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
Накопительный эффект Накопительный эффект

Как детей в разном возрасте учить финансовой грамотности

OK!
Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача) Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача)

Почему женщины рожают дома и кто из селебрити предпочел естественные роды?

Cosmopolitan
С юмором и дерзостью С юмором и дерзостью

Возможно ли обустроить небольшой лофт для семьи из четырёх человек?

Идеи Вашего Дома
Я помню Я помню

У каждой семьи свои истории и «знаки войны». Мы тоже решили поделиться своими

Seasons of life
Глава из книги Максима Семеляка Глава из книги Максима Семеляка

Отрывок из первой главы книги Максима Семеляка, посвященной Егору Летову

Esquire
«Русский всадник в парадигме власти» «Русский всадник в парадигме власти»

Отрывок из книги Бэллы Шапиро о формировании культуры всадничества в России

N+1
Покусились на святое! Лучшие зарубежные экранизации русской классики Покусились на святое! Лучшие зарубежные экранизации русской классики

Экранизации русской классики, снятые за рубежом: обзор

Cosmopolitan
Все фильмы «Пила», от худшего к лучшему Все фильмы «Пила», от худшего к лучшему

Что из франшизы «Пила» стоит посмотреть, а что лучше пересидеть под шкафом

Maxim
От чего зависит твой рост? От чего зависит твой рост?

От чего зависит, достигнешь ли ты своего максимального потенциала в росте

Maxim
17 удивительных фактов о джинсах в их день рождения 17 удивительных фактов о джинсах в их день рождения

Подборка интересных фактов о самой классной в мире одежде

Maxim
10 самых популярных заблуждений о жизни в Средневековье 10 самых популярных заблуждений о жизни в Средневековье

Жуткие и забавные мелочи средневековой жизни — выдумка

Maxim
7 стилей поведения в рабочих конфликтах 7 стилей поведения в рабочих конфликтах

Когда мы работаем в коллективе, разногласия неизбежны

Psychologies
Вегетарианцы или мясоеды: ученые выяснили, кто здоровее Вегетарианцы или мясоеды: ученые выяснили, кто здоровее

Ученые: вегетарианцы могут оказаться здоровее мясоедов

Cosmopolitan
Ветер в волосах Ветер в волосах

Как правильно защищать волосы и ухаживать за ними летом?

Худеем правильно
Будет вам: каким будет ближайшее будущее человечества? Будет вам: каким будет ближайшее будущее человечества?

Cпециалисты рассуждают о ближайшем будущем человечества

Esquire
Австралийские дельфины-афалины включили себя в большие команды Австралийские дельфины-афалины включили себя в большие команды

Чтобы отслеживать социальные отношения, афалины используют сигнатурные свистки

N+1
Кейт и Меган уступили: принцессу Диану назвали самой красивой королевской особой Кейт и Меган уступили: принцессу Диану назвали самой красивой королевской особой

Диана Спенсер признана самой привлекательной королевской особой всех времен

Cosmopolitan
Журнал «Роллинг Стоун» составил список из 100 лучших сериалов-ситкомов Журнал «Роллинг Стоун» составил список из 100 лучших сериалов-ситкомов

Лучшие сериалы-ситкомы: «Друзья» на 38 месте, «Симпсоны» — лучшие

Maxim
Исчезающие кондоры облюбовали дом жительницы Калифорнии Исчезающие кондоры облюбовали дом жительницы Калифорнии

Численность калифорнийских кондоров растет благодаря охране

N+1
Форма воды Форма воды

Каждую весну и на подиумах, и на полках масс-маркета появляются тельняшки

Forbes Life
Научный способ заряжаться энергией по утрам Научный способ заряжаться энергией по утрам

Как чувствовать себя по утрам бодрым и довольным?

Psychologies
Отцы и дочки: 12 нюансов, которые стоит помнить папе девочки Отцы и дочки: 12 нюансов, которые стоит помнить папе девочки

Быть отцом дочери непросто, хотя и очень приятно

Cosmopolitan
План «Триумф»: почему современное русское искусство к мировой распродаже готово План «Триумф»: почему современное русское искусство к мировой распродаже готово

Место российского современного искусства на международной арт-сцене

Forbes
Квантование электрического заряда измерили линейкой Квантование электрического заряда измерили линейкой

Физики заставили каплю масла левитировать в оптической ловушке малой жесткости

N+1
30 до 30. Искусство 30 до 30. Искусство

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Искусство

Forbes
Скоро лето: что такое UVA и UVB лучи Скоро лето: что такое UVA и UVB лучи

Чем отличаются UVA и UVB лучи друг от друга? И есть ли другие типы лучей?

Популярная механика
Как сейчас выглядят любимые девушки Данилы Багрова из «Брата» и «Брата-2» Как сейчас выглядят любимые девушки Данилы Багрова из «Брата» и «Брата-2»

Актрисы, давшие образы героиням фильмов «Брата» и «Брат-2»

Cosmopolitan
Фоам роллер: в чем преимущества и как пользоваться этим массажером для спортсменов Фоам роллер: в чем преимущества и как пользоваться этим массажером для спортсменов

Фоам роллер — инструмент, который держать мышцы в форме

Playboy
Финансовая футурология: как инвесторы находят компании будущих побед Финансовая футурология: как инвесторы находят компании будущих побед

Неопределенность на рынках и усложняет выбор регионов для инвестирования

РБК
Открыть в приложении