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

Мазепа: гетман, меценат, изменник Мазепа: гетман, меценат, изменник

Иван Мазепа — гетман, интриган и политик, совершивший роковые ошибки

Дилетант
Абсурд и самоирония: как девятый «Форсаж» вывел франшизу на новый уровень Абсурд и самоирония: как девятый «Форсаж» вывел франшизу на новый уровень

Почему создателям «Форсажа» уже давно было пора начать смеяться над собой

GQ
Правила жизни Яна Флеминга Правила жизни Яна Флеминга

Правила жизни автора романов о Джеймсе Бонде

Esquire
6 знаков того, что мужчина вами заинтересовался 6 знаков того, что мужчина вами заинтересовался

Невербальные признаки, которые показывают, что мужчина заинтересовался вами

Psychologies
Вампиры учатся кусать: что не так с набирающим популярность сериалом Вампиры учатся кусать: что не так с набирающим популярность сериалом

Почему «Пищеблок» пытается снова вернуть нас в прошлое?

Esquire
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
«У тебя просто ПМС»: как мифы и стереотипы о гормонах влияют на нашу жизнь «У тебя просто ПМС»: как мифы и стереотипы о гормонах влияют на нашу жизнь

Эксперт: как гормоны в действительности влияют на состояние человека

Psychologies
Геронтологи оценили «срок годности» человеческого организма в 120-150 лет Геронтологи оценили «срок годности» человеческого организма в 120-150 лет

Анализы крови и фитнес-трекеры помогли определить предельный срок жизни человека

N+1
Прокремлевское «Знание». Зачем в России возрождают советское просветительское общество Прокремлевское «Знание». Зачем в России возрождают советское просветительское общество

Для чего в 2021 году решено перезапустить работу общества «Знание»?

СНОБ
«Анастасия чудовищно врет!»: эксперт по лжи разоблачила «любовь» Макеевой «Анастасия чудовищно врет!»: эксперт по лжи разоблачила «любовь» Макеевой

Роман Анастасии Макеевой со строителем из Словении спровоцировал громкий скандал

Cosmopolitan
Архитектура для жизни Архитектура для жизни

Как системный подход помогает управлять городами

N+1
Уставшая женщина, на которой держится все: Кейт Уинслет в сериале «Мейр из Исттауна» Уставшая женщина, на которой держится все: Кейт Уинслет в сериале «Мейр из Исттауна»

Почему роль в «Мейр из Исстауна» — одна из лучших в карьере актрисы

Forbes
Почему самолеты не падают от попадания молнии Почему самолеты не падают от попадания молнии

Что будет, если молния бахнет прямо в самолет?

Maxim
Виллами по воде Виллами по воде

В ближайшем будущем плавучие дома в России будут узаконены

Robb Report
Как правильно мыть голову, отжиматься и делать еще четыре замысловатые вещи Как правильно мыть голову, отжиматься и делать еще четыре замысловатые вещи

Мы научим тебя важному!

Maxim
Белые на белом Белые на белом

Белые медведи. Становится ли их меньше или больше?

Вокруг света
Залика Рид-Бента: Жареный плантан Залика Рид-Бента: Жареный плантан

Отрывок из сборника рассказов «Жареный плантан» Залики Рид-Бенты

СНОБ
Чувственные красавицы! Пикантные фото актрис сериала «Полицейский с Рублевки» Чувственные красавицы! Пикантные фото актрис сериала «Полицейский с Рублевки»

Актрисы сериала «Полицейский с Рублевки» любят делиться пикантными фотографиями

Cosmopolitan
Лиза Адаменко и еще 5 звезд, ставших жертвами домашнего насилия в молодости Лиза Адаменко и еще 5 звезд, ставших жертвами домашнего насилия в молодости

Все наши героини когда-то встретили своих принцев - взрослых, опытных, умных

Cosmopolitan
Как сделать фотостудию дома и что для этого нужно Как сделать фотостудию дома и что для этого нужно

Фотостудию можно оборудовать и своими силами в домашних условиях

CHIP
Как проходят свидания в Южной Корее: опрос перед встречей и кофе по ночам Как проходят свидания в Южной Корее: опрос перед встречей и кофе по ночам

Наша героиня рассказывает о тонкостях свиданий в Южной Корее

Psychologies
От контемпорари до вога: 9 видов грязных (нет) танцев, которые сделают из любого парня звезду От контемпорари до вога: 9 видов грязных (нет) танцев, которые сделают из любого парня звезду

Всего три слова: ловкость, раскрепощенность, сексуальность

Playboy
Сила надежды: жестокий эксперимент показал, что вера может победить смерть Сила надежды: жестокий эксперимент показал, что вера может победить смерть

Ученый выяснил, что надежда помогает выбраться даже из безнадежных ситуаций

Популярная механика
Улыбка на миллион: сколько заплатили звезды за свои идеальные зубы Улыбка на миллион: сколько заплатили звезды за свои идеальные зубы

Что делать тем, кого природа «наградила» не самыми привлекательными зубами?

Cosmopolitan
Экологичный романтизм Экологичный романтизм

Маленькая квартира в новостройке с экологическими мотивами практичного дизайна

Идеи Вашего Дома
Сергей Жуков. Наивный мишка Сергей Жуков. Наивный мишка

Сергей Жуков: «Нет, все девчонки-юбчонки останутся в прошлом»

Коллекция. Караван историй
Нудный объект желания. Почему девушки так боятся зануд Нудный объект желания. Почему девушки так боятся зануд

В жизни девушек есть две беды: целлюлит и мужчины-зануды

Maxim
ГЛПС: симптомы, лечение, профилактика ГЛПС: симптомы, лечение, профилактика

Что делать при первых симптомах геморрагической лихорадки и как обезопасить себя

РБК
«Мы победим, пусть и не в этом суде»: женщины-адвокаты — о проблемах в правовой системе и дискриминации «Мы победим, пусть и не в этом суде»: женщины-адвокаты — о проблемах в правовой системе и дискриминации

Женщины-адвокаты — о гендерных стереотипах и несовершенствах судебной системы

Forbes
Лучшие РПГ игры с открытым миром: топ-6 Лучшие РПГ игры с открытым миром: топ-6

Самые интересные ролевые игры с уникальным геймплеем в открытом мире

CHIP
Открыть в приложении