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

Число Данбара не подружилось с современной статистикой Число Данбара не подружилось с современной статистикой

Шведские исследователи не смогли определить точное значение числа Данбара

N+1
Все, что ты хотела знать об интимном лазерном омоложении, но стеснялась спросить Все, что ты хотела знать об интимном лазерном омоложении, но стеснялась спросить

Что такое интимное лазерное омоложение и как оно влияет на секс?

Cosmopolitan
Главное чудо Главное чудо

Даже в далеком зауральском городке дети спорят о тайнах Вселенной

СНОБ
Видеть мозгом: технология кортикальной имплантации позволит слепым вновь увидеть мир Видеть мозгом: технология кортикальной имплантации позволит слепым вновь увидеть мир

Представьте себе, что человеческое зрение – это современный цифровой фотоаппарат

Популярная механика
Нарисуем, будем жить Нарисуем, будем жить

Модные интерьеры все чаще строятся вокруг современного искусства

Vogue
Чуждые россиянам идеи. Почему Сахаров проиграл, а Путин выиграл Чуждые россиянам идеи. Почему Сахаров проиграл, а Путин выиграл

Почему идеи академика Сахарова оказались чуждыми большинству народа?

СНОБ
Эпоха Возрождения Эпоха Возрождения

Исторический тосканский особняк

SALON-Interior
5 крутых фильмов про ниндзя и самураев 5 крутых фильмов про ниндзя и самураев

Рекомендуем брутальное кино со сверкающими катанами

GQ
Почему немецкие бомбардировщики издавали такой страшный звук Почему немецкие бомбардировщики издавали такой страшный звук

Издавать известный всем по военным фильмам рев умел только самолет «Юнкерс-87»

Maxim
Дети-вампиры, пионерлагерь и ностальгия по 80-м: новый сериал «Пищеблок» Дети-вампиры, пионерлагерь и ностальгия по 80-м: новый сериал «Пищеблок»

«Пищеблок» — здесь творится что-то необычное, настоящая мистика

Cosmopolitan
Демоны Аннелизы: как погибла девушка с эпилепсией, из которой изгоняли бесов Демоны Аннелизы: как погибла девушка с эпилепсией, из которой изгоняли бесов

«Шесть демонов Эмили Роуз». фильмы снятые по мотивам реальной истории

Cosmopolitan
У меня лапки У меня лапки

Девушка, у которой много кошек, — не мем, а образ жизни

Tatler
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
Дорого и несчастливо: открытые браки и сложные разводы миллиардеров из списка Forbes Дорого и несчастливо: открытые браки и сложные разводы миллиардеров из списка Forbes

Как встречались, жили и расходились американские пары с крупными состояниями

Forbes
Перед ледниковым периодом Европу заселили генетически разнообразные популяции охотников-собирателей Перед ледниковым периодом Европу заселили генетически разнообразные популяции охотников-собирателей

Палеогенетики выделили геном женщины из Румынии древностью около 34 тысяч лет

N+1
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
«Нам надо пожить отдельно»: 8 правил временного расставания «Нам надо пожить отдельно»: 8 правил временного расставания

Правила временной сепарации с партнером, которые помогут улучшить отношения

Psychologies
Шрам, лайк и видео Шрам, лайк и видео

«Мейнстрим» Джиа Копполы — устаревшее высказывание о вреде интернета

Weekend
Минута славы: как сложились судьбы победителей «Фабрики звезд» Минута славы: как сложились судьбы победителей «Фабрики звезд»

Что стало с выпускниками «Фабрики звезд»

Cosmopolitan
Как аудиоформаты завоевывают рынок и зачем они нужны Как аудиоформаты завоевывают рынок и зачем они нужны

Что происходит с рынком аудиоформатов в России и за ее пределами?

СНОБ
Обнаружено письмо Эйнштейна о пчелах и перелетных птицах Обнаружено письмо Эйнштейна о пчелах и перелетных птицах

Альберт Эйнштейн размышляет, как изучение животных может помочь физикам

N+1
12 табу: что допускается в России, но под запретом в США 12 табу: что допускается в России, но под запретом в США

В каждой стране свои нормы поведения

Лиза
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
«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
От Люка Хоббса до Джо Кингмана: 10 лучших ролей Дуэйна Джонсона От Люка Хоббса до Джо Кингмана: 10 лучших ролей Дуэйна Джонсона

Самые яркие роли актера, рестлера и бизнесмена Дуэйна «Скалы» Джонсона

GQ
Акульи зубы, бивни мамонтов и черепа бизонов: кто ищет окаменелости в России и зарабатывает на этом Акульи зубы, бивни мамонтов и черепа бизонов: кто ищет окаменелости в России и зарабатывает на этом

Где найти следы древних животных, что пользуется спросом?

VC.RU
18 лет vs 30: кому нужны «соревнования» между женщинами разного возраста 18 лет vs 30: кому нужны «соревнования» между женщинами разного возраста

Кто внушил женщинам 30+, что им надо быть не хуже вчерашних школьниц

Cosmopolitan
Ученые назвали худший год в истории человечества Ученые назвали худший год в истории человечества

Как выглядел настоящий конец света, и откуда, собственно, пошло это выражение

Maxim
«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
5 вопросов, которые стоит себе задать, прежде чем высказать свое мнение 5 вопросов, которые стоит себе задать, прежде чем высказать свое мнение

О чем надо поразмыслить, прежде чем делиться с окружающими своим ценным мнением

Psychologies
Открыть в приложении