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

Нация умных людей Нация умных людей

История израильского экономического чуда

kiozk originals
Как произведение искусства становится обществом социальной справедливости Как произведение искусства становится обществом социальной справедливости

Григорий Ревзин о «Произведении искусства будущего» Рихарда Вагнера

Weekend
Как связаны йога и смех Как связаны йога и смех

В чем заключается философия йоги смеха

СНОБ
История бизнеса, который начался с забавы История бизнеса, который начался с забавы

Как маленький волгоградский бренд вышел на федеральный уровень

Домашний Очаг
Нудный объект желания. Почему девушки так боятся зануд Нудный объект желания. Почему девушки так боятся зануд

В жизни девушек есть две беды: целлюлит и мужчины-зануды

Maxim
Стоит ли отбирать добычу у собаки Стоит ли отбирать добычу у собаки

Глава, в которой «у Зинаиды отбирают добычу и на пол падает колбаса»

СНОБ
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
Иран и Саудовская Аравия: ждать ли союза давних врагов Иран и Саудовская Аравия: ждать ли союза давних врагов

Саудовцы инициируют переговоры с Тегераном

Эксперт
Нарушили и не заметили: 8 неожиданных штрафов для автомобилистов Нарушили и не заметили: 8 неожиданных штрафов для автомобилистов

Водители не придают значения недочетам в автомобиле и рискуют получить штрафы

РБК
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
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
Грег Абель — преемник легендарного инвестора Уоррена Баффета. Кто он такой и какая у него зарплата Грег Абель — преемник легендарного инвестора Уоррена Баффета. Кто он такой и какая у него зарплата

Инвестор Уоррен Баффет определился со своим преемником

СНОБ
Смерть после помолвки и истерика перед свадьбой: личные драмы Кейт Миддлтон Смерть после помолвки и истерика перед свадьбой: личные драмы Кейт Миддлтон

Герцогиня Кембриджская столкнулась с несколькими тяжелыми моментами

Cosmopolitan
Почему я больше не изменяю Почему я больше не изменяю

История женщины, которая отказалась от измен

Psychologies
Самые провальные номера России на «Евровидении»: Пугачева, Приходько и другие Самые провальные номера России на «Евровидении»: Пугачева, Приходько и другие

Почему даже мэтры российской эстрады терпели громкие поражения на «Евровидении»

Cosmopolitan
Павел Кудрявцев: «Мы построим самую инновационную сеть обслуживания» Павел Кудрявцев: «Мы построим самую инновационную сеть обслуживания»

Как ВТБ собирается стать ориентиром для всего финансового рынка

Forbes
NASA показало Юпитер в трёх разных cветовых диапазонах NASA показало Юпитер в трёх разных cветовых диапазонах

Снимки Юпитера в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах света

Популярная механика
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
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
О чем рассказали жидкие включения внутри древних алмазов О чем рассказали жидкие включения внутри древних алмазов

Ученые определили три различных периода образования алмазов на территории Африки

Популярная механика
Как разрешить затяжной семейный конфликт Как разрешить затяжной семейный конфликт

Психолог: как разрешить конфликт в семье и сохранить отношения

Psychologies
Джентльмены на светофорах. Простые правила, которые отличают культурного водителя от всех остальных Джентльмены на светофорах. Простые правила, которые отличают культурного водителя от всех остальных

А сколько из этих правил культурного водителя знаешь и соблюдаешь ты?

Maxim
Водителям напомнили о «летних» штрафах. Можно попасть на 500 тысяч рублей Водителям напомнили о «летних» штрафах. Можно попасть на 500 тысяч рублей

Куда нельзя заезжать на машине и за что штрафует экологическая полиция

РБК
Семейное наследие: как отделить свои чувства от чужих Семейное наследие: как отделить свои чувства от чужих

Чувства приходят и уходят, но оставляют в нас след, иногда очень глубокий

Psychologies
4 научные причины улыбаться чаще 4 научные причины улыбаться чаще

Причины улыбаться чаще и тренинг для тех, кто не слишком любит улыбку

Psychologies
Как правозащитная биография Андрея Сахарова прорастала через научные открытия и государственные преграды Как правозащитная биография Андрея Сахарова прорастала через научные открытия и государственные преграды

Историк Александр Радаев — о создателе первой советской водородной бомбы

Esquire
Первый парень на Кубани: как бывший штурман наводнил Россию самокатами и заработал сотни миллионов на их аренде Первый парень на Кубани: как бывший штурман наводнил Россию самокатами и заработал сотни миллионов на их аренде

Как Андрей Колесник развивает кикшеринг — «умную» аренду самокатов

Forbes
Мария Смольникова: «Если я кого-то играю, все обретает смысл» Мария Смольникова: «Если я кого-то играю, все обретает смысл»

Мария Смольникова — о переходе в новый театр и работе с Дмитрием Крымовым

Эксперт
Шаловливая юбка, «голые» трусики: эротические конфузы Шейк, Хадид и других звезд Шаловливая юбка, «голые» трусики: эротические конфузы Шейк, Хадид и других звезд

Актрисы и модели, которые прилюдно попали в неловкую ситуацию

Cosmopolitan
От 13 тысяч рублей к 100: как я ушла в IT и стала получать в семь раз больше От 13 тысяч рублей к 100: как я ушла в IT и стала получать в семь раз больше

Можно ли в 30 лет кардинально поменять свою жизнь, освоив новую профессию?

Cosmopolitan
Открыть в приложении