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

Пот, кровь, слёзы и крест Пот, кровь, слёзы и крест

В конце XI века десятки тысяч людей отправились освобождать Иерусалим

Дилетант
Чтобы такого съесть, чтобы похудеть Чтобы такого съесть, чтобы похудеть

Как расстаться с лишним за пару недель без вреда для здоровья

Cosmopolitan
Знаменитые нижегородцы Знаменитые нижегородцы

Всемирно известные уроженцы Нижнего Новгорода

Дилетант
«Чуть ли не заградительный барьер»: как закон о маркировке навредил бизнесу модных брендов и породил новый рынок «Чуть ли не заградительный барьер»: как закон о маркировке навредил бизнесу модных брендов и породил новый рынок

Как маркировка товаров усложнила жизнь российским брендам одежды и обуви

Forbes
Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица

Приправа, о которой многие слышали, но мало кто знает, что это такое

Наука и жизнь
9 способов оставаться активными для тех, кто не любит спорт 9 способов оставаться активными для тех, кто не любит спорт

Если вы не любите ходить на спорт, то спорт может прийти к вам

Psychologies
Продолжение традиций Продолжение традиций

Маленькая двушка, оформленная под сталинский ампир

Идеи Вашего Дома
«Вредные привычки» лица: зачем нужно контролировать мимику? «Вредные привычки» лица: зачем нужно контролировать мимику?

Почему необходимо контролировать лицо и как это делать

Psychologies
Cream Soda: «Вечеринки возвращаются!» Cream Soda: «Вечеринки возвращаются!»

Репортаж с концерта Cream Soda

ЖАРА Magazine
Как устроена система Как устроена система

«Железный купол» может быть подавлен слишком большим количество целей

Популярная механика
Правила жизни Тима Рота Правила жизни Тима Рота

Правила жизни британского актера Тима Рота

Esquire
Слушать кино Слушать кино

Культовые саундтреки в голливудском кино

Esquire
«Королевство дочерей»: как устроен настоящий матриархат «Королевство дочерей»: как устроен настоящий матриархат

Как выглядит жизненный уклад матриархального племени

Cosmopolitan
Одна вокруг света: крутой спуск и теплый прием в Медном каньоне Одна вокруг света: крутой спуск и теплый прием в Медном каньоне

118-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Топ-5 смелых решений на выпускной Топ-5 смелых решений на выпускной

Наряд на выпускной, который будет подчеркивать твою индивидуальность

Cosmopolitan
Шевели извилинами: как и почему изучение языков меняет наш мозг Шевели извилинами: как и почему изучение языков меняет наш мозг

Учить языки – полезно. Но в чем именно заключается эта польза?

Популярная механика
Убийца задач: как завершить все лишние процессы на Windows Убийца задач: как завершить все лишние процессы на Windows

Две программы для Windiws, которые помогут завершить все сторонние процессы

CHIP
5 позорных ошибок при обращении с женщиной 5 позорных ошибок при обращении с женщиной

Правила этикета, которые помогут тебе открыть двери, ведущие в женскую душу

Maxim
От писсуаров с играми до кубических арбузов: 11 поразительных фактов о Японии От писсуаров с играми до кубических арбузов: 11 поразительных фактов о Японии

Факты, которые показывают, насколько Япония не похожа на другие страны

Playboy
Пыльные бури — взгляд из космоса Пыльные бури — взгляд из космоса

Песчаные и пыльные бури и их последствия

Наука и жизнь
Светская львица и кузина: с кем принц Чарльз встречался до Дианы Спенсер Светская львица и кузина: с кем принц Чарльз встречался до Дианы Спенсер

Единственной настоящей любовью принца Чарльза всегда была Камилла Паркер-Боулз

Cosmopolitan
Как изменились звезды телесаги «Две судьбы»: Семёнова, Вольская и другие Как изменились звезды телесаги «Две судьбы»: Семёнова, Вольская и другие

Российская мелодрама, которая стала нашим ответом латиноамериканским сериалам

Cosmopolitan
Вернись, я все прощу! Вернись, я все прощу!

Стоит ли пытаться вернуть мужа в семью, даже если ты его все еще любишь

Лиза
Хотят охватить всех игроков в России и открыть игровой магазин: глава «СберИгр» рассказала о планах на геймеров и студии Хотят охватить всех игроков в России и открыть игровой магазин: глава «СберИгр» рассказала о планах на геймеров и студии

Разговор с Алисой Чумаченко о новом бизнес-направлении «Сбера»

VC.RU
Графика урбанизма Графика урбанизма

Квартира, в которой пейзажи за окном — часть интерьерного сценария

Идеи Вашего Дома
Как в воду глядеть Как в воду глядеть

10 техник работы с будущим от известного трендвотчера

РБК
Тасманийские дьяволы начали размножаться после возвращения на материковую Австралию Тасманийские дьяволы начали размножаться после возвращения на материковую Австралию

Впервые за три тысячи лет тасманийские дьяволы начали размножаться в Австралии

N+1
Число Данбара не подружилось с современной статистикой Число Данбара не подружилось с современной статистикой

Шведские исследователи не смогли определить точное значение числа Данбара

N+1
Страшно интересно Страшно интересно

В фильмах ужасов происходит мало веселого, но они нам нравятся. Почему?

Psychologies
Борис Хвошнянский: «Терпеть не могу картошку Al Dente» Борис Хвошнянский: «Терпеть не могу картошку Al Dente»

Самобытный, разноплановый российский актер Борис Хвошнянский

Коллекция. Караван историй
Открыть в приложении