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

«Писан бысть в Невьянском заводе» «Писан бысть в Невьянском заводе»

Невьянская икона — вершина горнозаводского старообрядческого иконописания

Дилетант
Денис Миллионов: «Нужно быть сильным барменом, но в душе — шеф-поваром» Денис Миллионов: «Нужно быть сильным барменом, но в душе — шеф-поваром»

Денис Миллионов увлекается российскими дикоросами

Bones
Форма и функция Форма и функция

Загородный дом в Подмосковье, отличающийся сложными и выразительными формами

SALON-Interior
Актриса Александра Черкасова-Служитель — об определении «не типаж» Актриса Александра Черкасова-Служитель — об определении «не типаж»

Актриса и модель Александра Черкасова-Служитель

РБК
Орнитологи призвали запретить ветеринарный диклофенак в Европе ради спасения грифов Орнитологи призвали запретить ветеринарный диклофенак в Европе ради спасения грифов

Препарат диклофенак смертельно опасен для грифов и других пернатых падальщиков

N+1
7 правил выживания. Как вести себя во время вооруженного нападения в школе 7 правил выживания. Как вести себя во время вооруженного нападения в школе

Что делать подростку, если на его школу напали?

СНОБ
«Мы должны сохранить экспорт в Россию через локализацию производства» «Мы должны сохранить экспорт в Россию через локализацию производства»

Итальянские компании переходят к локализации производства на территории РФ

Эксперт
Как обсуждать зарплату на собеседовании и не стесняться говорить о деньгах Как обсуждать зарплату на собеседовании и не стесняться говорить о деньгах

Как получить желаемый для себя оклад

СНОБ
Играть за экологию: как видеоигры присоединяются к спасению планеты Играть за экологию: как видеоигры присоединяются к спасению планеты

В геймерское сообщество прорываются идеи защиты окружающей среды

Forbes
«Одних технологий недостаточно»​: что раздражает рекламный рынок в Apple и как она зарабатывает на закрытости системы «Одних технологий недостаточно»​: что раздражает рекламный рынок в Apple и как она зарабатывает на закрытости системы

Как Apple зарабатывает на приложениях и что у компании с рекламой?

VC.RU
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
История «уволенного за LSD на работе» главы стартапа оказалась сложнее: Bloomberg написал о его конфликте с инвесторами История «уволенного за LSD на работе» главы стартапа оказалась сложнее: Bloomberg написал о его конфликте с инвесторами

Джастин Чжу рассказал о том, как его неожиданно уволили из своего же стартапа

VC.RU
«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
Список надежды Список надежды

Forbes представляет третий российский рейтинг молодых и перспективных до 30 лет

Forbes
Недалеко от Рима нашли останки девяти съеденных пещерными гиенами неандертальцев Недалеко от Рима нашли останки девяти съеденных пещерными гиенами неандертальцев

Гиены охотились на древних людей и расправлялись со своей добычей в пещере

N+1
Быть честным с собой: как ставить правильные цели Быть честным с собой: как ставить правильные цели

Обычно мы понимаем, что пришло время перемен, когда не получаем того, чего хотим

Psychologies
Вызов брошен Вызов брошен

Чем отличается эпатаж от художественного высказывания?

Лиза
Безымянная пациентка №360446: как закончилась карьера балерины Ольги Спесивцевой Безымянная пациентка №360446: как закончилась карьера балерины Ольги Спесивцевой

Эта легендарная русская балерина стала одной из самых знаменитых в мире

Cosmopolitan
Deepfake, виртуальные декорации и другие технологии для кино: друзья, враги или спасители Deepfake, виртуальные декорации и другие технологии для кино: друзья, враги или спасители

Как и для чего нужно использовать технологии в кино?

Популярная механика
Kion и «Немцы»: почему стриминг-революция в России забуксовала — на примере сложного политического сериала для взрослых с матом и сексом Kion и «Немцы»: почему стриминг-революция в России забуксовала — на примере сложного политического сериала для взрослых с матом и сексом

О новом сериале Kion «Немцы» и о том, как в России развиваются стриминги

Esquire
Иван Просветов: Вербовщик Иван Просветов: Вербовщик

Предисловие и первая глава из романа Ивана Просветова «Вербовщик»

СНОБ
Я тебя копчу Я тебя копчу

Почему мы начали коптить овощи?

Bones
Греет, но не пригорает. Климатические парадоксы 2020 года Греет, но не пригорает. Климатические парадоксы 2020 года

Минувший год дал почву для раздумий многочисленной армии климатологов

СНОБ
Масочный режим Масочный режим

Молодые художницы исследуют национальную идентичность с помощью масок

Vogue
Как экономить на продуктах питания без вреда для здоровья: 9 умных лайфхаков Как экономить на продуктах питания без вреда для здоровья: 9 умных лайфхаков

Подборка советов по организации здорового и бюджетного питания

Playboy
«Четырехдневка» — реальность или мечта? Где эта система уже работает, и что говорят ученые «Четырехдневка» — реальность или мечта? Где эта система уже работает, и что говорят ученые

Чем хороша четырехдневная рабочая неделя?

Популярная механика
Первая помощь Первая помощь

Вашей пары больше нет. Как примириться с новой реальностью и жить дальше?

Psychologies
С пьедестала на нары. Знаменитые спортсмены, сидевшие в тюрьме С пьедестала на нары. Знаменитые спортсмены, сидевшие в тюрьме

Когда забить — это не про гол, а сесть — не про скамейку запасных

Maxim
Как туннельное мышление мешает нам выбраться из бедности и что такое «саморазрушающееся пророчество» Как туннельное мышление мешает нам выбраться из бедности и что такое «саморазрушающееся пророчество»

Отрывок из книги Дэна Хиза «На шаг впереди»

Inc.
Пластырь с микроиглами доставил вакцину от вируса Денге в эпидермис мышей Пластырь с микроиглами доставил вакцину от вируса Денге в эпидермис мышей

Вакцина от вируса Денге оказалась эффективна при однократном введении

N+1
Открыть в приложении