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

На кемадеро в санбенито На кемадеро в санбенито

Инквизиция на долгое время стала чуть ли не символом Испании

Дилетант
8½ шагов к своему настоящему «Я» 8½ шагов к своему настоящему «Я»

Самопознание — захватывающее путешествие

Psychologies
Лучший трофей Лучший трофей

Загородная резиденция для заядлого охотника

SALON-Interior
Стройплощадка с чистой совестью Стройплощадка с чистой совестью

Экодома теперь вырабатывают энергию, сохраняют ресурсы и перерабатывают отходы

AD
7 неизвестных фактов об известных писателях 7 неизвестных фактов об известных писателях

О чем никогда не расскажут на уроках литературы

Maxim
«Нам надо пожить отдельно»: 8 правил временного расставания «Нам надо пожить отдельно»: 8 правил временного расставания

Правила временной сепарации с партнером, которые помогут улучшить отношения

Psychologies
Клетки Фарадея: как бизнес использует технологию защиты от электромагнитных излучений Клетки Фарадея: как бизнес использует технологию защиты от электромагнитных излучений

Самые распространенные виды применения клетки Фарадея

Популярная механика
Столица промыслов Столица промыслов

По разнообразию народных промыслов Нижегородский край не знает себе равных

Дилетант
Порошок из сверчков: что известно о новом суперфуде, захватившем бьюти-мир Порошок из сверчков: что известно о новом суперфуде, захватившем бьюти-мир

Суперфуды всегда в топе, что бы они собой ни представляли

Cosmopolitan
Медленно, но верно: как восстановить баланс между отдыхом и работой Медленно, но верно: как восстановить баланс между отдыхом и работой

Как найти свой рабочий ритм, следовать ему и при этом все успевать?

Psychologies
Жизнь коротка. Эссе Пола Грэма о вещах, на которые нужно перестать тратить свое ограниченное время Жизнь коротка. Эссе Пола Грэма о вещах, на которые нужно перестать тратить свое ограниченное время

Действительно ли жизнь коротка, или мы просто жалуемся на ее конечность?

Inc.
Необязательно рак: 7 причин, по которым может болеть грудь Необязательно рак: 7 причин, по которым может болеть грудь

Боль в груди может быть разной

Cosmopolitan
Бесконечная история в Санкт-Петербурге Бесконечная история в Санкт-Петербурге

Сколько раз ни бываешь в Северной столице, а все равно находишь новые маршруты

Лиза
Голые и в бикини: пикантные фото Рудовой, Кошкиной и других звезд «Молодежки» Голые и в бикини: пикантные фото Рудовой, Кошкиной и других звезд «Молодежки»

Актрисы сериала «Молодежка» примеряют впечатляющие сексуальные образы

Cosmopolitan
Ради спасения планеты: как биотех-стартап Zymergen провел IPO и зачем ему это нужно Ради спасения планеты: как биотех-стартап Zymergen провел IPO и зачем ему это нужно

Почему инвесторы поверили в Zymergen?

Forbes
Завершение Европы Завершение Европы

Элиас Канетти как зеркало исчезнувшего континента

Weekend
Друзья Палестины. Почему российские интеллигенты разлюбили Израиль Друзья Палестины. Почему российские интеллигенты разлюбили Израиль

Конфликт, о котором российская общественность на самом деле ничего не знает

СНОБ
Я помню Я помню

У каждой семьи свои истории и «знаки войны». Мы тоже решили поделиться своими

Seasons of life
Переход к земледелию позволил древним китайцам устраивать массовые алкогольные пиршества Переход к земледелию позволил древним китайцам устраивать массовые алкогольные пиршества

Алкоголь играл ритуальное значение для неолитических общин

N+1
Минус килограмм за ночь: похудеть во сне вполне реально Минус килограмм за ночь: похудеть во сне вполне реально

Спать и худеть – это осуществимая мечта

Cosmopolitan
Пластырь с антибиотиком в микроиглах справился со стафилококковой инфекцией в коже свиньи Пластырь с антибиотиком в микроиглах справился со стафилококковой инфекцией в коже свиньи

Пластырь с микроиглами, содержащими антибиотик, помог устранить стафилококк

N+1
Удоды охладели к самкам с насыщенно раскрашенными яйцами Удоды охладели к самкам с насыщенно раскрашенными яйцами

Окраска яиц удодов оказалась признаком, связанным с шансами на появление птенцов

N+1
Ваше тело в разном возрасте Ваше тело в разном возрасте

Как питаться, как тренироваться и как ухаживать за кожей, чтобы быть в форме?

Домашний Очаг
Прощальный гудок для старой экономики: зачем «Яндексу» банк Прощальный гудок для старой экономики: зачем «Яндексу» банк

Зачем «Яндексу» банк и что он получит с покупкой «Акрополя»

Forbes
Продукты с отрицательной калорийностью Продукты с отрицательной калорийностью

Продукты с отрицательной калорийностью - миф это или правда? Пора разобраться

Cosmopolitan
Китайские антропологи выдали зуб оленя за человеческие останки Китайские антропологи выдали зуб оленя за человеческие останки

Ученые обнаружили серьезную ошибку в опубликованном в PNAS исследовании

N+1
Звездные дети, похожие на своих знаменитых родителей как две капли воды Звездные дети, похожие на своих знаменитых родителей как две капли воды

Наследники этих знаменитостей выглядят в точности как их звездные родители

Cosmopolitan
В Канаде запустили приложение для управления выбором людей за деньги В Канаде запустили приложение для управления выбором людей за деньги

Кортни Смит создала приложение, позволяющее контролировать решения людей

Inc.
«Мне не стыдно!»: эротические видео с Натальей Рудовой «Мне не стыдно!»: эротические видео с Натальей Рудовой

Звезда комедии «Женщины против мужчин» умеет привлекать всеобщее внимание

Cosmopolitan
6 неприятных чувств, которые сопровождают нас на пути к счастью 6 неприятных чувств, которые сопровождают нас на пути к счастью

Наша героиня пережила анорексию, депрессию и абьюзивные отношения

Psychologies
Открыть в приложении