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

Исаак Ньютон Исаак Ньютон

Вся правда о легендарном ученом

kiozk originals
9 способов оставаться активными для тех, кто не любит спорт 9 способов оставаться активными для тех, кто не любит спорт

Если вы не любите ходить на спорт, то спорт может прийти к вам

Psychologies
«Ничего не бойся и не сомневайся в себе!» Интервью со Светланой Ходченковой «Ничего не бойся и не сомневайся в себе!» Интервью со Светланой Ходченковой

Светлана Ходченкова отвечает на вопросы

Cosmopolitan
Надел мамино пальто и пошел в школу: самые громкие шутинги в России Надел мамино пальто и пошел в школу: самые громкие шутинги в России

Похоже, что лучше всего безопасность в школах обеспечат удаленка и каникулы

Maxim
Соки, мороженое, сгущенка и еще пять вещей, которые Микоян внедрил в СССР после поездки в США Соки, мороженое, сгущенка и еще пять вещей, которые Микоян внедрил в СССР после поездки в США

Анастас Микоян сделал советское меню таким, каким мы его знаем сейчас

Maxim
Что такое шоссейное-кольцевые гонки, и как устроен этот вид спорта? Что такое шоссейное-кольцевые гонки, и как устроен этот вид спорта?

Десять вопросов профессиональному гонщику

GQ
Измены, деньги, ссоры: почему так быстро разводятся участники «Дома-2» Измены, деньги, ссоры: почему так быстро разводятся участники «Дома-2»

Пары «Дома-2», которые успели и построить любовь, и разобрать ее по кирпичикам

Cosmopolitan
Освоение Арктики: «Севморпуть» возвращается Освоение Арктики: «Севморпуть» возвращается

Россия вновь взялась за Арктику всерьез

Популярная механика
«Я написал 400 девушкам и не получил ни одного ответа». Монологи взрослых девственников «Я написал 400 девушкам и не получил ни одного ответа». Монологи взрослых девственников

Девственники из трех стран рассказали, почему им не удается найти женщину

СНОБ
За два часа российский квантовый симулятор решил задачу, на которую ушла неделя работы мощного вычислительного кластера За два часа российский квантовый симулятор решил задачу, на которую ушла неделя работы мощного вычислительного кластера

Квантовый компьютер создал сложную симуляцию за фантастически короткое время

Популярная механика
Как один-единственный человек весь Пакистан вооружил атомными бомбами Как один-единственный человек весь Пакистан вооружил атомными бомбами

История Абдула Кадыр Хана, или не грози Пакистану, попивая чай у себя в Нью Дели

Maxim
Семейный бизнес: как старейшая итальянская марка развивает тренд на экологичность в России Семейный бизнес: как старейшая итальянская марка развивает тренд на экологичность в России

Генеральный директор Boggi Milano — о том, как бренд открыл 10 бутиков в России

Forbes
Авитаминоз и как с ним бороться: тренировка для бодрости Авитаминоз и как с ним бороться: тренировка для бодрости

Кардиотренировки помогут поддерживать витамины в теле

Cosmopolitan
В Канаде запустили приложение для управления выбором людей за деньги В Канаде запустили приложение для управления выбором людей за деньги

Кортни Смит создала приложение, позволяющее контролировать решения людей

Inc.
Красотки в бикини: пикантные фото дочерей Веры Брежневой, Валерии и других звезд Красотки в бикини: пикантные фото дочерей Веры Брежневой, Валерии и других звезд

Эти девушки унаследовали от своих мам не только красоту, но и сексуальные фигуры

Cosmopolitan
Тренировки по ночам и до тошноты: как я поборола зависимость от спорта Тренировки по ночам и до тошноты: как я поборола зависимость от спорта

История девушки, которая смогла проработать зависимость от спорта

Cosmopolitan
6 ошибок, которые не совершают финансово грамотные люди 6 ошибок, которые не совершают финансово грамотные люди

Необдуманные шаги, которые не в правилах финансово грамотных людей?

Psychologies
Андрей Мостовой: «В чемпионской раздевалке я был самым активным» Андрей Мостовой: «В чемпионской раздевалке я был самым активным»

Футболист Андрей Мостовой рассказал о победе «Зенита» и что думает о Дзюбе

GQ
8 ужастиков с самыми зловещими концовками 8 ужастиков с самыми зловещими концовками

Никакого хеппи-энда, только хардкор!

Maxim
11 известных актеров, которые одинаково блестяще сыграли как злодеев, так и положительных героев 11 известных актеров, которые одинаково блестяще сыграли как злодеев, так и положительных героев

Настоящие универсальные солдаты киноиндустрии!

Playboy
Кухня цвета Кухня цвета

Мартин Штайн изобрел уникальную систему питания Waldhotel Colour Cuisine

Bones
Экземпляр единственный Экземпляр единственный

Потери авиации на советско-германском фронте в июне — июле 1941 года

Дилетант
Астрономы нашли в холодных комах комет атомы железа и никеля Астрономы нашли в холодных комах комет атомы железа и никеля

Астрономы обнаружили атомы железа и никеля в холодных комах комет

N+1
Юмор, анекдоты и личный пример: как не отбить у ребенка желание учиться Юмор, анекдоты и личный пример: как не отбить у ребенка желание учиться

Стремление учиться заложено в человека природой, его нужно только сохранить

Популярная механика
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
Как предложить девушке секс втроем: 6 лучших способов, чтобы «жмж» состоялся Как предложить девушке секс втроем: 6 лучших способов, чтобы «жмж» состоялся

Гайд для новичков по организации секса втроем

Playboy
Физики извлекли из эксперимента массовый радиус протона Физики извлекли из эксперимента массовый радиус протона

Протон изучают давно, но до сих пор не совсем понятно, как он устроен

N+1
Все такие творческие: как руководить креативной командой Все такие творческие: как руководить креативной командой

Если ваша команда состоит из креативщиков, к людям нужен особый подход

Inc.
10 женских секретов, которые не должен узнать твой мужчина 10 женских секретов, которые не должен узнать твой мужчина

То, что для тебя важно, твой мужчина может воспринять как пустую трату времени

Cosmopolitan
Говорит и доказывает Говорит и доказывает

Как можно трезво смотреть на актуальные процессы и оставаться главным оптимистом

Harper's Bazaar
Открыть в приложении