возмущаются высокими ценами на отдых в Крыму. Они действительно «космические‎»‎? Все возмущаются высокими ценами на отдых в Крыму. Они действительно «космические‎»‎?

Что можно получить за одни и те же деньги на отдыхе в Крыму и в Турции?

СНОБ
Крем номер один: что нужно знать о солнцезащитных средствах Крем номер один: что нужно знать о солнцезащитных средствах

Солнцезащитные средства — пожалуй, самые недооцененные

РБК
Физики разобрались в метании «блинчиков» Физики разобрались в метании «блинчиков»

Новые исследования для аэрокосмической, морской и военной инженерии

N+1
Возвращение волков в штат Висконсин снизило число ДТП с участием оленей Возвращение волков в штат Висконсин снизило число ДТП с участием оленей

Волки регулируют численность оленей и заставляют их реже выходить на дороги

N+1
Лучшие игры на ПК с открытым миром: топ-5 Лучшие игры на ПК с открытым миром: топ-5

Лучшие игры для компьютера с открытым миром, которые все еще актуальны

CHIP
Лучший трофей Лучший трофей

Загородная резиденция для заядлого охотника

SALON-Interior
Мама Нина и ее 512 снайперов: история Нины Петровой, ушедшей на фронт в 48 лет Мама Нина и ее 512 снайперов: история Нины Петровой, ушедшей на фронт в 48 лет

Каждый шаг Нины Павловны Петровой был подвигом

Cosmopolitan
​Горизонтальные видео, онлайн-магазин в стримах и голосовые сообщения: чем «китайский TikTok» отличается от западного ​Горизонтальные видео, онлайн-магазин в стримах и голосовые сообщения: чем «китайский TikTok» отличается от западного

Чем отличается китайский Douyin от TikTok

VC.RU
Известковые отложения указали на регулярное обслуживание самого большого акведука Известковые отложения указали на регулярное обслуживание самого большого акведука

Акведук из Константинополя поддерживали в рабочем состоянии 700 лет

N+1
Часики тикают… Часики тикают…

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

Лиза
Одним движением глаз Одним движением глаз

Простая, но эффективная техника, которая поможет отпустить прошлое

Лиза
Залика Рид-Бента: Жареный плантан Залика Рид-Бента: Жареный плантан

Отрывок из сборника рассказов «Жареный плантан» Залики Рид-Бенты

СНОБ
Замужем за злом: трагическая судьба жены Сталина Надежды Аллилуевой Замужем за злом: трагическая судьба жены Сталина Надежды Аллилуевой

Надежда Аллилуева, жена Сталина

Cosmopolitan
Испытание углем Испытание углем

Как наследники Дмитрия Босова борются за его угольную империю

Forbes
Бургер после тренировки и запреты для беременных: разоблачаем мифы о фитнесе Бургер после тренировки и запреты для беременных: разоблачаем мифы о фитнесе

Мифы о фитнесе

Psychologies
Как сделать бизнес наиболее прибыльным: управление маржой Как сделать бизнес наиболее прибыльным: управление маржой

Отрывок из книги Дмитрия Костыгина «Жамевю»

GQ
Глава из книги лауреата Букеровской премии Говарда Джейкобсона «Немного пожить» Глава из книги лауреата Букеровской премии Говарда Джейкобсона «Немного пожить»

Первая глава из новой книги Говарда Джейкобсона «Немного пожить»

СНОБ
Озеленяемся: лучшие растения для дома и офиса, за которыми легко ухаживать Озеленяемся: лучшие растения для дома и офиса, за которыми легко ухаживать

Самые неприхотливые и симпатичные растения, с которых можно начать домашний сад

Esquire
Физики проследили корреляцию мощных магнитных бурь с солнечными циклами Физики проследили корреляцию мощных магнитных бурь с солнечными циклами

Физики научились прогнозировать экстремальную космическую погоду

N+1
Почему пары распадаются после психотерапии? Почему пары распадаются после психотерапии?

Один из партнеров начинает психотерапию и подает на развод — знакомая ситуация?

Psychologies
Это убивает твой стиль! 7 причин, почему ты покупаешь неправильную одежду Это убивает твой стиль! 7 причин, почему ты покупаешь неправильную одежду

Чтобы шопинг прошел успешно, к нему нужно подойти с умом

Cosmopolitan
Сила надежды: жестокий эксперимент показал, что вера может победить смерть Сила надежды: жестокий эксперимент показал, что вера может победить смерть

Ученый выяснил, что надежда помогает выбраться даже из безнадежных ситуаций

Популярная механика
Излучение от томографа помогло при болезни Альцгеймера Излучение от томографа помогло при болезни Альцгеймера

Малые дозы радиации оказались эффективны в борьбе против болезни Альцгеймера

N+1
Как изменились Паршута, Бурковский и другие звезды шоу «Даешь молодежь!» Как изменились Паршута, Бурковский и другие звезды шоу «Даешь молодежь!»

Звезды шоу «Даешь молодежь!» смогли построить блестящую карьеру на телевидении

Cosmopolitan
Кейт и Меган уступили: принцессу Диану назвали самой красивой королевской особой Кейт и Меган уступили: принцессу Диану назвали самой красивой королевской особой

Диана Спенсер признана самой привлекательной королевской особой всех времен

Cosmopolitan
9 причин, когда ГИБДД не поставит машину на учет. Список 9 причин, когда ГИБДД не поставит машину на учет. Список

Когда на автомобили могут быть наложены ограничения на регистрационные действия

РБК
Открыть в приложении