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

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
О вкусных и здоровых мутантах. Как перестать бояться и полюбить продукты с ГМО О вкусных и здоровых мутантах. Как перестать бояться и полюбить продукты с ГМО

Современная еда вовсе не страшная и не вредная

Maxim
Отрывок из книги Николая Ускова «Ardis: Американская мечта о русской литературе» Отрывок из книги Николая Ускова «Ardis: Американская мечта о русской литературе»

Историк и журналист Николай Усков рассказывает об истории издательства Ardis

СНОБ
Истребитель дронов Истребитель дронов

За разведывательными дронами начнут охотиться беспилотные истребители

Популярная механика
Тогда и сейчас: самые эффектные преображения звезд сериала «Игра престолов» Тогда и сейчас: самые эффектные преображения звезд сериала «Игра престолов»

Актрисы «Игры престолов» обожают трансформации

Cosmopolitan
На роду написано На роду написано

Какие тайны могут раскрыть генетические анализы

Лиза
Выращивание гороха наряду с пшеницей снизит выбросы и повысит питательную ценность урожая Выращивание гороха наряду с пшеницей снизит выбросы и повысит питательную ценность урожая

Британские ученые: включение бобовых в посевы пшеницы улучшит экологию

N+1
Самые забавные конфузы на свадьбах Кейт Миддлтон, Виктории Бекхэм и других звезд Самые забавные конфузы на свадьбах Кейт Миддлтон, Виктории Бекхэм и других звезд

И у звезд случаются нелепые инциденты на свадьбах

Cosmopolitan
6 вещей, которые женщина никогда не простит мужчине 6 вещей, которые женщина никогда не простит мужчине

Есть поступки, на которые ни одна из нас не сумеет закрыть глаза

Psychologies
10 невероятных красавиц с уникальными особенностями внешности 10 невероятных красавиц с уникальными особенностями внешности

Эти девушки выглядят как инопланетянки, которые попали к нам из другого мира

Maxim
Опередили Европу: зачем ВТБ более строгая оценка рисков Опередили Европу: зачем ВТБ более строгая оценка рисков

ВТБ перешел на новый подход к расчету операционного риска

Forbes
Снова стою одна: как изменится распорядок дня Елизаветы II после смерти супруга Снова стою одна: как изменится распорядок дня Елизаветы II после смерти супруга

Как строится жизнь и ежедневный график Елизаветы II

Cosmopolitan
Богини в 70 лет! Возрастные королевы красных дорожек, которые дадут фору молодым Богини в 70 лет! Возрастные королевы красных дорожек, которые дадут фору молодым

Красотки, которые доказывают, что выглядеть стильно можно в любом возрасте

Cosmopolitan
Дом вашей мечты Дом вашей мечты

Дизайнеры интерьеров отвечают на самые актуальные вопросы о доме и ремонте

Домашний Очаг
«Хотим, чтобы нашу пиццу попробовал Джек Ма»: как «Додо» пять лет пыталась занять рынок Китая — и почему покидает страну «Хотим, чтобы нашу пиццу попробовал Джек Ма»: как «Додо» пять лет пыталась занять рынок Китая — и почему покидает страну

Почему «Додо» уходит из Китая

VC.RU

Истории женщин, которым очень плохо живется в браке

Cosmopolitan
Почему с увеличением дохода многие люди не становятся богаче Почему с увеличением дохода многие люди не становятся богаче

«Персональная инфляция» или «инфляция образа жизни»

СНОБ
Диета 5 факторов: система питания, от которой без ума Леди Гага Диета 5 факторов: система питания, от которой без ума Леди Гага

Система питания, горячо любима многими знаменитостями

Cosmopolitan
Чудеса проводимости Чудеса проводимости

Стартап успешно конкурирует на рынке высокотемпературных сверхпроводников

Наука
«Эй, красивая! Поехали с нами!»: что делать, если к вам пристают на улице «Эй, красивая! Поехали с нами!»: что делать, если к вам пристают на улице

Почему мужчины пристают на улицах и как мы можем противостоять такому поведению?

Psychologies
Как выглядят Моника Беллуччи, Джулия Робертс, Сигурни Уивер и другие звезды 90-х Как выглядят Моника Беллуччи, Джулия Робертс, Сигурни Уивер и другие звезды 90-х

Как выглядели в молодости популярные актрисы 90-х

Cosmopolitan
Яхина, Манижа, Ярмыш. Может ли культура быть вне политики Яхина, Манижа, Ярмыш. Может ли культура быть вне политики

Общество впадает в детство, в младенчество

СНОБ
Это вам не игрушки Это вам не игрушки

Какие технические уловки помогали создавать видеоигровую классику

N+1
7 лучших сборников современных переводных рассказов — от авторов, которые вас не разочаруют 7 лучших сборников современных переводных рассказов — от авторов, которые вас не разочаруют

Екатерина Баева собрала список большой литературы в малых формах

Esquire
20 вещей, о которых пилоты не объявляют перед взлетом 20 вещей, о которых пилоты не объявляют перед взлетом

Вопросы о пассажирских самолетах, которые вы боялись задать стюардессе

Maxim
5 ошибочных представлений о любви у мужчин, от которых стоит избавиться 5 ошибочных представлений о любви у мужчин, от которых стоит избавиться

Токсичные и нездоровые представления об отношениях

Playboy
«Я заметила Камиллу»: как принцесса Дианы раскрыла связь мужа с любовницей «Я заметила Камиллу»: как принцесса Дианы раскрыла связь мужа с любовницей

Принцесса Диана сама рассказала о сложных отношениях с мужем

Cosmopolitan
10 заблуждений о похмелье 10 заблуждений о похмелье

Смело и по-мужски расстаться и с заблуждениями о похмелье, и с этим состоянием

Maxim
«Я бросила детей, но люблю их»: как живут россиянки, ставшие матерями в детстве «Я бросила детей, но люблю их»: как живут россиянки, ставшие матерями в детстве

Истории нескольких несовершеннолетних мам

Cosmopolitan
Растения-преступники: одни доведут до слез, другие убьют Растения-преступники: одни доведут до слез, другие убьют

Отрывок из книги Эми Стюарт «Коварные растения»

СНОБ
Открыть в приложении