L'American Physical Society e l'American Institute of Physics questo mese hanno assegnato il premio Dannie Heineman 2017 per la fisica matematica a Carl M. Bender della Washington University di St. Louis.

Con questo premio si unisce all'illustre compagnia di Stephen Hawking, Freeman Dyson, Murray Gel-Mann, Roger Penrose, Steven Weinberg e Edward Witten, tra gli altri.

piegatrice, Wilfred R. e Ann Lee Konneker Distinguished Professor of Physics in Arts &Sciences, è stato citato "per aver sviluppato la teoria della simmetria PT nei sistemi quantistici e per aver sostenuto contributi seminali che hanno generato una nuova matematica profonda e creativa, influenzato vaste aree della fisica sperimentale, e ispirate generazioni di fisici matematici."

"Uso la fisica per generare problemi interessanti, e poi uso la matematica per risolvere quei problemi, " Bender ha detto. "Il mio approccio è capire cosa sta succedendo nel mondo reale, dove viviamo, studiando il mondo complesso, che include il mondo reale come un caso speciale."

Spiega che tutto ciò che i fisici osservano è sull'asse reale:tutti i numeri, positivo o negativo, razionale o irrazionale, che può essere trovato su una linea dei numeri. Ma l'asse reale è solo una linea nel piano infinito dei numeri complessi, che include numeri con parti "immaginarie". "L'aereo complesso ci aiuta a capire cosa sta succedendo nel mondo reale, " Egli ha detto.

"Per esempio, perché i livelli di energia in un atomo sono quantizzati? Perché l'atomo può avere solo certe energie e non altre? Non lo capiamo perché non guardiamo nel piano complesso. Nel piano complesso, i livelli di energia sono quantizzati. Sono lisci e continui. Ma se prendi una fetta attraverso il piano complesso lungo l'asse reale, l'energia viene suddivisa in punti sconnessi. È come se la rampa fosse stata rimossa da un parcheggio multipiano, lasciando livelli sconnessi."

Come fa Bender a sapere quale problema scegliere, quali problemi potrebbero sorgere se spinti in questo modo? "Puoi annusarlo, " ha detto. "Di solito qualcosa è vero perché c'è un argomento chiaro sul perché è vero, ma se è vero perché tutti sanno che è vero, ' allora tale affermazione è potenzialmente sospetta."

Bender racconta una storia affascinante per illustrare cosa intende. Molti anni fa suo padre, un insegnante di fisica del liceo, mettere a letto il figlio di Bender raccontandogli la storia della brachistocrona, un noto problema di fisica che era stato risolto 300 anni prima. Ma, mentre Bender ascoltava da un'altra stanza, si rese conto che la versione accettata era sbagliata.

"Mio padre ha detto, 'Questo è un classico problema di fisica; la sua soluzione è ben nota.' Ma ho detto, 'Non è più la risposta giusta.'" Lavorando con uno studente universitario desideroso di una sfida, Bender ha aggiornato il problema della brachistocrona per tener conto della teoria della relatività di Einstein.

Così, Bender ascolta la fisica che produce il tonfo sordo di un'ipotesi non esaminata invece di suonare vera, Ma c'è dell'altro. È anche insolitamente bravo a vedere i modelli mobili:nelle lettere, nelle posizioni degli scacchi, nelle composizioni musicali così come nelle funzioni matematiche.

Le sue diapositive di presentazione spesso includono anagrammi:potrebbe presentare il suo nome e la sua università come Crab Lender of Washing Nervy Tuitions. Gli piace giocare a scacchi veloci e ha incluso nella sua tesi di laurea ad Harvard una partita a scacchi postale che è durata un anno e mezzo. (Era l'appendice H, e nessuno degli esaminatori se ne è accorto.) Ha anche padroneggiato la maggior parte del repertorio per clarinetto e ha persino preso in considerazione l'idea di diventare un musicista professionista.

Ma la fisica teorica non è un monologo; è una conversazione. E fisici teorici, come i matematici, prendere idee per un test drive descrivendole ai loro coetanei, che aiutano cercando il più possibile di trovare difetti.

Poiché ci sono solo poche centinaia di fisici matematici altamente attivi nel mondo, per avere queste conversazioni di verifica della teoria, Bender si reca spesso all'estero per conferenze o per un anno sabbatico. "L'interazione e le discussioni hanno arricchito immensamente la mia produttività, " Egli ha detto.

Bender è attualmente Professore Internazionale di Fisica presso l'Università di Heidelberg, Visiting Professor al King's College di Londra, e membro del Centro Higgs di Edimburgo.

Mentre i matematici dichiarano il successo una volta che hanno convinto altri matematici del rigore delle loro dimostrazioni, i fisici, incoraggiati dall'accordo dei loro pari, non sono soddisfatti finché anche la natura non esprime un'opinione. Vogliono prove sperimentali.

e Bender, al cuore, è un fisico. "Ho iniziato ad interessarmi alla scienza sperimentale ed ero bravo a farlo, " ha detto. "Costruito un laboratorio in casa mia, costruito il mio impianto di prosciutto, gestiva un'attività di riparazione di radio, ecc. Ma penso che la scienza sperimentale sia stata troppo lenta per me. Preferivo lavorare con carta e matita al mio ritmo.

"La fisica è qualcosa che alla fine sai essere giusto o sbagliato, e la matematica ha sempre ragione. Ecco perché la fisica è complicata, più pericoloso, " Ha aggiunto.

Quindi "la cosa migliore che sia mai accaduta" a Bender è stata la conferma tramite l'esperimento di un'audace teoria quantomeccanica che lui e il suo ex studente laureato Stefan Boettcher hanno proposto nel 1998.

Questa è la simmetria PT citata nell'Heineman Prize. Caratteristicamente, è arrivato a questa teoria mettendo in discussione uno dei presupposti fondamentali della meccanica quantistica.

Questo assioma afferma che alcuni aspetti della meccanica quantistica devono essere hermitiani, significato, tra l'altro, che devono rimanere nel regno dei numeri reali. "Ma insistendo sul fatto che la meccanica quantistica deve essere hermitiana, "Bender ha detto, "è come dire che tutti i numeri devono essere pari".

Bender e Boettcher proposero una nuova teoria non hermitiana, una complessa generalizzazione della meccanica quantistica, che hanno chiamato meccanica quantistica PT-simmetrica (parità-tempo simmetrica). La parità è l'operazione di simmetria che trasforma la tua mano sinistra nella tua destra. L'inversione del tempo significa semplicemente che il tempo scorre all'indietro piuttosto che in avanti.

In due famosi esperimenti da premio Nobel, altri fisici avevano dimostrato che l'universo non è né parità né simmetria temporale. Un laboratorio mancino può ottenere risultati sperimentali diversi da un laboratorio destrorso, e un laboratorio che viaggia a ritroso nel tempo può ottenere risultati diversi da un laboratorio che viaggia in avanti nel tempo.

Quello che sostenevano Bender e Boettcher è che se si riflettono sia lo spazio che il tempo, tutto torna alla normalità. Questo perché una riflessione di parità può essere esattamente compensata da un'inversione di tempo.

Anche Bender e Boetccher fecero una previsione basata sulla loro teoria, in modo che la teoria fosse falsificabile. La previsione era che i sistemi PT-simmetrici possono subire una transizione da energie reali a energie complesse. La simmetria PT verrebbe interrotta in questa transizione, e il comportamento del sistema cambierebbe in modo interessante e osservabile.

La cosa bella di questo era che alcuni sistemi ottici obbediscono a equazioni simili a quelle quantomeccaniche che governano gli atomi. Quindi i sistemi PT-simmetrici possono essere costruiti da semplici componenti ottici, come laser e fibre ottiche. "Il trucco, "Bender ha detto, "è accoppiare un componente con il guadagno, dove l'energia fluisce nel sistema, a un componente che mostra una perdita, dove l'energia fuoriesce dal sistema."

Il primo esperimento per confermare la teoria è stato condotto da otto scienziati in due università negli Stati Uniti e due in Canada, ma si trovava fisicamente presso l'Università dell'Arkansas. La teoria della simmetria PT da allora è stata ripetutamente verificata da molti altri esperimenti.

Bender ha sentito parlare del primo esperimento nel 2008, quasi 10 anni dopo la pubblicazione della teoria. Demetrios Christodoulides dell'Università della Florida centrale gli ha inviato un'e-mail per dire che il suo gruppo era abbastanza certo di aver assistito alla transizione della fase del PT. "Se tutto va bene, con un po' di fortuna, potremmo avere un'esplosione sperimentale nell'area del PT, " ha scritto Christodoulides.

"Sono stato al settimo cielo per settimane, " Ha detto Bender. "Mi ci è voluto molto tempo per scendere perché mai nella mia vita ho pensato che avrei mai potuto prevedere qualcosa che fosse direttamente osservabile in un esperimento di laboratorio, per non parlare di un esperimento molto semplice."