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

Китайские антропологи выдали зуб оленя за человеческие останки Китайские антропологи выдали зуб оленя за человеческие останки

Ученые обнаружили серьезную ошибку в опубликованном в PNAS исследовании

N+1
5 способов вкусно приготовить гречку 5 способов вкусно приготовить гречку

Учим, как разнообразить рацион ПП-шника

GQ
«Деньги буквально валяются под ногами»: как Lipton сократил затраты, сделав ставку на устойчивое развитие «Деньги буквально валяются под ногами»: как Lipton сократил затраты, сделав ставку на устойчивое развитие

История о том, как компания Lipton сделала ставку на социальную ответственность

Forbes
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
5 книг выдающегося психолога современности 5 книг выдающегося психолога современности

Лучшие книги Роберта Лихи, которые помогут победить тревожность

Популярная механика
Тогда и сейчас: как выглядят Сандра, Си Си Кетч и другие кумиры дискотек 80-х Тогда и сейчас: как выглядят Сандра, Си Си Кетч и другие кумиры дискотек 80-х

Хиты этих исполнительниц звучали на каждой танцплощадке в СССР

Cosmopolitan
От проблем с желудком до депрессии: чем опасна неправильная осанка От проблем с желудком до депрессии: чем опасна неправильная осанка

Как осанка влияет на здоровье и эмоции?

Cosmopolitan
Как начать бегать новичку: 15 советов, как избежать травм и выработать привычку Как начать бегать новичку: 15 советов, как избежать травм и выработать привычку

Рекомендации экспертов для начинающих бегунов

Playboy
Швабры на $3 млрд: как домохозяйка построила бизнес-империю на «чудо-товарах» для дома Швабры на $3 млрд: как домохозяйка построила бизнес-империю на «чудо-товарах» для дома

История предпринимательницы, которой однажды надоело отжимать тряпку руками

Forbes
30 до 30. Музыка 30 до 30. Музыка

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Музыка

Forbes
Экологичный романтизм Экологичный романтизм

Маленькая квартира в новостройке с экологическими мотивами практичного дизайна

Идеи Вашего Дома
Lean — философия бережливого производства в стартапе Lean — философия бережливого производства в стартапе

Как метод Lean минимизирует потери финансов, времени и ресурсов

Популярная механика
Осознанные сновидения: как научиться управлять своими снами и зачем это надо Осознанные сновидения: как научиться управлять своими снами и зачем это надо

Думаешь, что осознанные сновидения – это понятие из альтернативной науки?

Cosmopolitan
Привет, 90-е! 14 любимых передач из нашего детства Привет, 90-е! 14 любимых передач из нашего детства

«Зов джунглей», «В мире животных» и другие любимые передачи детей 90-х

Cosmopolitan
Слушать кино: плей-лист режиссера «Конференции» Ивана И. Твердовского Слушать кино: плей-лист режиссера «Конференции» Ивана И. Твердовского

Подборка любимых треков от режиссера Ивана И. Твердовского

Esquire
Излучение от томографа помогло при болезни Альцгеймера Излучение от томографа помогло при болезни Альцгеймера

Малые дозы радиации оказались эффективны в борьбе против болезни Альцгеймера

N+1
Что было не так с волосами Трампа Что было не так с волосами Трампа

Дочь Трампа недавно раскрыла секрет его прически!

Maxim
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
Американские криминальные фильмы, основанные на реальных событиях: самые лучшие ленты XXI века Американские криминальные фильмы, основанные на реальных событиях: самые лучшие ленты XXI века

Подборка выдающихся голливудских картин, основанных на реальных преступлениях

Playboy
16 фильмов до 90 минут — для тех, кто очень занят 16 фильмов до 90 минут — для тех, кто очень занят

Подборка коротких фильмов до 90 минут, доступных на Netflix

Esquire
С юмором и дерзостью С юмором и дерзостью

Возможно ли обустроить небольшой лофт для семьи из четырёх человек?

Идеи Вашего Дома
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Счастливый грант Счастливый грант

Дарья Крошкина из Старого Оскола строит международный образовательный стартап

Forbes
10 неожиданных современных фильмов о Великой Отечественной и Второй мировой войне — в том числе из Эстонии, Финляндии и Южной Кореи 10 неожиданных современных фильмов о Великой Отечественной и Второй мировой войне — в том числе из Эстонии, Финляндии и Южной Кореи

Современные фильмы о войны, снятые с неожиданных ракурсов

Esquire
А был ли мальчик? А был ли мальчик?

Джастин Бибер вступил в опасный для американских артистов возраст 27 лет

GQ
Психология бедности: 5 установок, которые мешают хорошо зарабатывать Психология бедности: 5 установок, которые мешают хорошо зарабатывать

Почему одни люди богаты, а другие считают мелочь в кошельке?

Cosmopolitan
Может ли экологичный бизнес быть прибыльным в России? 6 факторов, на которые надо обратить внимание Может ли экологичный бизнес быть прибыльным в России? 6 факторов, на которые надо обратить внимание

Какие сложности ожидают бизнес, связанный с производством экотоваров

СНОБ
5 совершенно обычных предметов, на которых люди сделали состояние 5 совершенно обычных предметов, на которых люди сделали состояние

Самые знаменитые случаи незаслуженного обогащения

Maxim
Тренировки по ночам и до тошноты: как я поборола зависимость от спорта Тренировки по ночам и до тошноты: как я поборола зависимость от спорта

История девушки, которая смогла проработать зависимость от спорта

Cosmopolitan
Low and slow Low and slow

Российское барбекю с техасским акцентом

Bones
Открыть в приложении