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

Кому светят звезды Michelin. Что важно знать о главном ресторанном гиде Кому светят звезды Michelin. Что важно знать о главном ресторанном гиде

Все, что нужно знать о Красном гиде Michelin

РБК
Тайные дети и крепкие браки: как сложилась личная жизнь звезд сериала «Триггер» Тайные дети и крепкие браки: как сложилась личная жизнь звезд сериала «Триггер»

Как сложилась личная жизнь артистов из сериала «Триггер»

Cosmopolitan
Как пережить развод: 8 советов от тех, кто уже сталкивался с бюрократическим расставанием Как пережить развод: 8 советов от тех, кто уже сталкивался с бюрократическим расставанием

Как пережить развод: 8 этапов

GQ
«Текущие финансовые реалии — это набор правил для стариков»: на чём зарабатывает финтех-гигант Джека Ма Ant Group «Текущие финансовые реалии — это набор правил для стариков»: на чём зарабатывает финтех-гигант Джека Ма Ant Group

Что происходит с Ant Group и чем она так важна для Китая?

VC.RU
Боул и поке – кулинарный тренд Боул и поке – кулинарный тренд

Что делать, если обычные салаты набили оскомину

Здоровье
Кайли Миноуг, Юлия Волкова и еще 7 знаменитых женщин, преодолевших рак Кайли Миноуг, Юлия Волкова и еще 7 знаменитых женщин, преодолевших рак

Ни cлава, ни богатство не дают гарантий того, что рак удастся избежать

Cosmopolitan
8 фактов о фильме «Список Шиндлера» 8 фактов о фильме «Список Шиндлера»

«Список Шиндлера» — умопомрачительно серьезный фильм Стивена Спилберга

Maxim
Большой Ангкор подтвердил статус одного из самых густонаселенных городов доиндустриальной эпохи Большой Ангкор подтвердил статус одного из самых густонаселенных городов доиндустриальной эпохи

На пике своего развития Большой Ангкор населяло около 700–900 тысяч человек

N+1
«Сахаров. Две жизни»: почему вам стоит посмотреть фильм о создателе водородной бомбы «Сахаров. Две жизни»: почему вам стоит посмотреть фильм о создателе водородной бомбы

«Сахаров. Две жизни» — байопик о пути академика Сахарова

GQ
Пожизненный пират: почему Лукашенко пошел на спецоперацию с самолетом Пожизненный пират: почему Лукашенко пошел на спецоперацию с самолетом

Лукашенко надеется, что разрыв с Западом поможет ему сохранить поддержку России

Forbes
Манижа заняла 9 место на «Евровидении» Манижа заняла 9 место на «Евровидении»

Какие наши болевые точки вывела из тени песня Манижи «Russian woman»?

Psychologies
Градусы разных широт: 15 занимательных историй об алкогольных напитках мира Градусы разных широт: 15 занимательных историй об алкогольных напитках мира

История крепкого алкоголя разных стран

Maxim
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
Дерзкая Карди Би: горячие фото королевы хип-хопа Дерзкая Карди Би: горячие фото королевы хип-хопа

Подборка откровенных фото популярной рэперши и история ее карьеры.

Playboy
«Отчаянные домохозяйки»: как изменились главные героини культового сериала «Отчаянные домохозяйки»: как изменились главные героини культового сериала

Сериал «Отчаянные домохозяйки» перевернул наши стереотипы

Cosmopolitan
Поступить на финтех: как заработать на блогерах, стримерах и курьерах Поступить на финтех: как заработать на блогерах, стримерах и курьерах

Три простых правила для стартаперов, желающих выйти на рынок финтеха

Forbes
9 самых смешных и жестких шуток про звезд на шоу «Прожарка»: от Собчак и Дудя до Тимати 9 самых смешных и жестких шуток про звезд на шоу «Прожарка»: от Собчак и Дудя до Тимати

Полная свобода творчества!

Playboy
Я тебя копчу Я тебя копчу

Почему мы начали коптить овощи?

Bones
5 книг выдающегося психолога современности 5 книг выдающегося психолога современности

Лучшие книги Роберта Лихи, которые помогут победить тревожность

Популярная механика
Ходченкова справится лучше? 10 актрис, сыгравших Анну Каренину Ходченкова справится лучше? 10 актрис, сыгравших Анну Каренину

Актрисы, с которыми так или иначе придется соперничать Светлане Ходченковой

Cosmopolitan
Как измерить время: обзор программ отслеживания рабочего времени Как измерить время: обзор программ отслеживания рабочего времени

Лучшие программы для трекинга рабочего времени

Популярная механика
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
Ложный след: почему ужесточение оборота оружия не поможет предотвратить трагедии в школах Ложный след: почему ужесточение оборота оружия не поможет предотвратить трагедии в школах

Ужесточение оборота оружия не повлияет на уровень насилия в школах

Forbes
Никаких симптомов: каждый пятый болен предиабетом и не знает об этом Никаких симптомов: каждый пятый болен предиабетом и не знает об этом

Что такое предиабет и как предотвратить его развитие?

Cosmopolitan
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Солнце в машине: как ученые сделали еще один шаг к управляемой термоядерной реакции и почему это может изменить мир Солнце в машине: как ученые сделали еще один шаг к управляемой термоядерной реакции и почему это может изменить мир

В России запустили термоядерный реактор, не имеющий аналогов в мире

Forbes
Гора серебряная Гора серебряная

Как добывают благородные металлы

Популярная механика
Завершение Европы Завершение Европы

Элиас Канетти как зеркало исчезнувшего континента

Weekend
Александр Збруев: Александр Збруев:

Александр Збруев знает, наверное, что такое счастье

Караван историй
Как изменились звезды сериала Как изменились звезды сериала

Как изменилась жизнь звезд проекта "Реальные пацаны"

Cosmopolitan
Открыть в приложении