La Sociedad Estadounidense de Física y el Instituto Estadounidense de Física otorgaron este mes el Premio Dannie Heineman de Física Matemática 2017 a Carl M. Bender de la Universidad de Washington en St. Louis.

Con este premio se une a la ilustre compañía de Stephen Hawking, Freeman Dyson, Murray Gell-Mann, Roger Penrose, Steven Weinberg y Edward Witten, entre otros.

Juerga, el Profesor Distinguido Wilfred R. y Ann Lee Konneker de Física en Artes y Ciencias, fue citado "por desarrollar la teoría de la simetría PT en sistemas cuánticos y contribuciones seminales sostenidas que han generado nuevas matemáticas profundas y creativas, impactó amplias áreas de la física experimental, e inspiró a generaciones de físicos matemáticos ".

"Utilizo la física para generar problemas interesantes, y luego uso las matemáticas para resolver esos problemas, ", Dijo Bender." Mi enfoque es comprender lo que sucede en el mundo real, donde vivimos, mediante el estudio del mundo complejo, que incluye el mundo real como un caso especial ".

Explica que todo lo que observan los físicos está en el eje real:todos los números, positivo o negativo, racional o irracional, que se puede encontrar en una recta numérica. Pero el eje real es solo una línea en el plano infinito de números complejos, que incluye números con partes "imaginarias". "El plano complejo nos ayuda a comprender lo que sucede en el mundo real, " él dijo.

"Por ejemplo, ¿Por qué se cuantifican los niveles de energía en un átomo? ¿Por qué el átomo solo puede tener ciertas energías y no otras? No entendemos esto porque no miramos en el plano complejo. En el plano complejo, los niveles de energía están cuantificados. Son suaves y continuos. Pero si toma un corte a través del plano complejo a lo largo del eje real, la energía se corta en puntos desconectados. Es como si se hubiera quitado la rampa de un estacionamiento de varios niveles, dejando niveles desconectados ".

¿Cómo sabe Bender qué problema elegir? ¿Qué problemas pueden surgir cuando se les empuja de esta manera? "Puedes olerlo, ", dijo." Por lo general, algo es cierto porque hay un argumento claro de por qué es cierto, pero si es verdad porque 'todo el mundo sabe que es verdad, "entonces tal afirmación es potencialmente sospechosa".

Bender cuenta una historia encantadora para ilustrar lo que quiere decir. Hace muchos años su padre, un profesor de física de la escuela secundaria, acostar al hijo de Bender contándole la historia de la braquistocrona, un conocido problema de física que se había resuelto 300 años antes. Pero, mientras Bender escuchaba desde otra habitación, se dio cuenta de que la versión aceptada estaba equivocada.

"Mi padre dijo, “Este es un problema de física clásico; su solución es bien conocida ”. Pero yo dije, 'Esa ya no es la respuesta correcta' ". Trabajar con un estudiante universitario ansioso por un desafío, Bender actualizó el problema de la braquistocrona para tener en cuenta la teoría de la relatividad de Einstein.

Entonces, Bender escucha la física que produce el ruido sordo de una suposición no examinada en lugar de sonar verdadera, pero hay más que eso. También es inusualmente bueno para ver patrones móviles:en letras, en posiciones de ajedrez, tanto en composiciones musicales como en funciones matemáticas.

Las diapositivas de su presentación a menudo incluyen anagramas; podría presentar su nombre y universidad como Cangrejo Prestamista de Lavado de Matrículas Nerviosas. Le gusta jugar al ajedrez rápido e incluyó en su disertación de Harvard una partida de ajedrez postal que duró año y medio. (Era el Apéndice H, y ninguno de los examinadores lo notó). También ha dominado la mayor parte del repertorio para clarinete e incluso ha considerado convertirse en músico profesional.

Pero la física teórica no es un monólogo; es una conversación. Y físicos teóricos, como matemáticos, tomar ideas para una prueba de manejo describiéndolas a sus compañeros, que ayudan intentando con todas sus fuerzas encontrar defectos.

Debido a que solo hay unos pocos cientos de físicos matemáticos altamente activos en el mundo, para tener estas conversaciones de prueba de teoría, Bender viaja a menudo al extranjero para asistir a conferencias o tomarse un año sabático. "La interacción y las discusiones han enriquecido enormemente mi productividad, " él dijo.

Bender es actualmente profesor internacional de física en la Universidad de Heidelberg, Profesor invitado en King's College London, y miembro del Higgs Centre de Edimburgo.

Mientras que los matemáticos declaran el éxito una vez que han convencido a otros matemáticos del rigor de sus demostraciones, los físicos —aunque animados por el acuerdo de sus pares— no están satisfechos hasta que la naturaleza también expresa una opinión. Quieren pruebas experimentales.

Y Bender, en el corazón, es físico. "Empecé a interesarme por la ciencia experimental y era bueno en eso, ", dijo." Construí un laboratorio en mi casa, construí mi plataforma de jamón, tenía un negocio de reparación de radios, etc. Pero creo que la ciencia experimental fue demasiado lenta para mí. Preferí trabajar con lápiz y papel a mi propio ritmo.

"La física es algo que, en última instancia, sabes que está bien o mal, y las matemáticas siempre tienen razón. Por eso la física es complicada, más peligroso, "añadió.

Así que "lo mejor que le ha pasado" a Bender fue la confirmación mediante el experimento de una atrevida teoría de la mecánica cuántica que él y su ex alumno de posgrado Stefan Boettcher propusieron en 1998.

Esta es la simetría PT citada en el Premio Heineman. De rasgo, llegó a esta teoría cuestionando uno de los supuestos fundamentales de la mecánica cuántica.

Este axioma establece que ciertos aspectos de la mecánica cuántica deben ser hermitianos, sentido, entre otras cosas, que deben permanecer en el ámbito de los números reales. "Pero insistiendo en que la mecánica cuántica debe ser hermitiana, "Bender dijo, "es como decir que todos los números deben ser pares".

Bender y Boettcher propusieron una nueva teoría no hermitiana, una compleja generalización de la mecánica cuántica, que llamaron mecánica cuántica PT-simétrica (simétrica de paridad-tiempo). La paridad es la operación de simetría que convierte su mano izquierda en su mano derecha. La inversión del tiempo solo significa que el tiempo corre hacia atrás en lugar de hacia adelante.

En dos famosos experimentos ganadores del Nobel, otros físicos habían demostrado que el universo no es ni paridad ni simétrico en el tiempo. Un laboratorio zurdo puede obtener diferentes resultados experimentales de un laboratorio diestro, y un laboratorio que viaja hacia atrás en el tiempo puede obtener resultados diferentes de un laboratorio que viaja hacia adelante en el tiempo.

Lo que argumentaron Bender y Boettcher es que si refleja tanto el espacio como el tiempo, todo vuelve a la normalidad. Esto se debe a que una reflexión de paridad puede compensarse exactamente mediante una inversión de tiempo.

Bender y Boetccher también hicieron una predicción basada en su teoría, de modo que la teoría era falsable. La predicción fue que los sistemas simétricos de PT pueden experimentar una transición de energías reales a energías complejas. La simetría PT se rompería en esta transición, y el comportamiento del sistema cambiaría de una manera interesante y observable.

Lo bueno de esto es que algunos sistemas ópticos obedecen ecuaciones similares a las de la mecánica cuántica que gobiernan los átomos. Por lo tanto, los sistemas simétricos de PT se pueden construir a partir de componentes ópticos simples, como láseres y fibras ópticas. "El truco, "Bender dijo, "es acoplar un componente con ganancia, donde la energía fluye hacia el sistema, a un componente que presenta pérdida, donde la energía fluye fuera del sistema ".

El primer experimento para confirmar la teoría fue realizado por ocho científicos de dos universidades de Estados Unidos y dos de Canadá. pero estaba ubicado físicamente en la Universidad de Arkansas. Desde entonces, la teoría de la simetría PT ha sido verificada repetidamente por muchos otros experimentos.

Bender se enteró del primer experimento en 2008, casi 10 años después de publicar la teoría. Demetrios Christodoulides, de la Universidad de Florida Central, le envió un correo electrónico para decirle que su grupo estaba bastante seguro de haber visto la transición de la fase PT. "Si todo va bien, con un poco de suerte, es posible que tengamos una explosión experimental en el área de PT, ", Escribió Christodoulides.

"Estuve en la nube nueve durante semanas, ", Dijo Bender." Me tomó mucho tiempo bajar porque nunca en mi vida pensé que podría predecir algo que fuera directamente observable en un experimento de laboratorio. sin mencionar un experimento muy simple ".