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

Империя иллюзий Империя иллюзий

Конец образованности и триумф шоу

kiozk originals
Мобильный топ: 10 лучших игр для смартфонов на Android Мобильный топ: 10 лучших игр для смартфонов на Android

Десятка самых интересных мобильных игр

CHIP
Лионелла Пырьева. О друзьях и недругах Лионелла Пырьева. О друзьях и недругах

Жизнь и профессия Лионеллы Пырьевой

Коллекция. Караван историй
Красота по-итальянски: бьюти-эволюция Моники Беллуччи Красота по-итальянски: бьюти-эволюция Моники Беллуччи

Моника Беллуччи - истинное воплощение итальянского стиля и красоты

Cosmopolitan
10 тюремных лайфхаков, применимых в быту 10 тюремных лайфхаков, применимых в быту

Настоящие олдскульные образцы тюремной смекалки

Maxim
Давай завтра: все о природе лени и том, как с ней бороться Давай завтра: все о природе лени и том, как с ней бороться

С чем именно связана лень? Почему она нас раздражает в других?

Популярная механика
10 самых дорогих современных художников России 10 самых дорогих современных художников России

Самые дорогие работы современных российских художников

РБК
Как восстановить доступ к аккаунту Google Как восстановить доступ к аккаунту Google

Что делать, если вы забыли пароль к учетке Google?

CHIP
Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача) Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача)

Почему женщины рожают дома и кто из селебрити предпочел естественные роды?

Cosmopolitan
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
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
Австралийские дельфины-афалины включили себя в большие команды Австралийские дельфины-афалины включили себя в большие команды

Чтобы отслеживать социальные отношения, афалины используют сигнатурные свистки

N+1
Физики проследили корреляцию мощных магнитных бурь с солнечными циклами Физики проследили корреляцию мощных магнитных бурь с солнечными циклами

Физики научились прогнозировать экстремальную космическую погоду

N+1
Личные драмы Любови Успенской: аборт, разлука с дочерью и подлый удар от мужа Личные драмы Любови Успенской: аборт, разлука с дочерью и подлый удар от мужа

Королева шансона Любовь Успенская пережила много трудностей

Cosmopolitan
Исследование: какие приложения охотно продают ваши данные Исследование: какие приложения охотно продают ваши данные

Какие персональные данные пользователей и как собирают мобильные приложения?

CHIP
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
Она и он Она и он

В бунинском «Деле корнета Елагина» практически ничего не придумано

Дилетант
От астмы, тяжелой беременности до заболеваний ЖКТ: как духи влияют на здоровье От астмы, тяжелой беременности до заболеваний ЖКТ: как духи влияют на здоровье

Почему иногда даже любимые духи не приносят былой радости

Cosmopolitan
Судьба или привычка. Особенности неразумного поведения людей Судьба или привычка. Особенности неразумного поведения людей

Об эволюции эмоций и о 18 особенностях каждого человека

СНОБ
Сбер разработал беспилотный автомобиль без руля и педалей Сбер разработал беспилотный автомобиль без руля и педалей

Беспилотный автомобиль от Сбера построен на собственной электрической платформе

N+1
Малая земля Малая земля

Крохотный остров под боком у Ибицы обзавелся виллой с коллекцией искусства

AD
Переход к земледелию позволил древним китайцам устраивать массовые алкогольные пиршества Переход к земледелию позволил древним китайцам устраивать массовые алкогольные пиршества

Алкоголь играл ритуальное значение для неолитических общин

N+1
«Меркель, введи войска». Может ли Европа что-то поделать с белорусским режимом «Меркель, введи войска». Может ли Европа что-то поделать с белорусским режимом

Борьба с авторитарными режимами напоминает борьбу с наркотиками

СНОБ
Повышение тарифов, навязанные услуги и торговля в кредит: от чего договор с брокерами не защищает инвесторов Повышение тарифов, навязанные услуги и торговля в кредит: от чего договор с брокерами не защищает инвесторов

Большинство договоров с инвесторами защищает исключительно права брокера

Forbes
5 самых коварных женщин по знаку зодиака 5 самых коварных женщин по знаку зодиака

Женщины какого знака зодиака точно не дадут никому спуску в случае чего

Cosmopolitan
Пришла пора прислать гонца Пришла пора прислать гонца

Эксперименты «Яндекса» с беспилотниками уже перешли в практическую плоскость

Эксперт
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
Звезды до и после пластики: преображения Самойловой, Хилькевич и других красоток Звезды до и после пластики: преображения Самойловой, Хилькевич и других красоток

Артистки похвастались работой хирургов

Cosmopolitan
Москва непраздничная: история провинциалки, которая пыталась покорить столицу Москва непраздничная: история провинциалки, которая пыталась покорить столицу

Наша героиня отправилась покорять Москву и устроилась работать в гипермаркет

Cosmopolitan
Глазастые буи отпугнут морских птиц от рыболовных сетей Глазастые буи отпугнут морских птиц от рыболовных сетей

Ученые: страх птиц перед изображением глаз может спасти им жизнь

N+1
Открыть в приложении