A American Physical Society e o American Institute of Physics concederam este mês o Prêmio Dannie Heineman de Física Matemática 2017 a Carl M. Bender, da Universidade de Washington em St. Louis.

Com este prêmio ele se junta à ilustre companhia de Stephen Hawking, Freeman Dyson, Murray Gell-Mann, Roger Penrose, Steven Weinberg e Edward Witten, entre outros.

Bender, Wilfred R. e Ann Lee Konneker Distinguished Professor of Physics in Arts &Sciences, foi citado "por desenvolver a teoria da simetria PT em sistemas quânticos e contribuições seminais sustentadas que geraram uma nova matemática profunda e criativa, impactou amplas áreas da física experimental, e inspirou gerações de físicos matemáticos. "

"Eu uso a física para gerar problemas interessantes, e uso a matemática para resolver esses problemas, "Bender disse." Minha abordagem é entender o que está acontecendo no mundo real - onde vivemos - estudando o mundo complexo, que inclui o mundo real como um caso especial. "

Ele explica que tudo o que os físicos observam está no eixo real:todos os números, positivo ou negativo, racional ou irracional, que pode ser encontrado em uma linha numérica. Mas o eixo real é apenas uma linha no plano infinito de números complexos, que inclui números com partes "imaginárias". "O plano complexo nos ajuda a entender o que está acontecendo no mundo real, " ele disse.

"Por exemplo, por que os níveis de energia em um átomo são quantizados? Por que o átomo pode ter apenas certas energias e outras não? Não entendemos isso porque não olhamos no plano complexo. No plano complexo, os níveis de energia são quantizados. Eles são suaves e contínuos. Mas se você fizer uma fatia do plano complexo ao longo do eixo real, a energia é dividida em pontos desconectados. É como se a rampa tivesse sido removida de um estacionamento de vários níveis, saindo de níveis desconectados. "

Como o Bender sabe qual problema escolher, que problemas podem surgir quando pressionados dessa maneira? "Você pode sentir o cheiro, "disse ele." Normalmente, algo é verdade porque há um argumento claro de por que é verdade, mas se for verdade porque 'todo mundo sabe que é verdade, 'então tal alegação é potencialmente suspeita. "

Bender conta uma história encantadora para ilustrar o que ele quer dizer. Muitos anos atrás, seu pai, um professor de física do ensino médio, colocou o filho de Bender na cama, contando-lhe a história da braquistócrona, um conhecido problema de física que havia sido resolvido 300 anos antes. Mas, enquanto Bender ouvia de outra sala, ele percebeu que a versão aceita estava errada.

"Meu pai disse, 'Este é um problema de física clássico; sua solução é bem conhecida. ' Mas eu disse, 'Essa não é mais a resposta certa.' "Trabalhar com um aluno ansioso por um desafio, Bender atualizou o problema da braquistócrona para levar em consideração a teoria da relatividade de Einstein.

Então, Bender escuta a física que produz o som maçante de uma suposição não examinada em vez de soar verdadeira, Mas há mais do que isso. Ele também é excepcionalmente bom em ver padrões móveis:em letras, em posições de xadrez, em composições musicais, bem como em funções matemáticas.

Seus slides de apresentação geralmente incluem anagramas - ele pode apresentar seu nome e universidade como Crab Lender of Washing Nervy Tuitions. Ele gosta de jogar xadrez rápido e incluiu em sua dissertação de Harvard um jogo de xadrez postal que durou um ano e meio. (Era o Apêndice H, e nenhum dos examinadores percebeu.) Ele também dominou a maior parte do repertório para clarinete e até considerou se tornar um músico profissional.

Mas a física teórica não é um monólogo; é uma conversa. E físicos teóricos, como matemáticos, levar ideias para um test drive, descrevendo-as para seus colegas, que ajudam tentando ao máximo encontrar falhas.

Porque existem apenas algumas centenas de físicos matemáticos altamente ativos no mundo, para ter essas conversas de teste de teoria, Bender costuma viajar para o exterior para conferências ou em período sabático. "A interação e as discussões enriqueceram minha produtividade imensamente, " ele disse.

Bender é atualmente um Professor Internacional de Física na Universidade de Heidelberg, Professor visitante no King's College London, e Membro do Higgs Centre em Edimburgo.

Enquanto os matemáticos declaram o sucesso depois de convencer outros matemáticos do rigor de suas provas, os físicos - embora encorajados pela concordância de seus pares - não ficam satisfeitos até que a natureza também expresse uma opinião. Eles querem uma prova experimental.

E Bender, no coração, é um físico. "Comecei por me interessar por ciência experimental e era bom nisso, "disse ele." Construí um laboratório em minha casa, construí meu equipamento de presunto, dirigia uma empresa de conserto de rádios, etc. Mas eu acho que a ciência experimental foi muito lenta para mim. Eu preferia trabalhar com lápis e papel no meu próprio ritmo.

"Física é algo que você sabe que está certo ou errado, e a matemática está sempre certa. É por isso que a física é complicada, mais perigoso, " ele adicionou.

Portanto, "a melhor coisa que já aconteceu" a Bender foi a confirmação por experimento de uma ousada teoria da mecânica quântica que ele e seu ex-aluno de graduação Stefan Boettcher propuseram em 1998.

Essa é a simetria PT citada no Prêmio Heineman. Caracteristicamente, ele chegou a essa teoria questionando uma das premissas fundamentais da mecânica quântica.

Este axioma afirma que certos aspectos da mecânica quântica devem ser hermitianos, significado, entre outras coisas, que eles devem permanecer no reino dos números reais. "Mas insistir que a mecânica quântica deve ser hermitiana, "Bender disse, "é como dizer que todos os números devem ser pares."

Bender e Boettcher propuseram uma nova teoria não hermitiana, uma generalização complexa da mecânica quântica, que eles chamaram de mecânica quântica PT-simétrica (simétrica no tempo de paridade). A paridade é a operação de simetria que transforma sua mão esquerda em sua direita. A reversão do tempo significa apenas que o tempo corre para trás em vez de para a frente.

Em dois famosos experimentos vencedores do Nobel, outros físicos mostraram que o universo não é nem paridade nem simétrico no tempo. Um laboratório canhoto pode obter diferentes resultados experimentais de um laboratório destro, e um laboratório que viaja para trás no tempo pode obter resultados diferentes de um laboratório que viaja para trás no tempo.

O que Bender e Boettcher argumentaram é que se você refletir tanto o espaço quanto o tempo, tudo volta ao normal. Isso ocorre porque uma reflexão de paridade pode ser compensada exatamente por uma reversão de tempo.

Bender e Boetccher também fizeram uma previsão com base em sua teoria, de modo que a teoria era falseável. A previsão era que os sistemas simétricos PT podem sofrer uma transição de energias reais para complexas. A simetria PT seria quebrada nesta transição, e o comportamento do sistema mudaria de uma maneira interessante - e observável.

O legal disso tudo é que alguns sistemas ópticos obedecem a equações semelhantes às da mecânica quântica que governam os átomos. Assim, sistemas PT-simétricos podem ser construídos a partir de componentes ópticos simples, como lasers e fibras ópticas. "O truque, "Bender disse, "é acoplar um componente ao ganho, onde a energia flui para o sistema, a um componente que apresenta perda, onde a energia flui para fora do sistema. "

O primeiro experimento para confirmar a teoria foi realizado por oito cientistas de duas universidades nos Estados Unidos e duas no Canadá, mas estava fisicamente localizado na Universidade de Arkansas. A teoria da simetria PT foi repetidamente verificada por muitos outros experimentos.

Bender ouviu sobre o primeiro experimento em 2008, quase 10 anos após a publicação da teoria. Demetrios Christodoulides, da University of Central Florida, enviou-lhe um e-mail para dizer que seu grupo tinha quase certeza de ter visto a fase de transição do PT. "Se tudo correr bem, com um pouco de sorte, podemos ter uma explosão experimental na área do PT, "Christodoulides escreveu.

"Fiquei na nuvem nove por semanas, "Bender disse." Levei muito tempo para descer porque nunca na minha vida eu pensei que algum dia iria predizer qualquer coisa que fosse diretamente observável em um experimento de laboratório, para não falar de uma experiência muito simples. "