Ahli fisika dihormati untuk menemukan simetri baru dalam ruang dan waktu

Anonim

American Physical Society dan American Institute of Physics bulan ini menganugerahkan Hadiah Dannie Heineman 2017 untuk Matematika Fisika kepada Carl M. Bender dari Universitas Washington di St. Louis.

Dengan hadiah ini ia bergabung dengan perusahaan terkenal Stephen Hawking, Freeman Dyson, Murray Gell-Mann, Roger Penrose, Steven Weinberg dan Edward Witten, antara lain.

Bender, Wilfred R. dan Ann Lee Konneker Distinguished Profesor Fisika dalam Seni & Ilmu Pengetahuan, dikutip "untuk mengembangkan teori PT simetri dalam sistem kuantum dan kontribusi seminal yang berkelanjutan yang telah menghasilkan matematika baru yang mendalam dan kreatif, berdampak luas bidang eksperimental fisika, dan generasi yang diilhami dari fisikawan matematis. "

"Saya menggunakan fisika untuk menghasilkan masalah yang menarik, dan kemudian saya menggunakan matematika untuk memecahkan masalah itu, " kata Bender. "Pendekatan saya adalah memahami apa yang terjadi di dunia nyata — tempat kami tinggal — dengan mempelajari dunia yang rumit, yang mencakup dunia nyata sebagai kasus khusus."

Dia menjelaskan bahwa semua fisikawan mengamati adalah pada sumbu nyata: semua angka, positif atau negatif, rasional atau irasional, yang dapat ditemukan pada garis bilangan. Tetapi sumbu sebenarnya hanyalah satu garis di bidang tak terbatas dari bilangan kompleks, yang mencakup angka-angka dengan bagian "imajiner". "Pesawat kompleks membantu kita memahami apa yang terjadi di dunia nyata, " katanya.

"Sebagai contoh, mengapa tingkat energi dalam atom terkuantisasi? Mengapa atom hanya memiliki energi tertentu dan bukan yang lain? Kami tidak memahami ini karena kami tidak melihat pada bidang kompleks. Dalam bidang kompleks, energi tingkat dikuantifikasi. Mereka halus dan kontinu. Tapi jika Anda mengambil sepotong melalui bidang kompleks sepanjang sumbu nyata, energi dicincang ke titik-titik terputus. Seolah jalan telah dihapus dari garasi parkir multi-level, meninggalkan tingkat terputus. "

Bagaimana Bender tahu masalah mana yang harus dipilih, masalah apa yang mungkin muncul ketika didorong dengan cara ini? "Kamu bisa mencium baunya, " katanya. "Biasanya ada yang benar karena ada argumen yang jelas mengapa itu benar, tetapi jika itu benar karena 'semua orang tahu itu benar, ' maka klaim seperti itu berpotensi dicurigai."

Bender menceritakan kisah yang menawan untuk menggambarkan apa yang ia maksud. Bertahun-tahun yang lalu ayahnya, seorang guru fisika sekolah menengah, meletakkan putra Bender ke tempat tidur dengan menceritakan kisah tentang brachistochrone, masalah fisika terkenal yang telah dipecahkan 300 tahun sebelumnya. Tapi, ketika Bender mendengarkan dari ruangan lain, dia menyadari bahwa versi yang diterima salah.

"Ayah saya berkata, 'Ini masalah fisika klasik; solusinya sudah diketahui dengan baik.' Tetapi saya berkata, 'Itu bukan lagi jawaban yang benar.' "Bekerja dengan seorang sarjana yang ingin sekali menghadapi tantangan, Bender memperbarui masalah brachistochrone untuk mempertimbangkan teori relativitas Einstein.

Jadi, Bender mendengarkan fisika yang menghasilkan dunk tumpul dari asumsi yang tidak teruji alih-alih berdering benar, tetapi ada yang lebih dari itu. Dia juga luar biasa pandai melihat pola bergerak: dalam huruf, di posisi catur, dalam komposisi musik serta dalam fungsi matematika.

Slide presentasinya sering kali menyertakan anagram — dia mungkin memperkenalkan nama dan universitasnya sebagai Crab Lender of Washing Nervy Tuitions. Dia suka bermain catur cepat dan termasuk dalam disertasi Harvard-nya sebuah permainan catur pos yang berlangsung satu setengah tahun. (Itu Lampiran H, dan tidak ada penguji yang menyadarinya.) Dia juga telah menguasai sebagian besar repertoar untuk klarinet dan bahkan dianggap sebagai musisi profesional.

Tetapi fisika teoretis bukanlah monolog; itu adalah percakapan. Dan fisikawan teoritis, seperti matematikawan, mengambil ide untuk test drive dengan menjelaskannya kepada rekan-rekan mereka, yang membantu dengan berusaha sekeras mungkin untuk menemukan kekurangan.

Karena hanya ada beberapa ratus fisikawan matematis yang sangat aktif di dunia, untuk melakukan percakapan pengujian-teori ini, Bender sering bepergian ke luar negeri untuk menghadiri konferensi atau cuti panjang. "Interaksi dan diskusi telah sangat memperkaya produktivitas saya, " katanya.

Bender saat ini adalah Profesor Fisika Internasional di Universitas Heidelberg, Visiting Professor di King's College London, dan Anggota Higgs Center di Edinburgh.

Sementara para matematikawan menyatakan keberhasilan setelah mereka meyakinkan ahli matematika lain tentang ketelitian bukti-bukti mereka, fisikawan-sementara didorong oleh persetujuan rekan-rekan mereka-tidak puas sampai alam juga mengungkapkan pendapat. Mereka menginginkan bukti eksperimental.

Dan Bender, di hati, adalah seorang fisikawan. "Saya mulai tertarik pada sains eksperimental dan saya pandai dalam hal itu, " katanya. "Membangun laboratorium di rumah saya, membangun rig ham saya, menjalankan bisnis perbaikan radio, dll. Tapi saya pikir sains eksperimental terlalu lambat untuk saya. Saya lebih suka bekerja dengan pensil dan kertas dengan kecepatan saya sendiri.

"Fisika adalah sesuatu yang pada akhirnya Anda tahu benar atau salah, dan matematika selalu benar. Jadi itulah mengapa fisika itu rumit, lebih berbahaya, " tambahnya.

Jadi "hal terbaik yang pernah terjadi" kepada Bender adalah konfirmasi dengan eksperimen teori kuantum mekanis yang berani dia dan mantan mahasiswa pascasarjananya Stefan Boettcher diusulkan pada tahun 1998.

Ini adalah simetri PT yang dikutip dalam Heineman Prize. Khas, ia tiba di teori ini dengan mempertanyakan salah satu asumsi mendasar mekanika kuantum.

Aksioma ini menyatakan bahwa aspek-aspek mekanika kuantum tertentu haruslah Hermitian, yang berarti, di antara hal-hal lainnya, bahwa mereka harus tetap berada di alam bilangan real. "Tetapi bersikeras bahwa mekanika kuantum haruslah Hermitian, " kata Bender, "seperti mengatakan semua angka harus genap."

Bender dan Boettcher mengusulkan teori non-Hermitian baru, generalisasi kompleks mekanika kuantum, yang mereka sebut mekanika kuantum simetris (paritas-waktu simetris). Kemajuan adalah operasi simetri yang mengubah tangan kiri Anda ke kanan. Pembalikan waktu hanya berarti waktu berjalan mundur daripada maju.

Dalam dua eksperimen terkenal pemenang Nobel, fisikawan lain telah menunjukkan bahwa alam semesta bukanlah paritas atau simetris waktu. Sebuah laboratorium kidal dapat memperoleh hasil eksperimen yang berbeda dari laboratorium tangan kanan, dan laboratorium yang berjalan mundur pada waktunya dapat memperoleh hasil yang berbeda dari laboratorium yang melakukan perjalanan ke depan tepat waktu.

Apa yang Bender dan Boettcher katakan adalah bahwa jika Anda mencerminkan ruang dan waktu, semuanya kembali normal. Ini karena refleksi paritas dapat dikompensasi dengan pembalikan waktu.

Bender dan Boetccher juga membuat prediksi berdasarkan teori mereka, sehingga teori itu dapat dipalsukan. Prediksinya adalah bahwa sistem PT-simetrik dapat mengalami transisi dari energi nyata ke energi kompleks. PT simetri akan rusak pada transisi ini, dan perilaku sistem akan berubah dengan cara yang menarik — dan dapat diamati.

Hal yang rapi tentang ini adalah bahwa beberapa sistem optik mematuhi persamaan yang mirip dengan yang mekanika kuantum yang mengatur atom. Jadi sistem PT-symmetric dapat dibangun dari komponen optik sederhana, seperti laser dan serat optik. "Caranya, " kata Bender, "adalah menggabungkan komponen dengan gain, di mana energi mengalir ke dalam sistem, ke komponen yang menunjukkan kerugian, di mana energi mengalir keluar dari sistem."

Percobaan pertama untuk mengkonfirmasi teori ini dilakukan oleh delapan ilmuwan di dua universitas di Amerika Serikat dan dua di Kanada, tetapi secara fisik berada di University of Arkansas. Teori PT simetri sejak itu telah berulang kali diverifikasi oleh banyak eksperimen lainnya.

Bender mendengar tentang percobaan pertama pada tahun 2008, hampir 10 tahun setelah penerbitan teori. Demetrios Christodoulides dari University of Central Florida mengirim email kepadanya untuk mengatakan kelompoknya cukup yakin mereka telah melihat transisi fase PT. "Jika semuanya berjalan lancar, dengan sedikit keberuntungan, kita mungkin memiliki ledakan eksperimental di area PT, " tulis Christodoulides.

"Saya berada di awan sembilan selama berminggu-minggu, " kata Bender. "Aku butuh waktu lama untuk turun karena tidak pernah dalam hidupku aku berpikir bahwa aku akan memprediksi apa pun yang secara langsung dapat diamati dalam eksperimen laboratorium, belum lagi eksperimen yang sangat sederhana."

menu
menu