L'American Physical Society et l'American Institute of Physics ont décerné ce mois-ci le prix Dannie Heineman 2017 de physique mathématique à Carl M. Bender de l'Université de Washington à St. Louis.

Avec ce prix il rejoint l'illustre compagnie de Stephen Hawking, Freeman Dyson, Murray Gell Mann, Roger Penrose, Steven Weinberg et Edward Witten, entre autres.

Cintreuse, le Wilfred R. et Ann Lee Konneker Distinguished Professor of Physics in Arts &Sciences, a été cité « pour avoir développé la théorie de la symétrie PT dans les systèmes quantiques et des contributions séminales soutenues qui ont généré de nouvelles mathématiques profondes et créatives, touché de vastes domaines de la physique expérimentale, et inspiré des générations de physiciens mathématiciens.

"J'utilise la physique pour générer des problèmes intéressants, et puis j'utilise les mathématiques pour résoudre ces problèmes, " a déclaré Bender. " Mon approche consiste à comprendre ce qui se passe dans le monde réel - où nous vivons - en étudiant le monde complexe, qui inclut le monde réel comme un cas particulier."

Il explique que tout ce que les physiciens observent est sur l'axe réel :tous les nombres, positif ou négatif, rationnel ou irrationnel, que l'on peut trouver sur une droite numérique. Mais l'axe réel n'est qu'une ligne dans le plan infini des nombres complexes, qui comprend des nombres avec des parties "imaginaires". "L'avion complexe nous aide à comprendre ce qui se passe dans le monde réel, " il a dit.

"Par exemple, pourquoi les niveaux d'énergie dans un atome sont-ils quantifiés ? Pourquoi l'atome ne peut-il avoir que certaines énergies et pas d'autres ? Nous ne comprenons pas cela parce que nous ne regardons pas dans le plan complexe. Dans le plan complexe, les niveaux d'énergie sont quantifiés. Ils sont lisses et continus. Mais si vous coupez le plan complexe le long de l'axe réel, l'énergie est découpée en points déconnectés. C'est comme si la rampe avait été retirée d'un parking à plusieurs niveaux, laissant des niveaux déconnectés."

Comment Bender sait-il quel problème choisir, quels problèmes pourraient céder lorsqu'ils sont poussés de cette manière ? "Vous pouvez le sentir, " a-t-il dit. " Habituellement, quelque chose est vrai parce qu'il y a un argument clair pour expliquer pourquoi c'est vrai, mais si c'est vrai parce que « tout le monde sait que c'est vrai, ' alors une telle affirmation est potentiellement suspecte."

Bender raconte une histoire charmante pour illustrer ce qu'il veut dire. Il y a de nombreuses années, son père, professeur de physique au lycée, mettre le fils de Bender au lit en lui racontant l'histoire de la brachistochrone, un problème de physique bien connu qui avait été résolu 300 ans auparavant. Mais, alors que Bender écoutait depuis une autre pièce, il s'est rendu compte que la version acceptée était fausse.

"Mon père a dit, «C'est un problème de physique classique; sa solution est bien connue. Mais j'ai dit, « Ce n'est plus la bonne réponse. » » Travaillant avec un étudiant de premier cycle désireux de relever un défi, Bender a mis à jour le problème de la brachistochrone pour prendre en compte la théorie de la relativité d'Einstein.

Donc, Bender écoute la physique qui produit le son sourd d'une hypothèse non examinée au lieu de sonner vrai, mais il y a plus que cela. Il est aussi exceptionnellement doué pour voir les motifs mobiles :dans les lettres, dans les positions d'échecs, dans les compositions musicales ainsi que dans les fonctions mathématiques.

Ses diapositives de présentation incluent souvent des anagrammes - il peut présenter son nom et son université en tant que prêteur de crabe de Washing Nervy Tuitions. Il aime jouer aux échecs rapides et a inclus dans sa thèse à Harvard une partie d'échecs postale qui a duré un an et demi. (C'était l'annexe H, et aucun des examinateurs ne l'a remarqué.) Il a également maîtrisé la plupart du répertoire pour la clarinette et a même envisagé de devenir musicien professionnel.

Mais la physique théorique n'est pas un monologue; c'est une conversation. Et les physiciens théoriciens, comme les mathématiciens, prendre des idées pour un essai routier en les décrivant à leurs pairs, qui aident en essayant aussi fort qu'ils peuvent de trouver des défauts.

Parce qu'il n'y a que quelques centaines de physiciens mathématiciens très actifs dans le monde, avoir ces conversations de test théorique, Bender se rend souvent à l'étranger pour assister à des conférences ou en congé sabbatique. "L'interaction et les discussions ont énormément enrichi ma productivité, " il a dit.

Bender est actuellement professeur international de physique à l'Université de Heidelberg, Professeur invité au King's College de Londres, et membre du Centre Higgs d'Édimbourg.

Alors que les mathématiciens déclarent réussir une fois qu'ils ont convaincu d'autres mathématiciens de la rigueur de leurs preuves, les physiciens, bien qu'encouragés par l'accord de leurs pairs, ne sont satisfaits que lorsque la nature s'exprime également. Ils veulent une preuve expérimentale.

Et Bender, au coeur, est physicien. "J'ai commencé par m'intéresser à la science expérimentale et j'étais bon dans ce domaine, " a-t-il dit. " J'ai construit un laboratoire dans ma maison, construit ma plate-forme de jambon, dirigeait une entreprise de réparation de radios, etc. Mais je pense que la science expérimentale était trop lente pour moi. J'ai préféré travailler le crayon et le papier à mon rythme.

"La physique est quelque chose dont vous savez qu'elle est bonne ou mauvaise, et les mathématiques ont toujours raison. C'est pourquoi la physique est délicate, plus dangereux, " il ajouta.

Ainsi, "la meilleure chose qui soit jamais arrivée" à Bender a été la confirmation par l'expérience d'une théorie audacieuse de la mécanique quantique que lui et son ancien étudiant diplômé Stefan Boettcher ont proposée en 1998.

C'est la symétrie PT citée dans le prix Heineman. Typiquement, il est arrivé à cette théorie en remettant en cause l'une des hypothèses fondamentales de la mécanique quantique.

Cet axiome stipule que certains aspects de la mécanique quantique doivent être hermitiens, sens, entre autres, qu'ils doivent rester dans le domaine des nombres réels. "Mais insistant sur le fait que la mécanique quantique doit être hermitienne, " Bender a dit, "c'est comme dire que tous les nombres doivent être pairs."

Bender et Boettcher ont proposé une nouvelle théorie non hermitienne, une généralisation complexe de la mécanique quantique, ce qu'ils ont appelé la mécanique quantique symétrique PT (symétrique à temps de parité). La parité est l'opération de symétrie qui transforme votre main gauche en votre droite. L'inversion du temps signifie simplement que le temps va en arrière plutôt qu'en avant.

Dans deux célèbres expériences lauréates du prix Nobel, d'autres physiciens avaient montré que l'univers n'est ni parité ni symétrie temporelle. Un laboratoire gaucher peut obtenir des résultats expérimentaux différents d'un laboratoire droitier, et un laboratoire remontant le temps peut obtenir des résultats différents d'un laboratoire remontant le temps.

Ce que Bender et Boettcher ont soutenu, c'est que si vous réfléchissez à la fois à l'espace et au temps, tout revient à la normale. En effet, une réflexion de parité peut être exactement compensée par un retournement temporel.

Bender et Boetccher ont également fait une prédiction basée sur leur théorie, de sorte que la théorie était falsifiable. La prédiction était que les systèmes symétriques PT peuvent subir une transition des énergies réelles aux énergies complexes. La symétrie PT serait brisée à cette transition, et le comportement du système changerait d'une manière intéressante et observable.

La chose intéressante à ce sujet était que certains systèmes optiques obéissent à des équations similaires à celles de la mécanique quantique qui régissent les atomes. Ainsi, les systèmes symétriques PT peuvent être construits à partir de composants optiques simples, tels que les lasers et les fibres optiques. "L'astuce, " Bender a dit, "est de coupler un composant avec du gain, où l'énergie entre dans le système, à un composant qui présente une perte, où l'énergie sort du système."

La première expérience pour confirmer la théorie a été réalisée par huit scientifiques dans deux universités aux États-Unis et deux au Canada, mais était physiquement situé à l'Université de l'Arkansas. La théorie de la symétrie PT a depuis été vérifiée à plusieurs reprises par de nombreuses autres expériences.

Bender a entendu parler de la première expérience en 2008, près de 10 ans après la publication de la théorie. Demetrios Christodoulides de l'Université de Floride centrale lui a envoyé un e-mail pour lui dire que son groupe était à peu près certain d'avoir vu la transition de phase PT. "Si tout va bien, avec un peu de chance, nous pouvons avoir une explosion expérimentale dans la zone PT, " a écrit Christodoulides.

"J'étais au septième ciel pendant des semaines, " a déclaré Bender. " Il m'a fallu beaucoup de temps pour descendre parce que jamais de ma vie je n'ai pensé que je pourrais jamais prédire quoi que ce soit qui soit directement observable dans une expérience de laboratoire, sans parler d'une expérience très simple."