American Physical Society och American Institute of Physics delade denna månad ut Dannie Heineman-priset 2017 för matematisk fysik till Carl M. Bender från Washington University i St. Louis.

Med detta pris ansluter han sig till Stephen Hawkings berömda sällskap, Freeman Dyson, Murray Gell-Mann, Roger Penrose, Steven Weinberg och Edward Witten, bland andra.

Bender, Wilfred R. och Ann Lee Konneker framstående professor i fysik i konst och vetenskap, citerades "för att ha utvecklat teorin om PT-symmetri i kvantsystem och ihållande viktiga bidrag som har genererat djupgående och kreativ ny matematik, påverkade breda områden av experimentell fysik, och inspirerade generationer av matematiska fysiker."

"Jag använder fysik för att skapa intressanta problem, och sedan använder jag matematik för att lösa dessa problem, " sa Bender. "Mitt tillvägagångssätt är att förstå vad som händer i den verkliga världen – där vi bor – genom att studera den komplexa världen, som inkluderar den verkliga världen som ett specialfall."

Han förklarar att allt fysiker observerar är på den verkliga axeln:alla siffror, positiv eller negativ, rationell eller irrationell, som kan hittas på en nummerrad. Men den verkliga axeln är bara en linje i det oändliga planet av komplexa tal, som inkluderar siffror med "imaginära" delar. "Det komplexa planet hjälper oss att förstå vad som händer i den verkliga världen, " han sa.

"Till exempel, varför är energinivåerna i en atom kvantiserade? Varför kan atomen bara ha vissa energier och inte andra? Vi förstår inte detta eftersom vi inte tittar i det komplexa planet. I det komplexa planet, energinivåerna är kvantiserade. De är jämna och kontinuerliga. Men om du tar en bit genom det komplexa planet längs den verkliga axeln, energin hackas i frånkopplade punkter. Det är som om rampen togs bort från ett parkeringsgarage i flera plan, lämnar frånkopplade nivåer."

Hur vet Bender vilket problem han ska välja, vilka problem kan ge upphov till när de trycks på detta sätt? "Du kan lukta det, ", sa han. "Vanligtvis är något sant eftersom det finns ett tydligt argument för varför det är sant, men om det är sant för att 'alla vet att det är sant, ' då är ett sådant påstående potentiellt misstänkt."

Bender berättar en charmig historia för att illustrera vad han menar. För många år sedan hans far, en gymnasielärare i fysik, lade Benders son i säng genom att berätta historien om brachistochrone, ett välkänt fysikproblem som hade lösts 300 år tidigare. Men, när Bender lyssnade från ett annat rum, han insåg att den accepterade versionen var fel.

"Min pappa sa, 'Detta är ett klassiskt fysikproblem; dess lösning är välkänd.' Men jag sa, 'Det är inte längre det rätta svaret.'" Att arbeta med en student som är sugen på en utmaning, Bender uppdaterade brachistokronproblemet för att ta hänsyn till Einsteins relativitetsteori.

Så, Bender lyssnar efter fysik som ger den dova känslan av ett outforskat antagande istället för att vara sant, men det är mer än så. Han är också ovanligt bra på att se rörliga mönster:i bokstäver, i schackpositioner, i musikaliska kompositioner såväl som i matematiska funktioner.

Hans presentationsbilder innehåller ofta anagram - han kanske introducerar sitt namn och universitet som Crab Lender of Washing Nervy Tuitions. Han gillar att spela snabbschack och inkluderade i sin Harvard-avhandling ett postschackspel som varade i ett och ett halvt år. (Det var bilaga H, och ingen av examinatorerna märkte det.) Han har också behärskat det mesta av repertoaren för klarinett och till och med övervägt att bli professionell musiker.

Men teoretisk fysik är inte en monolog; det är ett samtal. Och teoretiska fysiker, som matematiker, ta idéer för en provkörning genom att beskriva dem för sina kamrater, som hjälper till genom att försöka hitta brister så gott de kan.

Eftersom det bara finns några hundra mycket aktiva matematiska fysiker i världen, att ha dessa teoritestande samtal, Bender reser ofta utomlands på konferenser eller på sabbatsår. "Interaktionen och diskussionerna har berikat min produktivitet oerhört, " han sa.

Bender är för närvarande en internationell professor i fysik vid universitetet i Heidelberg, gästprofessor vid King's College London, och medlem av Higgs Centre i Edinburgh.

Medan matematiker deklarerar framgång när de väl har övertygat andra matematiker om hur stränga deras bevis är, fysiker – även om de uppmuntras av sina kamraters samtycke – är inte nöjda förrän naturen också uttrycker en åsikt. De vill ha experimentella bevis.

Och Bender, i själ och hjärta, är fysiker. "Jag började intressera mig för experimentell vetenskap och jag var bra på det, " sa han. "Byggt ett labb i mitt hus, byggde min skinkorg, drev ett radioreparationsföretag, etc. Men jag tror att experimentell vetenskap var för långsam för mig. Jag föredrog att arbeta med penna och papper i min egen takt.

"Fysik är något du i slutändan vet är rätt eller fel, och matematik har alltid rätt. Så det är därför fysik är knepigt, farligare, " han lade till.

Så "det bästa som någonsin hänt" Bender var bekräftelsen genom experiment av en vågad kvantmekanisk teori som han och hans tidigare doktorand Stefan Boettcher föreslog 1998.

Detta är PT-symmetrin som nämns i Heineman-priset. Karakteristiskt är att han kom fram till denna teori genom att ifrågasätta ett av kvantmekanikens grundläggande antaganden.

Detta axiom säger att vissa aspekter av kvantmekaniken måste vara hermitiska, menande, bland annat, att de måste förbli i de reella talens rike. "Men att insistera på att kvantmekaniken måste vara hermitisk, " sa Bender, "är som att säga att alla siffror måste vara jämna."

Bender och Boettcher föreslog en ny icke-hermitisk teori, en komplex generalisering av kvantmekaniken, som de kallade PT-symmetrisk (paritet-tidssymmetrisk) kvantmekanik. Paritet är symmetrioperationen som förvandlar din vänstra hand till din högra. Tidsomkastning betyder bara att tiden går bakåt snarare än framåt.

I två berömda nobelvinnande experiment, andra fysiker hade visat att universum varken är paritet eller tidssymmetriskt. Ett vänsterhänt laboratorium kan få olika experimentella resultat från ett högerhänt laboratorium, och ett laboratorium som reser bakåt i tiden kan få andra resultat från ett laboratorium som reser framåt i tiden.

Vad Bender och Boettcher hävdade är att om du reflekterar både rum och tid, allt återgår till det normala. Detta beror på att en paritetsreflektion exakt kan kompenseras av en tidsomkastning.

Bender och Boetccher gjorde också en förutsägelse baserad på deras teori, så att teorin var falsifierbar. Förutsägelsen var att PT-symmetriska system kan genomgå en övergång från verkliga till komplexa energier. PT-symmetri skulle brytas vid denna övergång, och systemets beteende skulle förändras på ett intressant – och observerbart – sätt.

Det snygga med detta var att vissa optiska system lyder ekvationer som liknar de kvantmekaniska som styr atomer. Så PT-symmetriska system kan konstrueras av enkla optiska komponenter, såsom lasrar och optiska fibrer. "Tricket, " sa Bender, "är att koppla en komponent med förstärkning, där energi flödar in i systemet, till en komponent som uppvisar förlust, där energi flödar ut ur systemet."

Det första experimentet för att bekräfta teorin utfördes av åtta forskare vid två universitet i USA och två i Kanada, men var fysiskt belägen vid University of Arkansas. Teorin om PT-symmetri har sedan dess upprepade gånger verifierats av många andra experiment.

Bender hörde om det första experimentet 2008, nästan 10 år efter att teorin publicerades. Demetrios Christodoulides från University of Central Florida mailade honom för att säga att hans grupp var ganska säker på att de hade sett PT-fasövergången. "Om allt går bra, med lite tur, vi kan ha en experimentell explosion i PT-området, " skrev Christodoulides.

"Jag var på moln nio i veckor, " sa Bender. "Det tog mig lång tid att komma ner eftersom jag aldrig i mitt liv trodde att jag någonsin skulle förutsäga något som var direkt observerbart i ett laboratorieexperiment, för att inte tala om ett mycket enkelt experiment."