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

Что такое безуглеводная диета и чем она опасна Что такое безуглеводная диета и чем она опасна

Стоит ли придерживаться безуглеводной диеты для улучшения здоровья?

РБК
Зеленые сказки Зеленые сказки

Самые популярные легенды об экологии: когда добро становится злом

Лиза
Швабры на $3 млрд: как домохозяйка построила бизнес-империю на «чудо-товарах» для дома Швабры на $3 млрд: как домохозяйка построила бизнес-империю на «чудо-товарах» для дома

История предпринимательницы, которой однажды надоело отжимать тряпку руками

Forbes
Все и сразу: почему модные бренды открывают в своих магазинах кафе и рестораны и где искать Gucci Shop & Bar в Москве Все и сразу: почему модные бренды открывают в своих магазинах кафе и рестораны и где искать Gucci Shop & Bar в Москве

Почему «шопинг» — это уже не просто покупка одежды?

Esquire
17 удивительных фактов о джинсах в их день рождения 17 удивительных фактов о джинсах в их день рождения

Подборка интересных фактов о самой классной в мире одежде

Maxim
Что такое шоссейное-кольцевые гонки, и как устроен этот вид спорта? Что такое шоссейное-кольцевые гонки, и как устроен этот вид спорта?

Десять вопросов профессиональному гонщику

GQ
Говорит и доказывает Говорит и доказывает

Как можно трезво смотреть на актуальные процессы и оставаться главным оптимистом

Harper's Bazaar
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
Дом у озера Дом у озера

Загородный коттедж с уютным и лаконичным интерьером в духе американского ар–деко

SALON-Interior
Джентльмены на светофорах. Простые правила, которые отличают культурного водителя от всех остальных Джентльмены на светофорах. Простые правила, которые отличают культурного водителя от всех остальных

А сколько из этих правил культурного водителя знаешь и соблюдаешь ты?

Maxim
«Ничего не бойся и не сомневайся в себе!» Интервью со Светланой Ходченковой «Ничего не бойся и не сомневайся в себе!» Интервью со Светланой Ходченковой

Светлана Ходченкова отвечает на вопросы

Cosmopolitan
Светит, но не греет Светит, но не греет

Как защититься от вредного воздействия солнца?

Добрые советы
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
Жанна Бадоева: Жанна Бадоева:

Жанна Бадоева: Раздражаться или расстраиваться нет смысла

Караван историй
Как медитация может трансформировать твой бизнес: 4 преимущества для предпринимателей Как медитация может трансформировать твой бизнес: 4 преимущества для предпринимателей

Медитация — ключ к твоему успеху

Playboy
Как построить эскимосский иглу своими руками Как построить эскимосский иглу своими руками

Наш редактор побывал на Гудзоновом заливе и научился строить настоящие иглу

Популярная механика
Красота против природы Красота против природы

История картины «Всадница» Карла Брюллова

Вокруг света
Личные драмы звезд фильма «В бой идут одни Личные драмы звезд фильма «В бой идут одни

Как сложилась судьба актеров фильма «В бой идут одни "старики"»

Cosmopolitan
Обмани меня: что такое ложь и зачем она нашему мозгу Обмани меня: что такое ложь и зачем она нашему мозгу

Мы не можем отказаться от лжи – она заложена в нас самой природой

Популярная механика
Красотки в бикини: пикантные фото дочерей Веры Брежневой, Валерии и других звезд Красотки в бикини: пикантные фото дочерей Веры Брежневой, Валерии и других звезд

Эти девушки унаследовали от своих мам не только красоту, но и сексуальные фигуры

Cosmopolitan
Будто в бронзе Будто в бронзе

На протяжении столетий отношение к загару не раз менялось

Forbes Life
«Разнообразие в командах важно — иначе вы не выживете на борту»: как Роуз Дамен управляет строительством мегаяхт «Разнообразие в командах важно — иначе вы не выживете на борту»: как Роуз Дамен управляет строительством мегаяхт

Роуз Дамен руководит яхтенным подразделением судостроительного гиганта Damen

Forbes
Деморализующий кнут: почему самобичевание не приводит к успеху Деморализующий кнут: почему самобичевание не приводит к успеху

Отрывок из книги «Самосострадание» Кристин Нефф

Forbes
Анна Евневич: Clubhouse — минутный хайп или голос будущего? Анна Евневич: Clubhouse — минутный хайп или голос будущего?

Clubhouse: чем платформа привлекла миллионы пользователей?

СНОБ
«Зеленая» жизнь: зачем нужна экоосознанность? «Зеленая» жизнь: зачем нужна экоосознанность?

Как экологично одеваться и питаться, работать и отдыхать

Psychologies
Отчаянная домохозяйка Отчаянная домохозяйка

Как войти в рабочий ритм после долгого перерыва

Лиза
Как я живу на 130 тысяч в месяц: история программистки из Ростова-на-Дону Как я живу на 130 тысяч в месяц: история программистки из Ростова-на-Дону

Как живет ростовская программистка с бюджетом 130 тысяч в месяц

Cosmopolitan
Не хочу бояться Не хочу бояться

Девушка, которую искалечил бывший муж, – о том, как научиться жить с протезом

Домашний Очаг
Маньяки в жизни и в кино: почему нас завораживают образы серийных убийц Маньяки в жизни и в кино: почему нас завораживают образы серийных убийц

Когда и почему медиа стали одержимы маньяками — и каков их образ в культуре

Esquire
Анастасия Макеева: «Я тоже хочу быть счастливой!» Анастасия Макеева: «Я тоже хочу быть счастливой!»

Интервью с актрисой Анастасией Макеевой

Здоровье
Открыть в приложении