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

Что не так с книгой об американских издателях Бродского и Булгакова Что не так с книгой об американских издателях Бродского и Булгакова

Почему основатели «Ардиса» Карл и Эллендея Профферы заслуживают большего

РБК
Респектабельный центр Респектабельный центр

Апартаменты, в которых сочетаются респектабельные традиции и современные решения

Идеи Вашего Дома
Все равны, но мужья равнее: как возникло моногамное супружество Все равны, но мужья равнее: как возникло моногамное супружество

Как возникла традиционная — патриархальная и моногамная — семья

Forbes
«Выстрелил, уехал…»: 7 фактов о самой трусливой самоходке Второй мировой «Выстрелил, уехал…»: 7 фактов о самой трусливой самоходке Второй мировой

История американской «Ведьмы»

Maxim
10 фактов о фильме «Москва слезам не верит» 10 фактов о фильме «Москва слезам не верит»

Все, что ты не знал о самом оскароносном фильме Советского Союза

Maxim
Угли — всему голова Угли — всему голова

Наши предки не знали слова «барбекю», но мясо на костре жарили с удовольствием

Bones
Что делать, если машину повредили на мойке. Инструкция и советы Что делать, если машину повредили на мойке. Инструкция и советы

Кто ответит за повреждения, которые обнаружились на автомобиле после мойки?

РБК
Мы все манипуляторы? Мы все манипуляторы?

Люди нередко подозревают друг друга в манипулировании. Кто прав?

Psychologies
Деморализующий кнут: почему самобичевание не приводит к успеху Деморализующий кнут: почему самобичевание не приводит к успеху

Отрывок из книги «Самосострадание» Кристин Нефф

Forbes
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
Голову одной жены Франциска I заменили на голову другой в часослове XV века Голову одной жены Франциска I заменили на голову другой в часослове XV века

Подмену в средневековой миниатюре обнаружили на инфракрасной фотографии

N+1
155-килограммовая Тесс Холлидей страдает от анорексии: как это возможно? 155-килограммовая Тесс Холлидей страдает от анорексии: как это возможно?

Модель плюс-сайз Тесс Холлидей болеет анорексией, которая бывает только у худых!

Cosmopolitan
Гусарская баллада: женщина, которая всю жизнь притворялась мужчиной Гусарская баллада: женщина, которая всю жизнь притворялась мужчиной

На что была бы похожа история реальной Шурочки из фильма «Гусарская баллада»

Cosmopolitan
На месте средневекового кораблекрушения нашли стеклобой для вторичной переработки На месте средневекового кораблекрушения нашли стеклобой для вторичной переработки

На затонувшем торговом корабле обнаружены два килограмма стеклянных осколков

N+1
«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
Перовскиты продлили жизнь платиновым частицам в автомобильных катализаторах Перовскиты продлили жизнь платиновым частицам в автомобильных катализаторах

Британские и корейские химики сумели продлить жизнь платиновым катализаторам

N+1
Дочь Деми Мур и Брюса Уиллиса рассказала о своем психическом расстройстве Дочь Деми Мур и Брюса Уиллиса рассказала о своем психическом расстройстве

Непринятие своего тела — не редкость в современном мире

Psychologies
Киноперсонажи, судьбу которых нам забыли рассказать Киноперсонажи, судьбу которых нам забыли рассказать

Истории героев фильмов, о которых внезапно забыли

Maxim
Марка, за которой стоит следить: российские джинсы на заказ и кастомный деним BLCV Марка, за которой стоит следить: российские джинсы на заказ и кастомный деним BLCV

Присматриваемся к марке-ателье BLCV

Esquire
Порошок из сверчков: что известно о новом суперфуде, захватившем бьюти-мир Порошок из сверчков: что известно о новом суперфуде, захватившем бьюти-мир

Суперфуды всегда в топе, что бы они собой ни представляли

Cosmopolitan
Рот на замок, гантели в руки: известные мужчины, которые заставляют жен худеть Рот на замок, гантели в руки: известные мужчины, которые заставляют жен худеть

На героинь этой подборки фраза «Мое тело — мое дело» не распространяется

Cosmopolitan
Императорский паланкин Императорский паланкин

Работы художника Яня Либэня стали эталоном придворного портретного искусства

Дилетант
30 до 30. Управление 30 до 30. Управление

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Управление

Forbes
Cream Soda: «Вечеринки возвращаются!» Cream Soda: «Вечеринки возвращаются!»

Репортаж с концерта Cream Soda

ЖАРА Magazine
«Русский всадник в парадигме власти» «Русский всадник в парадигме власти»

Отрывок из книги Бэллы Шапиро о формировании культуры всадничества в России

N+1
VR-кисточка с регулируемой жесткостью позволила погладить виртуального котенка VR-кисточка с регулируемой жесткостью позволила погладить виртуального котенка

Устройство HairTouch, подсоединенное к VR-контроллеру, позволило погладить кота

N+1
Как произведение искусства становится обществом социальной справедливости Как произведение искусства становится обществом социальной справедливости

Григорий Ревзин о «Произведении искусства будущего» Рихарда Вагнера

Weekend
Сухой закон Сухой закон

Как уменьшить выделение пота в жару и справиться с неприятным запахом?

Добрые советы
«Почему женщины убивают», экранизация Стивена Кинга и возвращение «Друзей»: 11 самых ожидаемых сериалов лета «Почему женщины убивают», экранизация Стивена Кинга и возвращение «Друзей»: 11 самых ожидаемых сериалов лета

Главные летние сериальные премьеры: Стивен Кинг, Тед Лассо и другие

Forbes
Скатертью дорожка Скатертью дорожка

Руководство по обустройству тропинок на дачном участке

Лиза
Открыть в приложении