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

Константин Паустовский Константин Паустовский

Константин Паустовский в портретной галерее Дмитрия Быкова

Дилетант
5 историй любви известных художников 5 историй любви известных художников

Какими были жены известных русских художников?

Культура.РФ
5 причин не бояться быть «как все» 5 причин не бояться быть «как все»

Как превратить свою обыкновенность в суперсилу?

Psychologies
Портрет Петра Скворцова Портрет Петра Скворцова

Актер Пётр Скворцов — о преодолении кризисов и своих тайных увлечениях

OK!
Любовь или война? Почему мы ссоримся с партнером и как это исправить Любовь или война? Почему мы ссоримся с партнером и как это исправить

Как складываются сценарии домашних «войн»?

Psychologies
Бенкендорфы Бенкендорфы

Род Бенкендорфыов был известен благодаря Александру, душителю свобод

Дилетант
Low and slow Low and slow

Российское барбекю с техасским акцентом

Bones
«Битва за Версаль», бал Трумена Капоте, взлет и падение: что нужно знать о дизайнере Рое Холстоне «Битва за Версаль», бал Трумена Капоте, взлет и падение: что нужно знать о дизайнере Рое Холстоне

Почему дизайнер Рой Холстон интересен даже тем, кто далек от моды

Esquire
12. Новые имена в моде 12. Новые имена в моде

«Новые имена в моде» — ежегодный конкурс редакции «Собака.ru»

Собака.ru
10 фактов о фильме «Москва слезам не верит» 10 фактов о фильме «Москва слезам не верит»

Все, что ты не знал о самом оскароносном фильме Советского Союза

Maxim
Белая ворона: что делать, если ты чувствуешь себя не такой, как все Белая ворона: что делать, если ты чувствуешь себя не такой, как все

Мы живем в мире экстравертов, и, если ты не такая, тебе может быть непросто

Cosmopolitan
С кем встречалась Ким Кардашьян: 10 бывших и один Канье Уэст С кем встречалась Ким Кардашьян: 10 бывших и один Канье Уэст

Собрали послужной список звезды реалити Ким Кардашьян

Cosmopolitan
Как проходит допрос сексуальных маньяков Как проходит допрос сексуальных маньяков

Почему люди становятся маньяками, и что ими движет?

СНОБ
Жители стоянки Вучедоль эпохи ранней бронзы пострадали в детстве от поротического гиперостаза Жители стоянки Вучедоль эпохи ранней бронзы пострадали в детстве от поротического гиперостаза

Археологи исследовали черепа людей из Хорватии древностью более 4 тысяч лет

N+1
Жанна Бадоева: Жанна Бадоева:

Жанна Бадоева: Раздражаться или расстраиваться нет смысла

Караван историй
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
«У нас никогда не будет историй». Как основатель Instagram боролся с мусором, Цукербергом, подростками и Snapchat «У нас никогда не будет историй». Как основатель Instagram боролся с мусором, Цукербергом, подростками и Snapchat

Отрывок из книги «No Filter. История Instagram»

Inc.
Ученые назвали худший год в истории человечества Ученые назвали худший год в истории человечества

Как выглядел настоящий конец света, и откуда, собственно, пошло это выражение

Maxim
Поколение TikTok и отношения: чему стоит поучиться у зумеров Поколение TikTok и отношения: чему стоит поучиться у зумеров

Как применить свойственные зумерам навыки в личных отношениях?

Psychologies
Возвращение Андрея Сахарова: почему нынешняя власть боится его не меньше советской Возвращение Андрея Сахарова: почему нынешняя власть боится его не меньше советской

Сахаров переворачивал традиционную для России иерархию ценностей

Forbes
Продукты и напитки, снижающие потенцию у мужчин: список еды, с которой стоит быть аккуратнее Продукты и напитки, снижающие потенцию у мужчин: список еды, с которой стоит быть аккуратнее

Список продуктов, оказывающих негативное влияние на мужское интимное здоровье

Playboy
Майндбендер, майндфак: какой получилась игра NieR Replicant от самого скрытного мистификатора из игрового мира Майндбендер, майндфак: какой получилась игра NieR Replicant от самого скрытного мистификатора из игрового мира

Перезапуск игры 2010 года от легендарного дизайнера Йоко Таро

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

Солнцезащитные средства — пожалуй, самые недооцененные

РБК
Как выстраивать личные границы в отношениях с родителями? Как выстраивать личные границы в отношениях с родителями?

Почему даже во взрослом возрасте нам бывает непросто общаться с родителями

Psychologies
Правила жизни Миуччи Прады Правила жизни Миуччи Прады

Правила жизни модного дизайнера Миуччи Прады

Esquire
Выбора нет: как китайские автомобили стали лидерами роста продаж в России Выбора нет: как китайские автомобили стали лидерами роста продаж в России

Китайские автопроизводители на нашем рынке только растут

Forbes
«Друзья. Воссоединение»: каким получился специальный выпуск ситкома «Друзья. Воссоединение»: каким получился специальный выпуск ситкома

Рассказываем, как прошло воссоединение «Друзей»

РБК
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
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
10 самых популярных примет на счастье с точки зрения науки 10 самых популярных примет на счастье с точки зрения науки

Что стоит за непроизвольным желанием загадать желание, когда падает звезда?

Maxim
Открыть в приложении