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

История мира в шести стаканах История мира в шести стаканах

Как ваши любимые напитки изменили мир

kiozk originals
Образец для поражения Образец для поражения

О сериале «Холстон», его герое и его создателе

Weekend
«Мы лидеры по качеству звука, но по-прежнему теряем позиции на рынке»: с чего начинала и к чему пришла Sennheiser «Мы лидеры по качеству звука, но по-прежнему теряем позиции на рынке»: с чего начинала и к чему пришла Sennheiser

Sennheiser пришлось бороться с Beats, Sony и Apple в сфере качества звука

VC.RU
Худой мир Худой мир

Мы всё так же ведем самоотверженный бой с килограммами и сантиметрами

Cosmopolitan
Вызов брошен Вызов брошен

Чем отличается эпатаж от художественного высказывания?

Лиза
Почему на средневековых рисунках так много рыцарей, сражающихся с улитками Почему на средневековых рисунках так много рыцарей, сражающихся с улитками

В средние века улитка была символом трусости

Maxim
Кажется, Олли Александр вдохновляется Гарри Стайлсом Кажется, Олли Александр вдохновляется Гарри Стайлсом

Участники Brit Awards умеют удивлять неординарными образами

GQ
Светская львица и кузина: с кем принц Чарльз встречался до Дианы Спенсер Светская львица и кузина: с кем принц Чарльз встречался до Дианы Спенсер

Единственной настоящей любовью принца Чарльза всегда была Камилла Паркер-Боулз

Cosmopolitan
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
Автомобильные кладбища России: что там можно найти интересного Автомобильные кладбища России: что там можно найти интересного

Четыре загадочных автомобильных кладбища на территории России

РБК
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
10 самых причудливых научных открытий последних лет 10 самых причудливых научных открытий последних лет

Новости серьёзные и не очень, касающиеся животных, планеты и нас самих

Популярная механика
15 мыслей Владимира Машкова 15 мыслей Владимира Машкова

Владимир Машков — о счастье, страхе, журналистах и новом спектакле

GQ
Глава из книги Максима Семеляка Глава из книги Максима Семеляка

Отрывок из первой главы книги Максима Семеляка, посвященной Егору Летову

Esquire
Как сжигание мусора провоцирует болезни Как сжигание мусора провоцирует болезни

О наиболее токсичных веществах, которые вырабатываются при сжигании мусора

СНОБ
Плоская, пустая провокация: почему сериал «Холстон» с Юэном Макгрегором не оправдал ничьих ожиданий Плоская, пустая провокация: почему сериал «Холстон» с Юэном Макгрегором не оправдал ничьих ожиданий

Чем хорош и чем плох байопик «Холстон» об американском дизайнере?

Forbes
Как аудиоформаты завоевывают рынок и зачем они нужны Как аудиоформаты завоевывают рынок и зачем они нужны

Что происходит с рынком аудиоформатов в России и за ее пределами?

СНОБ
Что происходит с телом, когда ты начнешь бегать: 6 неожиданных и даже странных эффектов Что происходит с телом, когда ты начнешь бегать: 6 неожиданных и даже странных эффектов

Об этих нюансах бега стоит подумать заранее

Playboy
5 самых загадочных смертей известных людей 5 самых загадочных смертей известных людей

Защитит ли слава, власть или богатство от преждевременной смерти?

Maxim
Как изменились звезды телесаги «Две судьбы»: Семёнова, Вольская и другие Как изменились звезды телесаги «Две судьбы»: Семёнова, Вольская и другие

Российская мелодрама, которая стала нашим ответом латиноамериканским сериалам

Cosmopolitan
5 эпичных фильмов про супергероинь, которые уделают любого злодея 5 эпичных фильмов про супергероинь, которые уделают любого злодея

Пять лучших фильмах о супергероинях, которые могут справиться с любым злом

GQ
Защитить свои границы и ни с кем не поссориться: возможно ли это? Защитить свои границы и ни с кем не поссориться: возможно ли это?

Как избежать пустых конфликтов, защищая свои границы?

Psychologies
А любовь жива! Личная жизнь жен Бодрова, Галкина и других рано умерших артистов А любовь жива! Личная жизнь жен Бодрова, Галкина и других рано умерших артистов

Как изменились женщины, которые пережили боль потери любимого человека

Cosmopolitan
Личные драмы Ходченковой, Деревянко и других звезд сериала «Домашний арест» Личные драмы Ходченковой, Деревянко и других звезд сериала «Домашний арест»

Реальная жизнь звезд сериала «Домашний арест» полна драматических событий

Cosmopolitan
Запарил: тяжелая участь водяного пара и как его приручал человек Запарил: тяжелая участь водяного пара и как его приручал человек

Как человек использовал водяной пар в качестве источника энергии

Популярная механика
Вин Дизель: «Пока валяешься на земле, чей-то ботинок непременно заедет тебе по роже» Вин Дизель: «Пока валяешься на земле, чей-то ботинок непременно заедет тебе по роже»

Вин Дизель — о том, почему очередную часть франшизы «Форсаж» нельзя пропускать

Esquire
Скрывала это даже от семьи: история женщины, первой в мире увеличившей грудь Скрывала это даже от семьи: история женщины, первой в мире увеличившей грудь

Первой женщиной с искусственным бюстом стала многодетная мама

Cosmopolitan
Маньяки в жизни и в кино: почему нас завораживают образы серийных убийц Маньяки в жизни и в кино: почему нас завораживают образы серийных убийц

Когда и почему медиа стали одержимы маньяками — и каков их образ в культуре

Esquire
Трагикомедия от сценариста HBO Майкла Левитона: как жить, если совсем не умеешь врать Трагикомедия от сценариста HBO Майкла Левитона: как жить, если совсем не умеешь врать

Отрывок из книги Левитона «Если честно», посвященной правде и лжи

Forbes
Орнитологи-любители помогли оценить численность 9700 видов птиц Орнитологи-любители помогли оценить численность 9700 видов птиц

На планете сейчас обитает около 50 миллиардов диких птиц

N+1
Открыть в приложении