Fysiker hædret for at finde ny symmetri i rum og tid

American Physical Society og American Institute of Physics tildelte i denne måned Dannie Heineman-prisen 2017 for matematisk fysik til Carl M. Bender fra Washington University i St. Louis.

Med denne pris slutter han sig til Stephen Hawkings berømte selskab, Freeman Dyson, Murray Gell-Mann, Roger Penrose, Steven Weinberg og Edward Witten, blandt andre.

Bender, Wilfred R. og Ann Lee Konneker enestående professor i fysik i kunst og videnskab, blev citeret "for at udvikle teorien om PT-symmetri i kvantesystemer og vedvarende banebrydende bidrag, der har genereret dybtgående og kreativ ny matematik, påvirket brede områder af eksperimentel fysik, og inspirerede generationer af matematiske fysikere."

"Jeg bruger fysik til at skabe interessante problemer, og så bruger jeg matematik til at løse de problemer, " sagde Bender. "Min tilgang er at forstå, hvad der foregår i den virkelige verden - hvor vi bor - ved at studere den komplekse verden, som inkluderer den virkelige verden som et særligt tilfælde."

Han forklarer, at alt, hvad fysikere observerer, er på den reelle akse:alle tallene, positiv eller negativ, rationel eller irrationel, der kan findes på en tallinje. Men den reelle akse er kun en linje i det uendelige plan af komplekse tal, som omfatter tal med "imaginære" dele. "Det komplekse plan hjælper os med at forstå, hvad der foregår i den virkelige verden, " han sagde.

"For eksempel, hvorfor er energiniveauerne i et atom kvantificeret? Hvorfor kan atomet kun have bestemte energier og ikke andre? Vi forstår det ikke, fordi vi ikke ser i det komplekse plan. I det komplekse plan, energiniveauerne er kvantificeret. De er glatte og kontinuerlige. Men hvis du tager et stykke gennem det komplekse plan langs den rigtige akse, energien hugges i afbrudte punkter. Det er som om rampen blev fjernet fra et parkeringshus i flere niveauer, efterlader afbrudte niveauer."

Hvordan ved Bender, hvilket problem han skal vælge, hvilke problemer kan give, når de skubbes på denne måde? "Du kan lugte det, " sagde han. "Normalt er noget sandt, fordi der er et klart argument for, hvorfor det er sandt, men hvis det er sandt, fordi 'alle ved, at det er sandt, ' så er en sådan påstand potentielt mistænkelig."

Bender fortæller en charmerende historie for at illustrere, hvad han mener. For mange år siden hans far, en fysiklærer på gymnasiet, lægge Benders søn i seng ved at fortælle ham historien om brachistochrone, et velkendt fysikproblem, der var blevet løst 300 år før. Men, da Bender lyttede fra et andet rum, han indså, at den accepterede version var forkert.

"Min far sagde, 'Dette er et klassisk fysikproblem; dens løsning er velkendt.' Men jeg sagde, 'Det er ikke længere det rigtige svar.'" At arbejde med en bachelor, der er ivrig efter en udfordring, Bender opdaterede brachistokronproblemet for at tage højde for Einsteins relativitetsteori.

Så, Bender lytter efter fysik, der frembringer den kedelige lyd af en uundersøgt antagelse i stedet for at være sand, men der er mere i det end det. Han er også usædvanlig god til at se bevægelige mønstre:i bogstaver, i skakstillinger, i musikalske kompositioner såvel som i matematiske funktioner.

Hans præsentationsdias indeholder ofte anagrammer - han kan introducere sit navn og universitet som Crab Lender of Washing Nervy Tuitions. Han kan lide at spille hurtigskak og inkluderede i sin Harvard-afhandling et postskakspil, der varede halvandet år. (Det var bilag H, og ingen af ​​eksaminatorerne lagde mærke til det.) Han har også mestret det meste af repertoiret for klarinet og endda overvejet at blive professionel musiker.

Men teoretisk fysik er ikke en monolog; det er en samtale. Og teoretiske fysikere, ligesom matematikere, tage ideer til en prøvetur ved at beskrive dem for deres jævnaldrende, som hjælper ved at prøve så godt de kan på at finde fejl.

Fordi der kun er et par hundrede meget aktive matematiske fysikere i verden, at have disse teoriprøvende samtaler, Bender rejser ofte til udlandet til konferencer eller på sabbatår. "Interaktionen og diskussionerne har beriget min produktivitet enormt, " han sagde.

Bender er i øjeblikket international professor i fysik ved universitetet i Heidelberg, Gæsteprofessor ved King's College London, og medlem af Higgs Center i Edinburgh.

Mens matematikere erklærer succes, når de har overbevist andre matematikere om strengheden af ​​deres beviser, fysikere - selv om de er opmuntret af deres jævnaldrendes samtykke - er ikke tilfredse, før naturen også udtrykker en mening. De vil have eksperimentelt bevis.

Og Bender, i hjertet, er fysiker. "Jeg startede med at interessere mig for eksperimentel videnskab, og jeg var god til det, " sagde han. "Byggede et laboratorium i mit hus, byggede min skinke rig, drev en radioreparationsvirksomhed, osv. Men jeg synes, at eksperimentel videnskab var for langsom for mig. Jeg foretrak at arbejde med blyant og papir i mit eget tempo.

"Fysik er noget, du i sidste ende ved er rigtigt eller forkert, og matematik har altid ret. Så det er derfor, fysik er vanskelig, mere farlig, " han tilføjede.

Så "det bedste, der nogensinde er sket" for Bender, var bekræftelsen ved eksperiment af en dristig kvantemekanisk teori, som han og hans tidligere kandidatstuderende Stefan Boettcher foreslog i 1998.

Dette er PT-symmetrien citeret i Heineman-prisen. Karakteristisk nok, han nåede frem til denne teori ved at stille spørgsmålstegn ved en af ​​kvantemekanikkens grundlæggende antagelser.

Dette aksiom siger, at visse aspekter af kvantemekanikken skal være hermitiske, betyder, blandt andet, at de skal forblive i de reelle tals rige. "Men ved at insistere på, at kvantemekanikken skal være hermitisk, " sagde Bender, "er som at sige, at alle tal skal være lige."

Bender og Boettcher foreslog en ny ikke-ermitisk teori, en kompleks generalisering af kvantemekanikken, som de kaldte PT-symmetrisk (paritet-tidssymmetrisk) kvantemekanik. Paritet er symmetrioperationen, der forvandler din venstre hånd til din højre. Tidsvending betyder bare, at tiden løber baglæns i stedet for fremad.

I to berømte nobelvindende eksperimenter, andre fysikere havde vist, at universet hverken er paritet eller tidssymmetrisk. Et venstrehåndslaboratorium kan opnå forskellige eksperimentelle resultater fra et højrehåndslaboratorium, og et laboratorium, der rejser tilbage i tiden, kan opnå forskellige resultater fra et laboratorium, der rejser frem i tiden.

Hvad Bender og Boettcher hævdede er, at hvis du reflekterer både rum og tid, alt vender tilbage til det normale. Dette skyldes, at en paritetsrefleksion nøjagtigt kan kompenseres af en tidsvending.

Bender og Boetccher lavede også en forudsigelse baseret på deres teori, så teorien var falsificerbar. Forudsigelsen var, at PT-symmetriske systemer kan gennemgå en overgang fra reelle til komplekse energier. PT-symmetri ville blive brudt ved denne overgang, og systemets adfærd ville ændre sig på en interessant – og observerbar – måde.

Det pæne ved dette var, at nogle optiske systemer adlyder ligninger, der ligner de kvantemekaniske, der styrer atomer. Så PT-symmetriske systemer kan konstrueres af simple optiske komponenter, såsom lasere og optiske fibre. "Tricket, " sagde Bender, "er at koble en komponent med gain, hvor energien strømmer ind i systemet, til en komponent, der udviser tab, hvor energien flyder ud af systemet."

Det første eksperiment til at bekræfte teorien blev udført af otte forskere ved to universiteter i USA og to i Canada, men var fysisk placeret på University of Arkansas. Teorien om PT-symmetri er siden gentagne gange blevet bekræftet af mange andre eksperimenter.

Bender hørte om det første eksperiment i 2008, næsten 10 år efter udgivelsen af ​​teorien. Demetrios Christodoulides fra University of Central Florida sendte ham en e-mail for at sige, at hans gruppe var ret sikker på, at de havde set PT-faseovergangen. "Hvis alt går godt, med lidt held, vi kan have en eksperimentel eksplosion i PT-området, " skrev Christodoulides.

"Jeg var på cloud nine i uger, " sagde Bender. "Det tog mig lang tid at komme ned, fordi jeg aldrig i mit liv troede, at jeg nogensinde ville forudsige noget, der var direkte observerbart i et laboratorieeksperiment, for ikke at nævne et meget simpelt eksperiment."