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

Святой Людовик и Бани Святой Людовик и Бани

На портрете адмирала графа Гейдена изображен совершенно другой человек

Дилетант
Хватит ходить с суровым лицом: 7 способов находить причину улыбнуться каждый день Хватит ходить с суровым лицом: 7 способов находить причину улыбнуться каждый день

Отличная профилактика от дурного настроения

Playboy
Любители подземной тишины Любители подземной тишины

Что может быть страннее белых растений!

Наука и жизнь
Как разрешить затяжной семейный конфликт Как разрешить затяжной семейный конфликт

Психолог: как разрешить конфликт в семье и сохранить отношения

Psychologies
Между ними тает лед! Пять удивительных историй любви российских фигуристов Между ними тает лед! Пять удивительных историй любви российских фигуристов

Фигурное катание не зря называют самым романтичным видом спорта

Cosmopolitan
Мозг в огне. Как скрытое воспаление вызывает депрессию Мозг в огне. Как скрытое воспаление вызывает депрессию

Возможно, для лечения депрессии нужны не антидепрессанты, а антибиотики

Reminder
Как две капли воды: топ-10 звездных мам и их маленьких копий Как две капли воды: топ-10 звездных мам и их маленьких копий

Очаровательные дочки знаменитых мам, которые похожи на них как две капли воды

Cosmopolitan
Первая помощь Первая помощь

Вашей пары больше нет. Как примириться с новой реальностью и жить дальше?

Psychologies
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
Стресс и ПМС Стресс и ПМС

Как эмоциональные встряски влияют на женское здоровье?

Лиза
Убийца задач: как завершить все лишние процессы на Windows Убийца задач: как завершить все лишние процессы на Windows

Две программы для Windiws, которые помогут завершить все сторонние процессы

CHIP
Скандинавская романтика Скандинавская романтика

Квартира, оформленная в скандинавском стиле

Идеи Вашего Дома
История «Союза молодежи» История «Союза молодежи»

История Петербургского общества авангардистов

Культура.РФ
Почему мы считаем некоторых людей привлекательными: 4 неожиданные причины, доказанные научно Почему мы считаем некоторых людей привлекательными: 4 неожиданные причины, доказанные научно

Привлекательность — это не только симпатичная внешность

Playboy
Потерянная республика: почему Москва не может договориться с Киевом Потерянная республика: почему Москва не может договориться с Киевом

Политолог: стереотипы об Украине мешают выстроить диалог между странами

Forbes
Секреты жен миллиардеров: как похудели Хайек, Лонгория, Честейн и другие актрисы Секреты жен миллиардеров: как похудели Хайек, Лонгория, Честейн и другие актрисы

Голливудские актрисы раскрыли секреты стройности и красоты

Cosmopolitan
Как победить неравенство, выжить при авторитаризме и преодолеть кризис. 7 книг с ответами на главные вопросы об обществе и политике Как победить неравенство, выжить при авторитаризме и преодолеть кризис. 7 книг с ответами на главные вопросы об обществе и политике

Семь нон-фикшн книг, которые отвечают на важные социально-политические вопросы‎

СНОБ
«И вскоре я забыл отца. Как если бы он умер»: каким было детство Джона Леннона «И вскоре я забыл отца. Как если бы он умер»: каким было детство Джона Леннона

Глава о детстве Джона Леннона из его биографии, написанной Рэем Конноли

Forbes
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
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
Доказано, что люди отравляли океан микропластиком даже полвека назад Доказано, что люди отравляли океан микропластиком даже полвека назад

Пластиковый мусор разлагается на микрочастицы в океане еще с 1950-х

Популярная механика
«Не переживай, родишь другого»: с чем сталкиваются женщины, потерявшие ребенка «Не переживай, родишь другого»: с чем сталкиваются женщины, потерявшие ребенка

Как пережить перинатальную потерю и поддержать женщину, потерявшую ребенка

Cosmopolitan
Папа, мама, детский сад Папа, мама, детский сад

Готов ли ваш малыш к детскому саду?

Здоровье
Стресс связали с забыванием ложной информации Стресс связали с забыванием ложной информации

Человек забывает ложную информацию, воспринятую в состоянии тревоги

N+1
Марина Капуро. Простые радости Марина Капуро. Простые радости

«А что, Агнета приехала?» — спросил, услышав мой голос, модельер группы ABBA

Коллекция. Караван историй
Контекст может всё разрушить Контекст может всё разрушить

Переговорный приём, о котором вам не рассказывали

VC.RU
MONA SONGZ MONA SONGZ

MONA SONGZ рассказал, как Меладзе отреагировал на его кавер

ЖАРА Magazine
10 домашних растений, которые помогут привлечь любовь и богатство 10 домашних растений, которые помогут привлечь любовь и богатство

Какое растение стоит завести, чтобы притянуть в свою жизнь удачу и любовь?

Cosmopolitan
Глава WeWork заявил, что удалёнка нравится тем, кто мало вовлечен в работу. Его осудили за категоричность и предвзятость Глава WeWork заявил, что удалёнка нравится тем, кто мало вовлечен в работу. Его осудили за категоричность и предвзятость

Глава WeWork заявил, что удалёнка нравится лишь менее вовлечённым сотрудникам

Inc.
Денис Родькин и Элеонора Севенард: Денис Родькин и Элеонора Севенард:

Он хотел стать машинистом, она же с детства мечтала о балете

Караван историй
Открыть в приложении