Gerardus " Gerard " 't Hooft ( en holandés: [ˈɣeːrɑrt ət ˈɦoːft] ; nacido el 5 de julio de 1946) es un físico teórico holandés y profesor de la Universidad de Utrecht , Países Bajos. Compartió el Premio Nobel de Física de 1999 con su asesor de tesis Martinus JG Veltman "por dilucidar la estructura cuántica de las interacciones electrodébiles ".
Su trabajo se centra en la teoría de gauge , los agujeros negros , la gravedad cuántica y aspectos fundamentales de la mecánica cuántica. Sus contribuciones a la física incluyen una prueba de que las teorías de gauge son renormalizables , la regularización dimensional y el principio holográfico .
Gerard 't Hooft nació en Den Helder el 5 de julio de 1946, [1] pero creció en La Haya . Fue el hijo del medio de una familia de tres. Proviene de una familia de eruditos. Su tío abuelo fue el premio Nobel Frits Zernike , y su abuela estaba casada con Pieter Nicolaas van Kampen , profesor de zoología en la Universidad de Leiden . Su tío Nico van Kampen era profesor (emérito) de física teórica en la Universidad de Utrecht, y su madre se casó con un ingeniero marítimo. [2] Siguiendo los pasos de su familia, mostró interés por la ciencia a una edad temprana. Cuando su maestra de primaria le preguntó qué quería ser cuando fuera mayor, respondió: "un hombre que lo supiera todo". [2]
Después de la escuela primaria, Gerard asistió al Dalton Lyceum, una escuela que aplicaba las ideas del Plan Dalton , un método educativo que le venía bien. Destacó en los cursos de ciencias y matemáticas. A los dieciséis años ganó una medalla de plata en la segunda Olimpiada Holandesa de Matemáticas . [2]
En 1964, tras aprobar el bachillerato, Gerard 't Hooft se matriculó en la carrera de física de la Universidad de Utrecht. Se decidió por Utrecht en lugar de por Leiden, una ciudad mucho más cercana, porque su tío era profesor allí y quería asistir a sus clases. Como estaba tan centrado en la ciencia, su padre insistió en que se uniera al Utrechtsch Studenten Corps, una asociación de estudiantes, con la esperanza de que hiciera algo más que estudiar. Esto funcionó hasta cierto punto: durante sus estudios fue timonel en el club de remo "Triton" y organizó un congreso nacional para estudiantes de ciencias con su club de debate científico "Christiaan Huygens".
En el transcurso de sus estudios decidió que quería adentrarse en lo que percibía como el corazón de la física teórica, las partículas elementales . A su tío le había empezado a disgustar el tema y en particular a sus practicantes, así que cuando llegó el momento de escribir su doctoraalscriptie (antiguo nombre del equivalente holandés de una tesis de maestría ) en 1968, 't Hooft recurrió al recién nombrado profesor Martinus Veltman , que se especializaba en la teoría de Yang-Mills , un tema relativamente marginal en ese momento porque se pensaba que estas no podían renormalizarse . Su tarea era estudiar la anomalía de Adler-Bell-Jackiw , un desajuste en la teoría de la desintegración de piones neutros ; los argumentos formales prohíben la desintegración en fotones , mientras que los cálculos y experimentos prácticos mostraban que esta era la forma primaria de desintegración. La resolución del problema era completamente desconocida en ese momento, y 't Hooft no pudo proporcionar una.
En 1969, 't Hooft comenzó su investigación doctoral con Martinus Veltman como su asesor. Trabajaría en el mismo tema en el que estaba trabajando Veltman, la renormalización de las teorías de Yang-Mills. En 1971 se publicó su primer artículo. [3] En él mostró cómo renormalizar los campos de Yang-Mills sin masa, y fue capaz de derivar relaciones entre amplitudes, que serían generalizadas por Andrei Slavnov y John C. Taylor , y se conocerían como las identidades de Slavnov-Taylor .
El mundo no le prestó mucha atención, pero Veltman estaba entusiasmado porque vio que el problema en el que había estado trabajando estaba resuelto. Siguió un período de intensa colaboración en el que desarrollaron la técnica de regularización dimensional . Pronto el segundo artículo de 't Hooft estaba listo para ser publicado, [4] en el que demostraba que las teorías de Yang-Mills con campos masivos debido a la ruptura espontánea de la simetría podían renormalizarse. Este artículo les valió el reconocimiento mundial y, en última instancia, les valió a ambos el Premio Nobel de Física de 1999.
Estos dos artículos formaron la base de la disertación de 't Hooft , El procedimiento de renormalización para los campos de Yang-Mills , y obtuvo su doctorado en 1972. En el mismo año se casó con su esposa, Albertha A. Schik, una estudiante de medicina en Utrecht. [2]
Después de obtener su doctorado, 't Hooft fue al CERN en Ginebra, donde obtuvo una beca. Allí perfeccionó aún más sus métodos para las teorías de Yang-Mills con Veltman (quien regresó a Ginebra). En ese momento se interesó en la posibilidad de que la interacción fuerte pudiera describirse como una teoría de Yang-Mills sin masa, es decir, una de un tipo que acababa de demostrar que era renormalizable y, por lo tanto, susceptible de cálculo detallado y comparación con experimentos.
Según los cálculos de 't Hooft, este tipo de teoría poseía exactamente el tipo correcto de propiedades de escala ( libertad asintótica ) que esta teoría debería tener según los experimentos de dispersión inelástica profunda . Esto era contrario a la percepción popular de las teorías de Yang-Mills en ese momento, que al igual que la gravitación y la electrodinámica, su intensidad debería disminuir con el aumento de la distancia entre las partículas interactuantes; este comportamiento convencional con la distancia no podía explicar los resultados de la dispersión inelástica profunda, mientras que los cálculos de 't Hooft sí podían.
Cuando 't Hooft mencionó sus resultados en una pequeña conferencia en Marsella en 1972, Kurt Symanzik lo instó a publicar este resultado; [2] pero 't Hooft no lo hizo, y el resultado fue finalmente redescubierto y publicado por Hugh David Politzer , David Gross y Frank Wilczek en 1973, lo que les llevó a ganar el Premio Nobel de Física de 2004. [5] [6]
En 1974, 't Hooft regresó a Utrecht, donde se convirtió en profesor asistente. En 1976, fue invitado a un puesto de invitado en Stanford y un puesto en Harvard como profesor de Morris Loeb. Su hija mayor, Saskia Anne, nació en Boston , mientras que su segunda hija, Ellen Marga, nació en 1978 después de que regresara a Utrecht, donde fue nombrado profesor titular. [2] En el año académico 1987-1988, 't Hooft pasó un año sabático en el Departamento de Física de la Universidad de Boston junto con Howard Georgi , Robert Jaffe y otros organizados por el entonces nuevo director del Departamento, Lawrence Sulak .
En 2007, 't Hooft se convirtió en editor en jefe de Foundations of Physics , donde buscó distanciar la revista de la controversia de la teoría ECE . [7] 't Hooft ocupó el cargo hasta 2016.
El 1 de julio de 2011 fue nombrado profesor distinguido por la Universidad de Utrecht. [8]
Está casado con Albertha Schik (Betteke) y tiene dos hijas.
En 1999, 't Hooft compartió el premio Nobel de Física con su asesor de tesis Veltman por "dilucidar la estructura cuántica de las interacciones electrodébiles en física". [9] Antes de esa fecha, su trabajo ya había sido reconocido con otros premios notables. En 1981, fue galardonado con el Premio Wolf , [10] posiblemente el premio más prestigioso en física después del premio Nobel. Cinco años más tarde recibió la Medalla Lorentz , otorgada cada cuatro años en reconocimiento a las contribuciones más importantes en física teórica. [11] En 1995, fue uno de los primeros destinatarios del Spinozapremie , el premio más alto disponible para los científicos en los Países Bajos. [12] En el mismo año también fue honrado con una Medalla Franklin . [13] En 2000, 't Hooft recibió el Premio Golden Plate de la Academia Estadounidense de Logros . [14]
Desde que recibió el Premio Nobel, 't Hooft ha recibido numerosos premios, doctorados honorarios y cátedras honorarias. [15] Fue nombrado caballero comandante de la Orden del León de los Países Bajos y oficial de la Legión de Honor francesa . El asteroide 9491 Thooft ha sido nombrado en su honor, [16] y ha escrito una constitución para sus futuros habitantes. [17]
Es miembro de la Real Academia Holandesa de las Artes y las Ciencias (KNAW) desde 1982, [18] donde fue nombrado profesor de la academia en 2003. [19] También es miembro extranjero de muchas otras academias de ciencias, incluidas la Academia de Ciencias de Francia , la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos y la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias y el Instituto de Física con sede en Gran Bretaña e Irlanda . [15]
't Hooft apareció en la temporada 3 de Through the Wormhole con Morgan Freeman .
Los intereses de investigación de 't Hooft se pueden dividir en tres direcciones principales: "teorías de calibre en física de partículas elementales", "gravedad cuántica y agujeros negros" y "aspectos fundamentales de la mecánica cuántica". [20]
't Hooft es más famoso por sus contribuciones al desarrollo de las teorías de calibración en física de partículas. La más conocida de ellas es la prueba en su tesis doctoral de que las teorías de Yang-Mills son renormalizables, por la que compartió el Premio Nobel de Física en 1999. Para esta prueba introdujo (con su asesor Veltman) la técnica de regularización dimensional.
Después de su doctorado, se interesó en el papel de las teorías de calibración en la interacción fuerte, [2] cuya teoría principal se llama cromodinámica cuántica o QCD. Gran parte de su investigación se centró en el problema del confinamiento del color en QCD, es decir, el hecho observacional de que solo se observan partículas neutras en cuanto al color a bajas energías. Esto lo llevó al descubrimiento de que las teorías de calibración SU(N) se simplifican en el gran límite N , [21] un hecho que ha demostrado ser importante en el examen de la correspondencia conjeturada entre las teorías de cuerdas en un espacio Anti-de Sitter y las teorías de campos conformes en una dimensión inferior. Al resolver la teoría en una dimensión espacial y una temporal, 't Hooft pudo derivar una fórmula para las masas de los mesones . [22]
También estudió el papel de las llamadas contribuciones de los instantones en la QCD. Su cálculo mostró que estas contribuciones conducen a una interacción entre quarks ligeros a bajas energías no presentes en la teoría normal. [23] Al estudiar las soluciones de instantones de las teorías de Yang-Mills, 't Hooft descubrió que romper espontáneamente una teoría con simetría SU(N) a una simetría U(1) conducirá a la existencia de monopolos magnéticos . [24] Estos monopolos se denominan monopolos de 't Hooft-Polyakov , en honor a Alexander Polyakov , quien obtuvo independientemente el mismo resultado. [25]
Como otra pieza del rompecabezas del confinamiento del color, 't Hooft introdujo los bucles 't Hooft , que son el dual magnético de los bucles de Wilson . [26] Utilizando estos operadores, pudo clasificar diferentes fases de QCD, que forman la base del diagrama de fases de QCD .
En 1986, finalmente pudo demostrar que las contribuciones del instantón resuelven la anomalía de Adler-Bell-Jackiw , el tema de su tesis de maestría. [27]
Cuando Veltman y 't Hooft se trasladaron al CERN después de que 't Hooft obtuviera su doctorado, la atención de Veltman se centró en la posibilidad de utilizar sus técnicas de regularización dimensional para el problema de la cuantificación de la gravedad. Aunque se sabía que la gravedad cuántica perturbativa no era completamente renormalizable, sintieron que se podían aprender lecciones importantes estudiando la renormalización formal de la teoría orden por orden. Este trabajo sería continuado por Stanley Deser y otro estudiante de doctorado de Veltman, Peter van Nieuwenhuizen , quienes más tarde encontraron patrones en los términos contrarios de la renormalización, lo que llevó al descubrimiento de la supergravedad . [2]
En la década de 1980, la atención de 't Hooft se centró en el tema de la gravedad en tres dimensiones del espacio-tiempo. Junto con Deser y Jackiw, publicó un artículo en 1984 en el que describía la dinámica del espacio plano, donde los únicos grados de libertad locales eran defectos puntuales que se propagaban. [28] Su atención volvió a este modelo en varios puntos del tiempo, mostrando que los pares de Gott no causarían bucles temporales que violaran la causalidad , [29] y mostrando cómo se podía cuantificar el modelo. [30] Más recientemente, propuso generalizar este modelo plano por partes de la gravedad a cuatro dimensiones del espacio-tiempo. [31]
Con el descubrimiento de Stephen Hawking de la radiación de Hawking de los agujeros negros , se hizo evidente que la evaporación de estos objetos violaba una propiedad fundamental de la mecánica cuántica, la unitaridad . 't Hooft se negó a aceptar este problema, conocido como la paradoja de la información del agujero negro , y asumió que esto debía ser el resultado del tratamiento semiclásico de Hawking, y que no debería aparecer en una teoría completa de la gravedad cuántica. Propuso que podría ser posible estudiar algunas de las propiedades de dicha teoría, suponiendo que dicha teoría fuera unitaria.
Utilizando este enfoque, ha argumentado que cerca de un agujero negro, los campos cuánticos podrían describirse mediante una teoría en una dimensión inferior. [32] Esto condujo a la introducción del principio holográfico por él y Leonard Susskind . [33]
't Hooft tiene "puntos de vista divergentes sobre la interpretación física de la teoría cuántica ". [20] Él cree que podría haber una explicación determinista subyacente a la mecánica cuántica. [34] Utilizando un modelo especulativo, ha argumentado que tal teoría podría evitar los argumentos habituales de desigualdad de Bell que rechazarían tal teoría de variable oculta local . [35] En 2016 publicó una exposición extensa de sus ideas [36] que, según 't Hooft, ha encontrado reacciones mixtas. [37]
