Roger Penrose - Roger Penrose

Professor Sir

Roger Penrose

OM FRS HonFInstP
Roger Penrose på Festival della Scienza 29. oktober 2011.jpg
Penrose i 2011
Født ( 1931-08-08 )8. august 1931 (90 år)
Colchester , England , Storbritannia
utdanning
Kjent for
Liste over bidrag 
Ektefelle (r)
Joan Isabel Wedge
​
​
( M.  1959, skilt)

Vanessa Thomas
Barn 4
Utmerkelser
Liste over priser 
Vitenskapelig karriere
Enger Matematisk fysikk , tessellasjoner
Institusjoner
Avhandling Tensormetoder i algebraisk geometri  (1958)
Doktorgradsrådgiver John A. Todd
Andre akademiske rådgivere WVD Hodge
Doktorgradsstudenter
Påvirket

Sir Roger Penrose OM FRS HonFInstP (født 8. august 1931) er en britisk matematiker , matematisk fysiker , vitenskapsfilosof og nobelprisvinner i fysikk . Han er emeritus Rouse Ball -professor i matematikk ved University of Oxford , emeritus -stipendiat ved Wadham College, Oxford , og æresstipendiat ved St John's College, Cambridge og University College London .

Penrose har bidratt med den matematiske fysikken til generell relativitet og kosmologi . Han har mottatt flere priser og utmerkelser, inkludert Wolf Prize i fysikk fra 1988 , som han delte med Stephen Hawking for setningene Penrose - Hawking singularitet , og halvparten av Nobelprisen i fysikk i 2020 "for oppdagelsen at dannelse av sorte hull er en robust forutsigelse av den generelle relativitetsteorien ".

Tidlig liv

Roger Penrose ble født i Colchester , Essex, og er en sønn av Margaret (Leathes) og psykiater og genetiker Lionel Penrose . Hans besteforeldre var J. Doyle Penrose , en irskfødt kunstner, og The Hon. Elizabeth Josephine Peckover; og hans besteforeldre til mor var fysiolog John Beresford Leathes og kona, Sonia Marie Natanson, en jødisk russer som hadde forlatt St. Petersburg på slutten av 1880 -tallet . Onkelen hans var kunstneren Roland Penrose , hvis sønn med fotograf Lee Miller er Antony Penrose . Penrose er broren til fysikeren Oliver Penrose , til genetikeren Shirley Hodgson og til sjakkmesteren Jonathan Penrose .

Penrose tilbrakte andre verdenskrig som barn i Canada hvor faren jobbet i London, Ontario . Penrose gikk på University College School og University College London , hvor han ble uteksaminert med en førsteklasses grad i matematikk.

Forskning

I 1955, mens han fortsatt var student, introduserte Penrose EH Moore generaliserte matrise inverse, også kjent som Moore - Penrose inverse , etter at den hadde blitt oppfunnet på nytt av Arne Bjerhammar i 1951. Etter å ha startet forskning under professor i geometri og astronomi, Sir WVD Hodge , Penrose avsluttet sin doktorgrad ved St John's College, Cambridge , i 1958, med en avhandling om "tensormetoder i algebraisk geometri" under algebraist og geometer John A. Todd . Han utviklet og populariserte Penrose -trekanten på 1950 -tallet, og beskrev den som "umulighet i sin reneste form", og utvekslet materiale med kunstneren MC Escher , hvis tidligere skildringer av umulige objekter delvis inspirerte den. Eschers foss , og stigende og synkende ble igjen inspirert av Penrose.

Den penrosetriangel

Som anmelder Manjit Kumar sier det:

Som student i 1954 deltok Penrose på en konferanse i Amsterdam da han tilfeldigvis kom over en utstilling av Eschers arbeid. Snart prøvde han å fremkalle sine umulige figurer og oppdaget stammen-en trekant som ser ut som et ekte, solid tredimensjonalt objekt, men ikke er det. Sammen med sin far, en fysiker og matematiker, fortsatte Penrose med å designe en trapp som samtidig løkker opp og ned. En artikkel fulgte og en kopi ble sendt til Escher. Etter å ha fullført en syklisk kreativitet, ble den nederlandske mesteren i geometriske illusjoner inspirert til å produsere sine to mesterverk.

Penrose tilbrakte studieåret 1956–57 som assisterende foreleser ved Bedford College, London og var deretter stipendiat ved St John's College, Cambridge . I løpet av den treårige stillingen giftet han seg med Joan Isabel Wedge, i 1959. Før stipendiet tok slutt vant Penrose et NATO Research Fellowship for 1959–61, først ved Princeton og deretter ved Syracuse University . Da han kom tilbake til University of London , tilbrakte Penrose to år, 1961–63, som forsker ved King's College, London , før han kom tilbake til USA for å tilbringe året 1963–64 som gjestelektor ved University of Texas i Austin . Han hadde senere besøksstillinger i Yeshiva, Princeton og Cornell i løpet av 1966-67 og 1969.

I 1964, mens en leser ved Birkbeck College, London, (og etter å ha fått oppmerksomheten fra ren matematikk til astrofysikk av kosmologen Dennis Sciama , deretter i Cambridge) i ordene til Kip Thorne fra Caltech, revolusjonerte Roger Penrose de matematiske verktøyene som vi bruker til å analysere egenskapene til romtid ". Frem til da hadde arbeidet med den buede geometrien til generell relativitet vært begrenset til konfigurasjoner med tilstrekkelig høy symmetri til at Einsteins ligninger eksplisitt kunne løses, og det var tvil om slike tilfeller var typiske. En tilnærming til dette problemet var ved bruk av forstyrrelsesteori , som utviklet under ledelse av John Archibald Wheeler i Princeton. Den andre, og mer radikalt nyskapende, tilnærmingen som Penrose startet, var å overse den detaljerte geometriske strukturen i romtiden og i stedet konsentrere oppmerksomheten bare om romets topologi, eller høyst dens konforme struktur , siden det er sistnevnte - som bestemt av legging av lyskeglene - som bestemmer banene til lyslignende geodesikk, og dermed deres årsakssammenhenger. Betydningen av Penroses epokegjørende papir "Gravitational Collapse and Space-Time Singularities" var ikke det eneste resultatet, oppsummert omtrent som om et objekt som en døende stjerne imploderer utover et visst punkt, så kan ingenting forhindre at gravitasjonsfeltet blir så sterk for å danne en slags singularitet. Den viste også en måte å oppnå lignende generelle konklusjoner på i andre sammenhenger, særlig den av den kosmologiske Big Bang , som han behandlet i samarbeid med Dennis Sciamas mest kjente student, Stephen Hawking . De Penrose-Hawking Singularity teoremer ble inspirert av Åmål Kumar Raychaudhuri 's Raychaudhuri ligning .

Forutsagt utsikt fra hendelseshorisonten til et svart hull opplyst av en tynn tilførselsskive

Det var i den lokale konteksten av gravitasjonskollaps at Penrose sitt bidrag var mest avgjørende, fra og med hans kosmiske sensur fra 1969, om at eventuelle påfølgende singulariteter ville være begrenset i en veloppdragen hendelseshorisont rundt et skjult rom-tid-område som Wheeler skapte begrepet svart hull , og etterlot et synlig ytre område med sterk, men begrenset krumning, hvorfra noe av gravitasjonsenergien kan utvinnes fra det som er kjent som Penrose -prosessen , mens tilførsel av omkringliggende materie kan frigjøre ytterligere energi som kan redegjøre for astrofysiske fenomener som kvasarer .

Etter å ha fulgt opp sin "svake kosmiske sensurhypotese " fortsatte Penrose i 1979 med å formulere en sterkere versjon kalt "sterk sensurhypotese". Sammen med antagelsene Belinski - Khalatnikov - Lifshitz og spørsmål om ikke -lineær stabilitet er løsning av sensuroppfatningene et av de viktigste utestående problemene innen generell relativitet . Også fra 1979 daterer Penrose sin innflytelsesrike Weyl -krumningshypotese om de første forholdene i den observerbare delen av universet og opprinnelsen til den andre loven om termodynamikk . Penrose og James Terrell innså uavhengig av hverandre at objekter som beveger seg nær lysets hastighet vil se ut til å gjennomgå en merkelig skjevhet eller rotasjon. Denne effekten har blitt kalt Terrell -rotasjonen eller Penrose - Terrell -rotasjonen.

En Penrose -flis

I 1967 oppfant Penrose twistor-teorien som kartlegger geometriske objekter i Minkowski-rommet inn i det 4-dimensjonale komplekse rommet med den metriske signaturen (2,2).

Penrose er kjent for sin oppdagelse av Penrose -fliser fra 1974 , som er dannet av to fliser som bare kan flise planet ikke -periodisk, og er de første flisene som viser femdoblet rotasjonssymmetri. Penrose utviklet disse ideene basert på artikkelen Deux types fondamentaux de distribution statistique (1938; en engelsk oversettelse Two Basic Typer of Statistical Distribution ) av tsjekkisk geograf , demograf og statistiker Jaromír Korčák  [ cs ] . I 1984 ble slike mønstre observert i arrangementet av atomer i kvasikrystaller . Et annet bemerkelsesverdig bidrag er hans oppfinnelse fra 1971 av spinnnettverk , som senere kom til å danne geometrien til romtiden i sløyfe -kvantegravitasjon . Han var innflytelsesrik i populariseringen av det som vanligvis kalles Penrose -diagrammer (årsakssammenheng).

I 1983 ble Penrose invitert til å undervise ved Rice University i Houston, av daværende provost Bill Gordon. Han jobbet der fra 1983 til 1987.

Senere aktivitet

I 2004 ga Penrose ut The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe , en 1099 sider omfattende guide til fysikkens lover som inkluderer en forklaring av hans egen teori. Den Penrose Tolkning forut forholdet mellom kvantemekanikk og generell relativitets , og foreslår at en kvantetilstand forblir i overlagringen inntil differansen av rom-tid krumning oppnår et betydelig nivå.

Penrose er Francis and Helen Pentz Distinguished Visiting Professor in Physics and Mathematics ved Pennsylvania State University .

Et tidligere univers

WMAP -bilde av de (ekstremt små) anisotropiene i den kosmiske bakgrunnsstrålingen

I 2010 rapporterte Penrose mulige bevis, basert på konsentriske sirkler som ble funnet i Wilkinson Microwave Anisotropy Probe -data fra den kosmiske mikrobølgehimmelen , om et tidligere univers som eksisterte før Big Bang i vårt eget nåværende univers. Han nevner dette beviset i epilogen av boken Cycles of Time fra 2010 , en bok der han presenterer sine grunner, for å gjøre med Einsteins feltligninger , Weyl -krumningen C og Weyl -krumningshypotesen (WCH), om at overgangen ved Big Bang kunne vært glatt nok til at et tidligere univers kunne overleve det. Han kom med flere formodninger om C og WCH, hvorav noen senere ble bevist av andre, og han populariserte også sin konforme sykliske kosmologi (CCC) teori. I denne teorien postulerer Penrose at alt på slutten av universet til slutt er inneholdt i sorte hull som deretter fordamper via Hawking -stråling . På dette tidspunktet består alt som finnes i universet av fotoner som hverken "opplever" tid eller rom. Det er egentlig ingen forskjell mellom et uendelig stort univers som bare består av fotoner og et uendelig lite univers som bare består av fotoner. Derfor er en særegenhet for et Big Bang og et uendelig utvidet univers tilsvarende.

Enkelt sagt mener han at singulariteten i Einsteins feltligning ved Big Bang bare er en tilsynelatende singularitet, lik den velkjente tilsynelatende singulariteten ved hendelseshorisonten til et svart hull . Sistnevnte singularitet kan fjernes ved endring av koordinatsystem , og Penrose foreslår en annen endring av koordinatsystem som vil fjerne singulariteten ved big bang. En implikasjon av dette er at de store hendelsene ved Big Bang kan forstås uten å forene generell relativitet og kvantemekanikk, og derfor er vi ikke nødvendigvis begrenset av Wheeler - DeWitt -ligningen , som forstyrrer tiden. Alternativt kan man bruke Einstein - Maxwell - Dirac -ligningene.

Fysikk og bevissthet

Penrose på en konferanse

Penrose har skrevet bøker om sammenhengen mellom grunnleggende fysikk og menneskelig (eller dyr) bevissthet. I The Emperor's New Mind (1989) argumenterer han for at kjente fysikklover er utilstrekkelige til å forklare fenomenet bevissthet. Penrose foreslår egenskapene denne nye fysikken kan ha og spesifiserer kravene til en bro mellom klassisk og kvantemekanikk (det han kaller korrekt kvantetyngdekraft ). Penrose bruker en variant av Turings stoppetning for å demonstrere at et system kan være deterministisk uten å være algoritmisk . (Tenk deg for eksempel et system med bare to tilstander, PÅ og AV. Hvis systemets tilstand er PÅ når en gitt Turing -maskin stopper og AV når Turing -maskinen ikke stopper, blir systemets tilstand fullstendig bestemt av maskinen; likevel , det er ingen algoritmisk måte å avgjøre om Turing -maskinen stopper.)

Penrose mener at slike deterministiske, men ikke-algoritmiske prosesser kan spille inn i kvantemekanisk mekanisk bølgefunksjonsreduksjon , og kan utnyttes av hjernen. Han argumenterer for at datamaskiner i dag ikke klarer å ha intelligens fordi de er algoritmisk deterministiske systemer. Han argumenterer mot synspunktet om at sinnets rasjonelle prosesser er fullstendig algoritmiske og dermed kan dupliseres av en tilstrekkelig kompleks datamaskin. Dette står i kontrast til tilhengerne av sterk kunstig intelligens , som hevder at tanken kan simuleres algoritmisk. Han baserer dette på påstander om at bevisstheten overskrider formell logikk fordi ting som uoppløseligheten til stoppproblemet og Gödels ufullstendighetsteorem forhindrer et algoritmisk basert logikksystem i å reprodusere slike egenskaper ved menneskelig intelligens som matematisk innsikt. Disse påstandene ble opprinnelig støttet av filosofen John Lucas fra Merton College , Oxford .

Den Penrose-Lucas argument om konsekvensene av Gödel 's ufullstendighet teoremet for beregnings teorier om menneskelig intelligens har blitt mye kritisert av matematikere, dataforskere og filosofer, og konsensus blant eksperter på disse feltene synes å være at argumentet mislykkes, selv om ulike forfattere kan velge forskjellige aspekter av argumentet du vil angripe. Marvin Minsky , en ledende talsmann for kunstig intelligens, var spesielt kritisk og uttalte at Penrose "i kapittel etter kapittel prøver å vise at menneskelig tankegang ikke kan være basert på noe kjent vitenskapelig prinsipp." Minskys posisjon er akkurat det motsatte - han mente at mennesker faktisk er maskiner, hvis funksjon, selv om den er kompleks, er fullt forklarbar av nåværende fysikk. Minsky fastholdt at "man kan bære den søken [etter vitenskapelig forklaring] for langt ved å bare søke nye grunnleggende prinsipper i stedet for å angripe de virkelige detaljene. Dette er det jeg ser i Penrose sin søken etter et nytt grunnleggende fysikkprinsipp som skal redegjøre for bevisstheten. "

Penrose svarte på kritikk av The Emperor's New Mind med oppfølgingsboken Shadows of the Mind fra 1994 , og i 1997 med The Large, the Small and the Human Mind . I disse verkene kombinerte han også observasjonene sine med anestesiologen Stuart Hameroff .

Penrose og Hameroff har hevdet at bevisstheten er et resultat av kvantegravitasjonseffekter i mikrotubuli , som de kalte Orch-OR (orkestrert objektiv reduksjon). Max Tegmark , i et papir i Physical Review E , beregnet at tidsskalaen for nevronskyting og eksitasjoner i mikrotubuli er langsommere enn dekoherens -tiden med en faktor på minst 10.000.000.000. Mottakelsen av papiret er oppsummert av denne uttalelsen i Tegmarks støtte: "Fysikere utenfor kampen, som IBMs John A. Smolin , sier at beregningene bekrefter det de hadde mistenkt hele tiden. 'Vi jobber ikke med en hjerne som er nær absolutt null. Det er rimelig usannsynlig at hjernen utviklet kvanteatferd '". Tegmarks papir har blitt mye sitert av kritikere av Penrose - Hameroff -stillingen.

I sitt svar på Tegmarks papir, også publisert i Physical Review E , hevdet fysikerne Scott Hagan, Jack Tuszyński og Hameroff at Tegmark ikke tok for seg Orch-OR-modellen, men i stedet en modell av sin egen konstruksjon. Dette involverte superposisjoner av kvanta atskilt med 24 nm i stedet for de mye mindre separasjonene som er fastsatt for Orch-OR. Som et resultat hevdet Hameroffs gruppe en avkoherensstid på syv størrelsesordener større enn Tegmarks, men fortsatt langt under 25 ms som kreves for at kvantebehandlingen i teorien skulle knyttes til 40 Hz gamma-synkronisering, slik Orch-OR foreslo. . For å bygge bro over dette gapet, laget gruppen en rekke forslag. De antok at interiøret i nevroner kunne veksle mellom flytende og gelstilstander . I gelstilstanden ble det videre antatt at de elektriske vann -dipolene er orientert i samme retning, langs ytterkanten av mikrotubuli -tubulinunderenhetene. Hameroff et al. foreslo at dette bestilte vannet kunne screene enhver kvantesammenheng i tubulinet til mikrotubuli fra omgivelsene i resten av hjernen. Hvert tubulin har også en hale som strekker seg ut fra mikrotubuli, som er negativt ladet, og derfor tiltrekker seg positivt ladede ioner. Det antydes at dette kan gi ytterligere screening. Videre til dette var det et forslag om at mikrotubuli kunne pumpes inn i en sammenhengende tilstand ved biokjemisk energi.

Penrose ved University of Santiago de Compostela for å motta Fonseca -prisen

Til slutt foreslo han at konfigurasjonen av mikrotubuli -gitteret kan være egnet for kvantfeilkorrigering, et middel for å holde sammen kvantesammenheng i møte med miljøinteraksjon.

Hameroff, i et foredrag i en del av en Google Tech talkseries-serie som utforsker kvantebiologi , ga en oversikt over aktuell forskning på området og svarte på påfølgende kritikk av Orch-OR-modellen. I tillegg til dette gir en artikkel fra 2011 av Roger Penrose og Stuart Hameroff publisert i Journal of Cosmology en oppdatert modell av deres Orch-OR-teori, i lys av kritikk, og diskuterer bevissthetens sted i universet.

Selv om Phillip Tetlow støtter Penrose sine synspunkter, erkjenner han at Penroses ideer om den menneskelige tankeprosessen for tiden er et minoritetssyn i vitenskapelige kretser, siterer Minskys kritikk og siterer vitenskapsjournalisten Charles Seifes beskrivelse av Penrose som "en av en håndfull av forskere "som tror at bevissthetens natur antyder en kvanteprosess.

I januar 2014 våget Hameroff og Penrose at en oppdagelse av kvantevibrasjoner i mikrotubuli av Anirban Bandyopadhyay fra National Institute for Materials Science i Japan støtter hypotesen om Orch-OR-teorien . En gjennomgått og oppdatert versjon av teorien ble publisert sammen med kritisk kommentar og debatt i mars 2014 -utgaven av Physics of Life Reviews .

Personlige liv

Familie liv

Penrose er gift med Vanessa Thomas, direktør for akademisk utvikling ved Cokethorpe School og tidligere matematikksjef ved Abingdon School , som han har en sønn med. Han har tre sønner fra et tidligere ekteskap med amerikanske Joan Isabel Penrose (née Wedge), som han giftet seg med i 1959.

Religiøse synspunkter

Under et intervju med BBC Radio 4 25. september 2010 uttalte Penrose: "Jeg er ikke troende selv. Jeg tror ikke på etablerte religioner av noe slag." Han ser på seg selv som en agnostiker. I filmen A Brief History of Time fra 1991 sa han imidlertid også: "Jeg tror jeg vil si at universet har en hensikt, det er liksom ikke bare der ved en tilfeldighet ... noen mennesker tror jeg at universet er bare der og det løper sammen - det er litt som om det bare er beregninger, og vi tilfeldigvis finner oss i denne tingen. Men jeg tror ikke det er en veldig fruktbar eller nyttig måte å se på universet, jeg tenk at det er noe mye dypere med det. "

I et intervju i The Jerusalem Post uttalte Penrose at han kunne betraktes som jøde i henhold til religiøse lover, men han identifiserer seg ikke som en. Penrose er en beskytter av Humanists UK .

Utmerkelser og æresbevisninger

Penrose i et foredrag

Penrose har blitt tildelt mange priser for sine bidrag til vitenskap. I 2020 ble Penrose tildelt halvparten av Nobelprisen i fysikk for oppdagelsen av at dannelse av sorte hull er en robust spådom om den generelle relativitetsteorien, og en halv andel går også til Reinhard Genzel og Andrea Ghez for oppdagelsen av en supermassiv et kompakt objekt i midten av galaksen.

I 2017 ble han tildelt Commandino -medaljen ved Urbino University for sine bidrag til vitenskapshistorien

I 2005 ble Penrose tildelt en æresdoktor ved Warszawa universitet og Katholieke Universiteit Leuven (Belgia), og i 2006 av University of York . I 2006 vant han også Dirac -medaljen gitt av University of New South Wales . I 2008 ble Penrose tildelt Copley -medaljen . Han er også en fremtredende støttespiller for humanister i Storbritannia og en av beskyttere av Oxford University Scientific Society . I 2011 ble Penrose tildelt Fonseca -prisen av University of Santiago de Compostela . I 2012 ble Penrose tildelt Richard R. Ernst -medaljen av ETH Zürich for sine bidrag til vitenskap og for å styrke forbindelsen mellom vitenskap og samfunn. I 2015 ble Penrose tildelt en æresdoktorgrad av CINVESTAV-IPN (Mexico).

I 2004 ble han tildelt De Morgan -medaljen for sine brede og originale bidrag til matematisk fysikk. For å sitere sitatet fra London Mathematical Society :

Hans dype arbeid med generell relativitet har vært en viktig faktor i vår forståelse av sorte hull. Hans utvikling av Twistor Theory har produsert en vakker og produktiv tilnærming til de klassiske ligningene for matematisk fysikk. Hans fliser på flyet ligger til grunn for de nylig oppdagede kvasi-krystallene.

I 1971 ble han tildelt Dannie Heineman -prisen for astrofysikk . Han ble valgt til stipendiat i Royal Society (FRS) i 1972 . I 1975 ble Stephen Hawking og Penrose i fellesskap tildelt Eddington -medaljen fra Royal Astronomical Society . I 1985 ble han tildelt Royal Society Royal Medal . Sammen med Stephen Hawking ble han tildelt den prestisjetunge Wolf Foundation -prisen for fysikk i 1988. I 1989 ble han tildelt Dirac -medaljen og prisen til British Institute of Physics . I 1990 ble Penrose tildelt Albert Einstein -medaljen for fremragende arbeid knyttet til arbeidet til Albert Einstein av Albert Einstein Society . I 1991 ble han tildelt Naylor -prisen fra London Mathematical Society . Fra 1992 til 1995 fungerte han som president i International Society on General Relativity and Gravitation . I 1994 ble Penrose adlet for tjenester til vitenskap. Samme år ble han også tildelt en æresgrad (Doctor of Science) ved University of Bath , og ble medlem av det polske vitenskapsakademiet . I 1998 ble han valgt til Foreign Associate ved United States National Academy of Sciences . I 2000 ble han utnevnt til fortjenstorden . Han ble valgt inn i American Philosophical Society i 2011.

Virker

Populære publikasjoner

Medforfatter

Akademiske bøker

  • Differensiell topologi i relativitetsteknikker (1972, ISBN  0-89871-005-7 )
  • Spinors and Space-Time: Volume 1, Two-Spinor Calculus and Relativistic Fields (med Wolfgang Rindler , 1987) ISBN  0-521-33707-0 (pocket)
  • Spinors and Space-Time: Volume 2, Spinor and Twistor Methods in Space-Time Geometry (med Wolfgang Rindler, 1988) (opptrykk), ISBN  0-521-34786-6 (pocket)

Forord til andre bøker

Se også

Merknader

Referanser

Videre lesning

  • Ferguson, Kitty (1991). Stephen Hawking: Quest for a Theory of Everything . Franklin Watts. ISBN  0-553-29895-X .
  • Misner, Charles; Thorne, Kip S. & Wheeler, John Archibald (1973). Gravitasjon . San Francisco: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.(Se boks 34.2 .)

Eksterne linker