Ученые КФУ предсказали новый эффект квантовой физики

(Казань, 8 июня, «Татар-информ»). В Казанском федеральном университете обнаружили квантовый электродинамический эффект нового типа.

Мировой научной общественности в журнале «Physical Review A» представлена статья сотрудников кафедры оптики и нанофотоники Института физики Казанского университета «Electron rest mass and energy levels of atoms in the photonic crystal medium» («Масса покоя электрона и энергетические уровни атомов в фотонных кристаллах»). В авторский коллектив вошли специалист по квантовой теории и квантовой электродинамике Ренат Гайнутдинов, специалист по атомной спектроскопии Мякзюм Салахов и молодой ученый Марат Хамадеев.

Для справки: Журнал «Physical Review A» посвящен оптике, атомной и молекулярной физике, а также связанным областям физики (в частности, основаниям квантовой механики, включая квантовую информатику). Некоторые публикации в этом журнале в разные годы стали основаниями для вручения Нобелевских премий по физике, сообщает пресс-центр КФУ.

Суть открытия состоит в следующем: теоретически обнаружен фундаментальный квантоэлектродинамический эффект, который не только раскрывает новые аспекты фундаментальных законов физики, но и, что особенно важно, может иметь очень важное практическое приложение. Суть его заключается в том, что при помещении электрона в полости фотонных кристаллов, которые представляют собой среду с периодически меняющимся показателем преломления (период обычно составляет 100-1000 нм), масса электрона, которую до сегодняшнего дня принято считать незыблемой фундаментальной константой, равной 9.1∙10-31 кг, изменяется. Это разрушает устоявшееся мнение, что масса частиц, таких, как электрон, протон и другие определена заранее и изменяться в принципе не может (независимо от того, где они находятся, эти частицы).

Вот как сами ученые объясняют свое открытие: «Представьте себе пористый шоколад, воздушные пузырьки которого плотно упакованы таким образом, что напоминают пчелиные соты. А теперь вообразите, что диаметр таких пор в 100 раз меньше человеческого волоса. Примерно так выглядит так называемый инвертированный фотонный кристалл, в пустоты которого мы помещаем электрон. В таком случае он не касается стенок полостей, но, несмотря на это, как было нами обнаружено, у него изменяется масса. Изменение массы обусловлено тем, что в фотонном кристалле меняется характер взаимодействия электрона с собственным полем излучения. Образно это выглядит так. Например, идет человек с мячом. Если он не бросает мяч, то у него одно состояние, одна энергия. Теперь он стал подбрасывать и ловить этот мяч – его состояние и энергия изменяются. Так же и электрон: подбрасывает виртуальный фотон и ловит его. Давно известно, что такая «игра» фотонами приводит к тому, что масса электрона изменяется на величину, называемую электромагнитной массой электрона. Однако традиционно электромагнитная масса не представляет интереса для физиков: считается, что она прибавляется к «голой» массе (то есть к массе электрона, не «играющего» фотонами) и мы имеем дело с физической (наблюдаемой) массой электрона. Иными словами принято считать, что наблюдаемая масса электрона – это фундаментальная константа физики, такая же неизменная, как, например, скорость света. Мы же в нашей работе показали, что из-за того, что в фотонном кристалле модифицируется характер такого взаимодействия (представьте, что человек подбрасывает мяч в комнате с низким потолком), меняется электромагнитная масса, а, следовательно, и физическая масса, и это можно измерить. Обнаруженный таким образом эффект представляет интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения».

По словам исследователей, если отказаться от стереотипов, суть эффекта оказывается достаточно простой. Полученный результат достаточно прост для понимания большинством физиков и в то же время приводит к далеко идущим следствиям.

Стоит сказать, что работа в данном направлении ведется уже несколько лет, а чтобы составить последовательную теорию, ушло почти 3 года. В настоящее время ведется работа по экспериментальному обнаружению этого эффекта и патентованию открытия.

Это открытие может найти массу практических приложений. Можно управлять спектрами излучения, энергетическими уровнями атомов, магнитными моментами. Открываются просто неограниченные возможности по управлению линейчатыми спектрами для создания новых лазеров.

***Ив