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

Строки, оборванные пулей Строки, оборванные пулей

О судьбе архива поэта рассказывает Любовь Сумм, внучка Павла Когана

Дилетант
Как Симона Вейль отвоевала право на аборт во Франции и пыталась предотвратить Третью мировую войну Как Симона Вейль отвоевала право на аборт во Франции и пыталась предотвратить Третью мировую войну

Симона Вейль добилась для француженок права на аборт

Forbes
Вин Дизель об отцовстве, семейной страсти к машинам и путешествиях в космос Вин Дизель об отцовстве, семейной страсти к машинам и путешествиях в космос

Интервью c Вином Дизелем в честь выхода фильма «Форсаж 9»

GQ
Прививка от неудач. Правила подготовки к провалу от сотрудника Пентагона Прививка от неудач. Правила подготовки к провалу от сотрудника Пентагона

Отрывок из книги эксперта по стресс-менеджменту Гленна Ширальди «Самооценка»

Inc.
Бенкендорфы Бенкендорфы

Род Бенкендорфыов был известен благодаря Александру, душителю свобод

Дилетант
Биткоин – все еще валюта будущего? Биткоин – все еще валюта будущего?

Стоит ли доверять биткоину, и что стоит за этой валютой?

Популярная механика
Ставки, данные, три компьютера IBM: ​кто в 80-е придумал алгоритм, который угадывал результаты скачек Ставки, данные, три компьютера IBM: ​кто в 80-е придумал алгоритм, который угадывал результаты скачек

История о математике-любителе, который создал алгоритм, принёсший ему миллионы

VC.RU
Что такое синдром информационной усталости и как его преодолеть Что такое синдром информационной усталости и как его преодолеть

Разбираемся, как сохранить продуктивность и здоровье в непрерывном инфопотоке

РБК
Ушел из жизни основатель «сурового стиля»: знаковые работы Таира Салахова Ушел из жизни основатель «сурового стиля»: знаковые работы Таира Салахова

Каким запомнится Таир Салахов?

Forbes
Геронтологи оценили «срок годности» человеческого организма в 120-150 лет Геронтологи оценили «срок годности» человеческого организма в 120-150 лет

Анализы крови и фитнес-трекеры помогли определить предельный срок жизни человека

N+1
Вы свободны! Вы свободны!

От чего зависит независимость российских фрилансеров и их будущее

РБК
«Цилокар»: все о новом летающем автомобиле из России «Цилокар»: все о новом летающем автомобиле из России

В России запустили проект необычного транспортного средства

РБК
Растерянный метод Растерянный метод

Выставка «Соцреализм. Метаморфозы» и ускользании соцреализма

Weekend
Даосская «суперсила» Дэ: создаем гармонию внутри и снаружи Даосская «суперсила» Дэ: создаем гармонию внутри и снаружи

Какие практики помогают приблизиться к состоянию гармонии

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

Актриса и модель Александра Черкасова-Служитель

РБК
Лучшая веранда города: как превратить балкон в идеальное место для отдыха Лучшая веранда города: как превратить балкон в идеальное место для отдыха

Как сделать из балкона маленькую летнюю резиденцию

Esquire
Зачем War Thunder заказал трек-рекламу у Моргенштерна и что от этого получил — рассказывает директор по маркетингу Зачем War Thunder заказал трек-рекламу у Моргенштерна и что от этого получил — рассказывает директор по маркетингу

Для чего создатели игры War Thunder сделали рекламу с Моргенштерном?

VC.RU
Как расшифровывать буквенные индексы в названиях автомобилей Как расшифровывать буквенные индексы в названиях автомобилей

GTi, HDi, X-Line — вот это вот все, и что оно означает

Maxim
Сходить с шума: что такое мисофония — болезнь, при которой людей сводят с ума звуки Сходить с шума: что такое мисофония — болезнь, при которой людей сводят с ума звуки

Эксперт рассказывает о мисофонии — болезни, при которой людей сводят с ума звуки

Esquire
Не делай так: 5 привычек, из-за которых твое лицо стареет Не делай так: 5 привычек, из-за которых твое лицо стареет

5 привычек, которые помогут поддержать красоту и молодость лица

Cosmopolitan
Делай ноги! Как вырасти на 10 сантиметров и даже больше Делай ноги! Как вырасти на 10 сантиметров и даже больше

Больно, долго, дорого, но потом ты сам себе будешь завидовать

Maxim
Образование в долг: что не так с предложением Skyeng учить студентов в счет будущей зарплаты Образование в долг: что не так с предложением Skyeng учить студентов в счет будущей зарплаты

Как будет работать система обучения студентов в счет зарплаты и в чем ее риски

Forbes
Насилие, наркотики и самоубийства: фильмы про куртизанок, гейш и наложниц Насилие, наркотики и самоубийства: фильмы про куртизанок, гейш и наложниц

Фильмы про незавидную участь куртизанок

Cosmopolitan
Древнейшее изображение гориллы за пределами Африки нашли на шелковой миниатюре Древнейшее изображение гориллы за пределами Африки нашли на шелковой миниатюре

Древнейшее изображение гориллы, найденное за пределами Африки

N+1
Торговля на Amazon: как заработать в американском интернет-магазине Торговля на Amazon: как заработать в американском интернет-магазине

E-commerce становится все более популярным бизнесом среди новых предпринимателей

СНОБ
Минус килограмм за ночь: похудеть во сне вполне реально Минус килограмм за ночь: похудеть во сне вполне реально

Спать и худеть – это осуществимая мечта

Cosmopolitan
Что говорят о нас наши пищевые привычки Что говорят о нас наши пищевые привычки

По тому, как именно человек ест, можно многое узнать о нем самом

Psychologies
Спонтанный, но не совсем: почему о сиюминутном интиме стоит подумать заранее Спонтанный, но не совсем: почему о сиюминутном интиме стоит подумать заранее

Планировать секс вовсе не уныло, а круто

Playboy
Слово – защите Слово – защите

Интервью с активистками Аленой Поповой и Анной Ривиной

Harper's Bazaar
От слов к делу. Как колонками о прелестях ГУЛАГа нас готовят к тоталитарной диктатуре От слов к делу. Как колонками о прелестях ГУЛАГа нас готовят к тоталитарной диктатуре

Леонид Гозман: новый государственный порядок — это тотальное самовластье

СНОБ
Открыть в приложении