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 такое гипомания и зачем лечить от счастья Что такое гипомания и зачем лечить от счастья

Что такое гипомания и когда стоит насторожиться?

РБК
Хабиб: Хабиб:

Звезда TikTok Хабиб пообщался с Cosmo и рассказал о своем секрете успеха

Cosmopolitan
Легко! Завести служебный роман Легко! Завести служебный роман

Как правило, служебный роман ни к чему хорошему не приводит, но ты исключение

Maxim
Эмигрантские истории в романе Нуне Барсегян «Кем считать плывущих». Публикуем фрагмент Эмигрантские истории в романе Нуне Барсегян «Кем считать плывущих». Публикуем фрагмент

Глава из романа А. Нуне «Кем считать плывущих» о проблемах западного общества

Esquire
Хлорка и металл: 10 запахов вагины и что они означают Хлорка и металл: 10 запахов вагины и что они означают

Запахи, которые могут говорить о проблемах с женским здоровьем

Cosmopolitan
Сомалийское побережье оказалось крупным перевалочным пунктом средневековой торговли Сомалийское побережье оказалось крупным перевалочным пунктом средневековой торговли

Археологи обнаружили крупные поставки импортных товаров для торговли

N+1
Сергей Лазарев: «Я не даю себе права на ошибку» Сергей Лазарев: «Я не даю себе права на ошибку»

Сергей Лазарев – о первых серьезных наградах и ностальгии по студенчеству

Cosmopolitan
5 известных книг, которые писались в годы эпидемий 5 известных книг, которые писались в годы эпидемий

Произведения литературы, которые создавались в самых неподходящих условиях

Культура.РФ
Почему мы толстеем после замужества: статистика и мнение психолога Почему мы толстеем после замужества: статистика и мнение психолога

Длительные отношения меняют в нас всё: от взглядов на жизнь до отметки на весах

Cosmopolitan
Экологичный романтизм Экологичный романтизм

Маленькая квартира в новостройке с экологическими мотивами практичного дизайна

Идеи Вашего Дома
Китайские антропологи выдали зуб оленя за человеческие останки Китайские антропологи выдали зуб оленя за человеческие останки

Ученые обнаружили серьезную ошибку в опубликованном в PNAS исследовании

N+1
«Битва за Версаль», бал Трумена Капоте, взлет и падение: что нужно знать о дизайнере Рое Холстоне «Битва за Версаль», бал Трумена Капоте, взлет и падение: что нужно знать о дизайнере Рое Холстоне

Почему дизайнер Рой Холстон интересен даже тем, кто далек от моды

Esquire
Красота по-итальянски: бьюти-эволюция Моники Беллуччи Красота по-итальянски: бьюти-эволюция Моники Беллуччи

Моника Беллуччи - истинное воплощение итальянского стиля и красоты

Cosmopolitan
Токсичные отношения: какие они на самом деле? Токсичные отношения: какие они на самом деле?

Как вовремя распознать, что из отношений пора бежать?

Psychologies
5 лучших военных сериалов последних лет (среди них есть даже нестыдный российский) 5 лучших военных сериалов последних лет (среди них есть даже нестыдный российский)

Милитари-драмы, которые ты мог пропустить

Playboy
В порядке вещей В порядке вещей

Дом под Санкт-Петербургом стал территорией технологий и стерильного порядка

AD
Анорексия: признаки, причины, перспективы лечения Анорексия: признаки, причины, перспективы лечения

Часто строгие диеты и переизбыток спорта приводят к анорексии

РБК
Все возмущаются высокими ценами на отдых в Крыму. Они действительно «космические‎»‎? Все возмущаются высокими ценами на отдых в Крыму. Они действительно «космические‎»‎?

Что можно получить за одни и те же деньги на отдыхе в Крыму и в Турции?

СНОБ
Людмила Ковалева Людмила Ковалева

Людмила Ковалева не стала примой Мариинского театра — но воспитала Диану Вишневу

Собака.ru
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
Как я перестал волноваться и изобрел водородную бомбу: 100 лет Андрею Сахарову Как я перестал волноваться и изобрел водородную бомбу: 100 лет Андрею Сахарову

Как Андрей Сахаров из физика-теоретика превратился в диссидента и общественника

Cosmopolitan
Химики сварили наномагнитики для поглощения 6G-излучения Химики сварили наномагнитики для поглощения 6G-излучения

Российские химики в десятки раз ускорили синтез очень редкого оксида железа

N+1
13 фраз, которые могут заставить вас сомневаться в своей адекватности 13 фраз, которые могут заставить вас сомневаться в своей адекватности

Как понять, что за чужой любовью и заботой скрываются манипуляции

Psychologies
Бремя белого человека: как СССР и США заходили в Афганистан и что из этого получилось Бремя белого человека: как СССР и США заходили в Афганистан и что из этого получилось

Какую партию разыграли США и СССР в Афганистане

Esquire
«Царь-батюшка»: почему мы относимся к властям как к родителям «Царь-батюшка»: почему мы относимся к властям как к родителям

Вы часто говорите, что в ваших проблемах виноваты власти?

Psychologies
Любимая стрекоза Сталина: трагическая судьба балерины Ольги Лепешинской Любимая стрекоза Сталина: трагическая судьба балерины Ольги Лепешинской

Судьба знаменитой балерины Ольги Лепешинской полна разными событиями

Cosmopolitan
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
Роман с кокаином. Как относились к наркотическим веществам в царской России Роман с кокаином. Как относились к наркотическим веществам в царской России

В Российской империи наркотики были практически декриминализованы

СНОБ
Палеонтологи описали древнейшую бокошейную черепаху из Северной Америки Палеонтологи описали древнейшую бокошейную черепаху из Северной Америки

Древнейшая черепаха обитала в прибрежных морских водах 95-96 миллионов лет назад

N+1
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Открыть в приложении