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

Петр Авен и его каталоги Петр Авен и его каталоги

Интервью банкира и коллекционера

СНОБ
Тревожно от новостей? Попробуйте это Тревожно от новостей? Попробуйте это

Сохранить рассудок в новостной ленте и пережить приступы тревожности

VC.RU
С головой не в порядке: 10 причесок, которые отпугивают мужчин С головой не в порядке: 10 причесок, которые отпугивают мужчин

Какие прически кажутся мужчинам странными и могут отпугнуть при знакомстве?

Cosmopolitan
Диета доктора Борменталя: никаких запретов! Диета доктора Борменталя: никаких запретов!

Диета, которая на сегодняшний день считается одной из самых эффективных

Лиза
Людмила Улицкая: Лоскуток. Воспоминания о советских нарядах Людмила Улицкая: Лоскуток. Воспоминания о советских нарядах

Воспоминания о советских нарядах. Отрывок рассказа Людмилы Улицкой

СНОБ
Они не работают: какие бьюти-средства больше не стоит покупать Они не работают: какие бьюти-средства больше не стоит покупать

Устаревшие, неэффективные и даже опасные косметические средства

Cosmopolitan
Легко! Завести служебный роман Легко! Завести служебный роман

Как правило, служебный роман ни к чему хорошему не приводит, но ты исключение

Maxim
Соки, мороженое, сгущенка и еще пять вещей, которые Микоян внедрил в СССР после поездки в США Соки, мороженое, сгущенка и еще пять вещей, которые Микоян внедрил в СССР после поездки в США

Анастас Микоян сделал советское меню таким, каким мы его знаем сейчас

Maxim
Считать с умом: как ЖКХ осваивает новые ИТ-решения Считать с умом: как ЖКХ осваивает новые ИТ-решения

Спрос на интеллектуальные решения для ЖКХ растет по всему миру

РБК
Принц и бунтарка из народа: история любви короля Испании и его супруги Летиции Принц и бунтарка из народа: история любви короля Испании и его супруги Летиции

Не только британская королевская семья пользуется популярностью во всем мире

Cosmopolitan
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
Дела сердечные Дела сердечные

6 неочевидных симптомов, которые могут говорить о проблемах с сердцем

Лиза
8 случайно потерянных ядерных бомб 8 случайно потерянных ядерных бомб

Потерянные ядерные бомбы со времен холодной войны

Maxim
Обворожительная Рита Ора: сладкие фото одной из самых популярных британских певиц Обворожительная Рита Ора: сладкие фото одной из самых популярных британских певиц

Рита Ора – популярная британская певица албанского происхождения

Playboy
20 правил поведения на российских курортах 20 правил поведения на российских курортах

Как подготовиться к сюрпризам на российских курортах

GQ
8 фактов о фильме «Список Шиндлера» 8 фактов о фильме «Список Шиндлера»

«Список Шиндлера» — умопомрачительно серьезный фильм Стивена Спилберга

Maxim
74 миллиона рублей за пост: знаменитости с самой дорогой рекламой в инстаграме 74 миллиона рублей за пост: знаменитости с самой дорогой рекламой в инстаграме

Сколько зарабатывают наши и зарубежные звезды в инстаграме?

Cosmopolitan
«С меня хватит!»: 3 занятия, от которых стоит отказаться прямо сейчас «С меня хватит!»: 3 занятия, от которых стоит отказаться прямо сейчас

Какую пользу мы получим, если избавимся от трех вредных пристрастий?

Psychologies
Вот это закалка! Вот это закалка!

Рассказываем, как правильно закаливать себя и ребенка

Добрые советы
Почему звезды предпочитают готовить сами и какие рецепты можно повторить Почему звезды предпочитают готовить сами и какие рецепты можно повторить

Cамые интересные и простые рецепты блюд, которые звезды готовят на своих кухнях

РБК
Глава из романа Элизабет Уэтмор «Валентайн» Глава из романа Элизабет Уэтмор «Валентайн»

Перевод дебютного романа Элизабет Уэтмор «Валентайн»

СНОБ
Питание солнцем и саентология: секты и учения, с которыми связаны звезды Питание солнцем и саентология: секты и учения, с которыми связаны звезды

Знаменитости, связавшиеся с сектами и духовными учениями

Cosmopolitan
Стоит ли отбирать добычу у собаки Стоит ли отбирать добычу у собаки

Глава, в которой «у Зинаиды отбирают добычу и на пол падает колбаса»

СНОБ
Демоны Аннелизы: как погибла девушка с эпилепсией, из которой изгоняли бесов Демоны Аннелизы: как погибла девушка с эпилепсией, из которой изгоняли бесов

«Шесть демонов Эмили Роуз». фильмы снятые по мотивам реальной истории

Cosmopolitan
Крепко стоят на глиняных ногах Крепко стоят на глиняных ногах

Искусство лепки и обжига из хобби превращается в часть фэшн-индустрии

Vogue
«Новгороду быть!» «Новгороду быть!»

Почему Нижний Новгород Нижний и Новый

Дилетант
Как Алан Рикман работал над ролью Северуса Снейпа в Как Алан Рикман работал над ролью Северуса Снейпа в

Как Алан Рикман воплотил на экране роль профессора Снейпа?

Esquire
Почему спам называется спамом: неожиданная история популярного термина Почему спам называется спамом: неожиданная история популярного термина

Как название консервов превратилось в обозначение массово рассылки сообщений?

CHIP
«Цилокар»: все о новом летающем автомобиле из России «Цилокар»: все о новом летающем автомобиле из России

В России запустили проект необычного транспортного средства

РБК
Недостаточно голубая лагуна Недостаточно голубая лагуна

Судостроители и судовладельцы могут помочь остановить загрязнение океана

Forbes Life
Открыть в приложении