Sir Roger Penrose – A fizika és a matematika határán

Sir Roger Penrose fizikai Nobel-díjas angol matematikus és elméleti fizikus, az Oxfordi Egyetem Rousse Ball matematikai katedrájának professor emeritusa és a Wadham College emeritus tagja, a modern tudomány egyik legkiemelkedőbb alakja. Nincs ugyan kerek születésnapja (1931-ben született ezen a napon), ám munkásságával mindenképpen érdemes megismerkedni.

Kutatásai mély hatást gyakoroltak az általános relativitáselméletre, a kvantummechanikára és az elméleti kozmológiára. 2020-ban elnyerte a Nobel-díjat a fekete lyukakkal kapcsolatos munkásságáért, amely jelentős áttörést hozott az univerzum szerkezetének megértésében.

Életút és tudományos pálya

Roger Penrose 1931. augusztus 8-án született az Egyesült Királyságban, egy tudós családban. Apja a híres genetikus, pszichiáter és sakkelmélész Lionel S. Penrose (1898–1972) volt. Két fivére Oliver Penrose matematikus, fizikus (*1929) és Jonathan Penrose sakkmester (*1933), húga Shirley Hodgson, genetikus professzor (*1945).

Matematikai tehetsége korán megmutatkozott, és tanulmányait a University College Londonban kezdte, majd Cambridge-ben szerzett doktori fokozatot. Korai kutatásai során a geometriával és az elméleti fizikával kezdett foglalkozni, amelyek későbbi tudományos pályájának meghatározó elemei lettek.

A Cambridge-i Egyetemen szerzett doktori fokozatot 1957-ben algebrai geometriából. Ezután angol és amerikai egyetemeken dolgozott. 1964–1973 között a londoni Birkbeck College-ban volt docens, majd az alkalmazott matematika professzora. 1973-ban lett az Oxfordi Egyetemen a Rouse-Ball matematikai tanszék professzora.

1988-ban a Stephen Hawkinggal közösen elért eredményekért megkapták a fizikai Wolf-díjat. Tudományos eredményeinek elismeréseként 1994-ben a királynő lovaggá ütötte.

Penrose különösen híres a „Penrose-csempézés” felfedezéséről, amely egy nem ismétlődő mozaikszerkezet, és amelynek matematikai vonatkozásai az anyagtudományban és a kvantumfizikában is jelentősek. Ezen kívül az emberi tudat természetéről alkotott elméletei is széles körben vitatottak és elismertek.

A Nobel-díj és a fekete lyukak

2020-ban Penrose elnyerte a fizikai Nobel-díjat a fekete lyukak kialakulásának matematikai bizonyításáért. Kutatásai kimutatták, hogy a fekete lyukak az „általános relativitáselmélet” elkerülhetetlen következményei, és hogy az Einstein-egyenletek megoldásai szükségszerűen magukban foglalják ezeket az objektumokat.

1965-ben publikálta azt a híres cikkét, amelyben bemutatta a „Penrose-féle szingularitási tételt”, amely szerint egy elég nagy tömegű csillag összeomlása elkerülhetetlenül szingularitáshoz, azaz egy olyan pontszerű téridő-torzuláshoz vezet, amelyben az ismert fizikai törvények érvényüket vesztik. Ez az eredmény alapvető fontosságú volt a fekete lyukak megértésében, és hozzájárult ahhoz a paradigmaváltáshoz, amely szerint ezek az objektumok nem pusztán matematikai furcsaságok, hanem a valóság részei.

Együttműködés Stephen Hawkinggal

Penrose és Stephen Hawking együtt dolgoztak a kozmológiai szingularitásokról szóló kutatásokban. Közös munkájuk eredményeként született meg a „Hawking–Penrose szingularitási tétel”, amely szerint az einsteini téregyenleteknek nincs szingularitás (például ősrobbanás, fekete lyuk) nélküli megoldása – ez az elmélet erős matematikai hátteret biztosított az ősrobbanás elméletének.

Más tudományos eredményei

Penrose kutatásai messze túlmutatnak a fekete lyukakon. Az egyik legismertebb elmélete a „kvantumgravitáció és a tudat kapcsolata”, amelyben azt állítja, hogy a tudat kvantumfolyamatokon alapulhat, különösen a mikrotubulusok nevű sejtszerkezetekben lezajló kvantumjelenségeken. Ezt az elméletet Stuart Hameroff-fal együtt dolgozta ki, és bár sok tudós szkeptikusan fogadta, új perspektívát nyitott a tudat természetének kutatásában.

Egy másik jelentős eredménye a „ciklikus univerzum elmélete”, amely szerint a világegyetem nem egyetlen ősrobbanásból született, hanem egy ismétlődő cikluson megy keresztül, amelyben az univerzum összeomlik és újra létrejön. Ő dolgozta ki a tvisztorelméletet (a tvisztorok a téridő alapjául szolgáló, magasabb dimenziós komplex térben működő, absztrakt geometriai alakzatok). Kutatási eredményei még: Escher grafikáinak magyarázata, a téglalap alakú mátrixok Moore-Penrose-inverze.

Roger Penrose munkássága mély és tartós hatást gyakorolt a modern fizikára és matematikára. Elméletei és bizonyításai nemcsak a fekete lyukak és a relativitáselmélet megértésében játszottak kulcsszerepet, hanem a kozmológia és a tudatkutatás területén is inspirációt nyújtottak.

Az általa bevezetett matematikai módszerek és elméletek továbbra is az elméleti fizika és az alkalmazott matematika fontos eszközei. Noha néhány elmélete még bizonyításra vár, kétségtelen, hogy hozzájárulása a tudományhoz páratlan, és generációk számára szolgál inspirációként.

Magyar feliratozással: