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

Критика чистого разума Критика чистого разума

Революционная классика философской мысли о пределах человеческого разума

kiozk originals
Думали, не заметим? Звездные мужчины, которые делают татуаж Думали, не заметим? Звездные мужчины, которые делают татуаж

Считаешь, что перманентный макияж — исключительно женская процедура?

Cosmopolitan
Не до шуток: ждать ли нового обвала крипторынка Не до шуток: ждать ли нового обвала крипторынка

Крипторынок не устоял под натиском властей Китая

Forbes
Соавтор «Пиши, сокращай» Людмила Сарычева — о том, как написать успешную книгу Соавтор «Пиши, сокращай» Людмила Сарычева — о том, как написать успешную книгу

Как написать успешную книгу

СНОБ
Миф или правда? Укрепила спину — попрощалась с морщинами: мнение экспертов Миф или правда? Укрепила спину — попрощалась с морщинами: мнение экспертов

Можно ли забыть о морщинах на лице, исправив осанку?

Cosmopolitan
Как изменились Ходченкова, Балуев и другие звезды фильма «Благословите женщину» Как изменились Ходченкова, Балуев и другие звезды фильма «Благословите женщину»

Что стало со звездами фильма «Благословите женщину» и чем они занимаются сейчас?

Cosmopolitan
Хабиб: Хабиб:

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

Cosmopolitan
9 причин, когда ГИБДД не поставит машину на учет. Список 9 причин, когда ГИБДД не поставит машину на учет. Список

Когда на автомобили могут быть наложены ограничения на регистрационные действия

РБК
Углеродный ноль: как технологии помогают решить проблему выбросов в атмосферу Углеродный ноль: как технологии помогают решить проблему выбросов в атмосферу

Сокращения углеродного следа стало ключевой целью современных корпораций

Forbes
Тиран или жертва? Поступки Меган Маркл, которые взбесили общественность Тиран или жертва? Поступки Меган Маркл, которые взбесили общественность

Поступки супруги принца Гарри, которые привели общественность в ярость

Cosmopolitan
Царь горы Царь горы

Чем для светской общины Николиной Горы был погибший Александр Липницкий

Tatler
Никаких советов! О чем нельзя говорить беременным и молодым мамам Никаких советов! О чем нельзя говорить беременным и молодым мамам

Что не стоит говорить маме, чтобы не нарваться на грубость

Cosmopolitan
Путешествуем дома: как государства сопротивляются краху туристической отрасли Путешествуем дома: как государства сопротивляются краху туристической отрасли

Что происходит с туристической отраслью и как развивается внутренний туризм

Forbes
Фоам роллер: в чем преимущества и как пользоваться этим массажером для спортсменов Фоам роллер: в чем преимущества и как пользоваться этим массажером для спортсменов

Фоам роллер — инструмент, который держать мышцы в форме

Playboy
Что читать о войне: пять неочевидных книг и два блокадных дневника Что читать о войне: пять неочевидных книг и два блокадных дневника

Неожиданные или неочевидные книги о войне — для взрослых и детей

Seasons of life
Светская львица и кузина: с кем принц Чарльз встречался до Дианы Спенсер Светская львица и кузина: с кем принц Чарльз встречался до Дианы Спенсер

Единственной настоящей любовью принца Чарльза всегда была Камилла Паркер-Боулз

Cosmopolitan
Как экономить на продуктах питания без вреда для здоровья: 9 умных лайфхаков Как экономить на продуктах питания без вреда для здоровья: 9 умных лайфхаков

Подборка советов по организации здорового и бюджетного питания

Playboy
Инна Маликова: «Для меня существует одна диета – не переедать» Инна Маликова: «Для меня существует одна диета – не переедать»

Инна Маликова откровенно рассказала о том, что позволяет ей сохранять фигуру

Худеем правильно
Как и зачем психологи работают с абьюзерами Как и зачем психологи работают с абьюзерами

Психологи: как психотерапия помогает агрессорам измениться к лучшему

Psychologies
Паразиты превратили рабочих муравьев в ленивых долгожителей Паразиты превратили рабочих муравьев в ленивых долгожителей

Черви, паразитирующие на муравьях, увеличили продолжительность жизни хозяев

N+1
Ветер в волосах Ветер в волосах

Как правильно защищать волосы и ухаживать за ними летом?

Худеем правильно
10 актеров, неудачно порвавшие с привычным образом 10 актеров, неудачно порвавшие с привычным образом

Если рассудок и жизнь дороги вам, никогда не выходите из зоны комфорта!

Maxim
Трагические судьбы звезд сериала «Участок»: Краско, Галкина, Булдакова и других Трагические судьбы звезд сериала «Участок»: Краско, Галкина, Булдакова и других

Сериал «Участок» сразу полюбился отечественному зрителю

Cosmopolitan
«Игра престолов» в космосе: фантастические циклы для поклонников саги Джорджа Мартина «Игра престолов» в космосе: фантастические циклы для поклонников саги Джорджа Мартина

Циклы, которые имеют все шансы прийтись по вкусу любителям «Игры престолов»

Популярная механика
30 до 30. Спорт 30 до 30. Спорт

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Спорт

Forbes
Мистер спорта Мистер спорта

Почему от некоторых мужчин, увлеченных здоровым образом жизни, хочется бежать

Cosmopolitan
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
Сколько б ни стреляла, начинай с начала: каким получился шутер Returnal Сколько б ни стреляла, начинай с начала: каким получился шутер Returnal

Returnal — хардкор-шутер от студии Housemarque

Esquire
Имплант вместо музыки Имплант вместо музыки

О «Звуке металла» и о том, за что он получил свои «Оскары»

Weekend
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
Открыть в приложении