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

Экземпляр единственный Экземпляр единственный

Потери авиации на советско-германском фронте в июне — июле 1941 года

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

Воспоминания о советских нарядах. Отрывок рассказа Людмилы Улицкой

СНОБ
Почему незнакомые мужчины называют меня «зайкой» и «киской»? Почему незнакомые мужчины называют меня «зайкой» и «киской»?

Почему мужчины легко позволяют себе переходить «ты»?

Psychologies
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
Почему мы устаем от близких отношений и как себе помочь Почему мы устаем от близких отношений и как себе помочь

«Любовь к родственникам измеряется километрами» — в этой шутке есть доля правды

Psychologies
Как работают интернет-мошенники и как бороться с цифровыми угрозами Как работают интернет-мошенники и как бороться с цифровыми угрозами

Как обезопасить себя в интернете?

Популярная механика
Гора серебряная Гора серебряная

Как добывают благородные металлы

Популярная механика
Гренландию назвали главным природным источником ртути в арктических водах Гренландию назвали главным природным источником ртути в арктических водах

Теплые ледниковые воды уносят ртуть из подледниковых пород Гренландии

N+1
12 знаменитостей, которые преуспели в бизнесе 12 знаменитостей, которые преуспели в бизнесе

Эти артисты проявили себя с неожиданной бизнес-стороны

РБК
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Гуру из соцсетей Гуру из соцсетей

Инвесторы могут выкинуть на помойку свои знания об экономической теории

Forbes
Хабиб: Хабиб:

Звезда TikTok Хабиб пообщался с Cosmo и рассказал о своем секрете успеха

Cosmopolitan
Куда поступать после школы? Cоветы коуча Куда поступать после школы? Cоветы коуча

Как помочь детям понять себя и сделать его осмысленно?

Psychologies
Как записать свой первый подкаст: краткая инструкция Как записать свой первый подкаст: краткая инструкция

Объясняем механизм создания аудиошоу дома на коленке с минимальными вложениями

Maxim
Почему некоторые экзопланеты со временем становятся меньше Почему некоторые экзопланеты со временем становятся меньше

Ученые: некоторые планеты со временем существенно уменьшаются в размерах

Популярная механика
Бессмысленные споры в интернете вредят нашему здоровью Бессмысленные споры в интернете вредят нашему здоровью

Так ли безобидно увлечение интернет-полемикой?

Psychologies
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
Как в воду глядеть… Как в воду глядеть…

Стиль этой квартиры — смесь современного и скандинавского направлений

Идеи Вашего Дома
Чужая шкура Чужая шкура

Об опасных связях читателя и книги

Weekend
Царь горы Царь горы

Чем для светской общины Николиной Горы был погибший Александр Липницкий

Tatler
Тревожность, злопамятность и другие способы себе навредить. Пять типов самосаботажа и как с ними бороться Тревожность, злопамятность и другие способы себе навредить. Пять типов самосаботажа и как с ними бороться

Пять типов самосаботажа и как с ними бороться

Inc.
Ради спасения планеты: как биотех-стартап Zymergen провел IPO и зачем ему это нужно Ради спасения планеты: как биотех-стартап Zymergen провел IPO и зачем ему это нужно

Почему инвесторы поверили в Zymergen?

Forbes
Таруса, или куда поехать на выходные Таруса, или куда поехать на выходные

Таруса: так близко и так далеко одновременно

Seasons of life
Близкая карликовая галактика оказалась похожа на галактики молодой Вселенной Близкая карликовая галактика оказалась похожа на галактики молодой Вселенной

Карликовая галактика поможет изучить процессы, происходившие во Вселенной

N+1
Стартап CleverPet продал тысячи панелей для «разговоров» с животными: чем он занимается и как работают его устройства Стартап CleverPet продал тысячи панелей для «разговоров» с животными: чем он занимается и как работают его устройства

Стартап CleverPet: кто и как придумал технологии для общения людей и их животных

VC.RU
Что было не так с волосами Трампа Что было не так с волосами Трампа

Дочь Трампа недавно раскрыла секрет его прически!

Maxim
Драйв, вайб и серфинг. Как Бали превратился в место силы для русскоязычных предпринимателей Драйв, вайб и серфинг. Как Бали превратился в место силы для русскоязычных предпринимателей

Бали стал центром притяжения молодых российских предпринимателей?

Inc.
Вспомогательные элементы Вспомогательные элементы

Какие витамины и макроэлементы нужны беременной женщине

Здоровье
Фантастические фотографии Юпитера в трех диапазонах световых волн Фантастические фотографии Юпитера в трех диапазонах световых волн

NOIRLab опубликовала потрясающие фотографии планеты-гиганта

Популярная механика
Павел Кудрявцев: «Мы построим самую инновационную сеть обслуживания» Павел Кудрявцев: «Мы построим самую инновационную сеть обслуживания»

Как ВТБ собирается стать ориентиром для всего финансового рынка

Forbes
Открыть в приложении