Hauptforschungsgebiete von Penrose sind diemathematische Physik und dieKosmologie, seine Arbeiten auf diesen Gebieten sind hoch geachtet. Er hat sich auch in zahlreichenpopulärwissenschaftlichen Büchern zu Themen derPhilosophie geäußert. Er erhielt 2020 eine Hälfte desNobelpreises für Physik „für die Entdeckung, dass die BildungSchwarzer Löcher eine robuste Vorhersage derallgemeinen Relativitätstheorie ist“ (so dieLaudatio), also nicht auf speziellen mathematisch vereinfachten Annahmen beruht.[1] Die Laudatio nahm damit insbesondere auf seine mathematischen Arbeiten in den 1960er Jahren mit Einführung neuer Methoden in der allgemeinen Relativitätstheorie Bezug, die in der gemeinsamen Arbeit mitStephen Hawking über die Existenz von Singularitäten und damit Schwarzen Löchern in der allgemeinen Relativitätstheorie unter sehr allgemeinen Voraussetzungen gipfelte (Singularitäten-Theorem). Die zweite Hälfte des Nobelpreises ging anAndrea Ghez undReinhard Genzel für den empirischen Nachweis der Existenz eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.
Roger Penrose ist der Sohn des medizinischen GenetikersLionel Penrose (Begründer desColchester Surveys zur Aufdeckung genetischer bzw. Umwelt-Ursachen von geistigen Erkrankungen) und von Margaret Leathes, einer Ärztin. Des Weiteren ist er der Bruder des PhysikersOliver Penrose, des britischen Schachmeisters und PsychologenJonathan Penrose und der GenetikerinShirley Hodgson. Sein Vater wanderte 1939 nachLondon inOntario,Kanada, aus (er war dort Direktor der psychiatrischen Klinik am Hospital), wo Penrose die Schule besuchte. 1945 kehrte die Familie nach England zurück, und Penrose besuchte dasUniversity College London, wo sein Vater Professor für Genetik war.
Von 1992 bis 1995 war er Präsident derInternational Society on General Relativity and Gravitation.
Er war von 1959 bis 1981 in erster Ehe mit der Amerikanerin Joan Isabel Wedge verheiratet, mit der er drei Kinder hat. In zweiter Ehe heiratete er 1988 die Lehrerin Vanessa Thomas, mit der er zwei Kinder hat.[2]
In der Öffentlichkeit ist Penrose durch seine populärwissenschaftlichen Arbeiten bekannt: In mehreren Büchern(The Emperor’s New Mind[3],Shadows of the Mind[4],The Large, the Small and the Human Mind[5]) setzt er sich mathematisch-physikalisch mit Problemen desBewusstseins und derkünstlichen Intelligenz auseinander.
Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, gemessen durch WMAP
Penrose führteSpin-Netzwerke ein, aus denen später die Theorie derSchleifenquantengravitation und dieTwistor-Theorie entwickelt wurde. Insbesondere der Ausbau der Twistor-Theorie, die er begründete und die er als Basis einer umfassenden physikalischen Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen und Teilchen sieht, war ihm eines der Hauptanliegen in seiner Wissenschaftler-Karriere. Eine weitere grundlegende Erkenntnis in der Kosmologie geht auf ihn undStephen Hawking zurück: DerSatz von Hawking-Penrose, nach dem in denEinsteinschen Feldgleichungen Lösungen mitSingularitäten existieren müssen. Dazu gehören zum BeispielUrknall oder auchSchwarze Löcher.Nach derCosmic Censorship Hypothese von Penrose sind Singularitäten aber immer durch Ereignishorizonte abgeschirmt undnackte Singularitäten kommen nicht vor. Der von ihm 1969 entdecktePenrose-Prozess[6] ermöglicht es, aus rotierenden Schwarzen Löchern Energie zu entnehmen. Schließlich machte Penrose 1979 mit derWeylkrümmungshypothese auch einen Vorschlag, wie derZweite Hauptsatz der Thermodynamik in der Kosmologie verwurzelt sein könnte und wie somit einerseits der kosmologischeZeitpfeil, andererseits die beeindruckende beobachtete räumliche Homogenität und Isotropie desUniversums erklärt werden könnte. Im Zusammenhang mit der Allgemeinen Relativitätstheorie entwickelte er auch dasPenrose-Diagramm, mit dem man die globale Struktur einerRaumzeit graphisch darstellen kann.
Penrose fordert die Entwicklung einer Theorie derQuantengravitation unter Berücksichtigung einer gewissenNichtberechenbarkeit in der Welt derQuantenphänomene bzw. ihrer Deutungen und der Integration der Prinzipien der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins. Diese neue Physik nennt erOR-Physik.
Im Jahr 2010 interpretierte Penrose, gemeinsam mit Wahe Gursadjan, Anomalien (nach ihnen konzentrische Kreise) in denWMAP-Daten der kosmischenHintergrundstrahlung als Beweis für Aktivitäten vor dem Urknall (Kollisionen supermassereicher Schwarzer Löcher).[7] Er sieht das als Bestätigung eines von ihm vorgeschlagenen Modells eineszyklischen Universums (CCC,conformal cyclic cosmology = „konforme zyklische Kosmologie“), das aufeinander folgende Universen vorsieht und somit im Gegensatz zum Modell derParalleluniversen steht.[8][9] Demnach folgt auf das Ende eines expandierten Universums ein neuer Urknall, was eine Symmetrie bzw. konforme (das heißt im Wesentlichen skalenunabhängige) Transformation zwischen Anfang und Ende voraussetzt (das steht mit seiner Weylkrümmungshypothese zur Erklärung der Entropie des Universums in Verbindung). Da aber im bekannten Universum massive Teilchen vorhanden sind und dadurch Skalen definiert werden, postuliert er zudem, dass die Teilchen in der Endphase ihre Masse verlieren. Auch postuliert er zur Erklärung von Temperaturfluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung masselose Teilchen, die Gravitation vermitteln undDunkle Materie ausmachen, und nennt sie Erebon nachErebos.[10]
Umsetzung der 5-fachen symmetrischen Kachelstruktur von Roger PenrosePenta Plexity
Noch als Student entdeckte Penrose 1955 diePenrose-Inversen von Matrizen.
Penrose entdeckte 1974 mehrere zueinander verwandte kleine nicht-periodische Mengen von Kacheln, insbesondere auch mehrereaperiodische Paare. Mit solchen Kacheln kann die Ebene parkettiert werden, aber keine dieserParkettierungen ist periodisch (das heißt, sie lässt sich nicht nach Art eines Tapetenmusters in zwei Richtungen durchTranslation fortsetzen). Sie können jedoch anderweitig eine gewisse Ordnung besitzen; so sind sie oft (aber nicht immer) fünfzählig drehsymmetrisch. Begrenzte Teilgebiete können an anderer Stelle identisch wieder auftauchen. Diese Muster werden daher manchmal auchquasiperiodisch genannt. SolchePenrose-Parkettierungen sind aus einer hierarchisch strukturierten Packung regelmäßiger Fünfecke abgeleitet. 1984 wurden ähnliche Strukturen beiQuasikristallen gefunden, was den Entdeckern einen Nobelpreis in Chemie einbrachte.
Roger Penrose hat unter anderem dasPenrose-Dreieck, ein Dreieck mit drei aufeinander stehenden rechten Winkeln, erfunden. Die Konstruktion, die in der Realität nicht möglich ist, hat den niederländischen GrafikerM. C. Escher zu den BildernWasserfall undBelvedere animiert.
In der Mathematik wird Schönheit oft mit Einfachheit in Verbindung gebracht. Penrose kommt hier zu dem Ergebnis, dass in der Mathematik nicht Einfachheit als solche schön ist, sondern vor allemunerwartete Einfachheit.[11]
Physik und Bewusstsein, Arbeiten zu den Grundlagen der Quantenmechanik
Penrose versucht in mehreren Werken mit einerDrei-Welten-Lehremetaphysische Probleme populärwissenschaftlich zu beschreiben und seine Lösungsvorschläge zu erklären. Aus der ersten Welt des platonisch-mathematischen Logos ist die physikalische Realität nur ein kleiner Ausschnitt (es wären andere Naturgesetze denkbar). Die dritte, geistige Welt ist das Bewusstsein des Einzelnen.
Bei der Suche nach „einer physikalischen Heimat für Bewusstsein“ schlägt Penrose zusammen mitStuart Hameroff ein Modell vor, nach dem das Bewusstsein aufquantenmechanischen Effekten wieEPR-Phänomenen,Quantenverschränkung oderQuanten-Nichtlokalität undQuantenkohärenz beruht, die in denMikrotubuli desZellskeletts und der Schnittstelle mit demNeuron lokalisiert seien. Diese Vorstellung wird kontrovers diskutiert, insbesondere erscheint fraglich, ob solche Phänomene bei der Temperatur und Dichte lebendiger Materie überhaupt möglich sind.
Nach dieser Hypothese führen subtile physikalische Prozesse auf Nanometerskala (10−9 m) im Grenzgebiet zwischen klassischer Physik und Quantenmechanik in einem hochentwickelten Nervensystem zu dem, was wir „Geist“ oder „Bewusstsein“ nennen. Von anderen Quantenphysikern, Neurobiologen und Philosophen, wieThomas Metzinger,Gerhard Roth oderChristof Koch, wird das Hameroff-Penrose-Modell allerdings abgelehnt. Er erhält für seine Theorie jedoch von verschiedenen Naturwissenschaftlern auch Unterstützung, so zum Beispiel durch die PhysikerHans-Peter Dürr undAmit Goswami sowie den ChemikerRolf Froböse.[12][13]
Penrose schlug 2003 mit dem niederländischen ExperimentalphysikerDirk Bouwmeester vor, seine Hypothese des Einflusses der gravitativen Raumkrümmung auf die Superposition quantenmechanischer Zustände[14] an Nano-Spiegeln zu testen.[15][16]
Geometrical Algebras: A New Approach to Invariant Theory.Bedford College, London 1957.
Techniques of Differential Topology in Relativity. SIAM, Philadelphia 1972.
mitWolfgang Rindler:Spinors and Space-Time. Volume 1: Two-Spinor Calculus and Relativistic Fields. Cambridge Monographs on Mathematical Physics. Cambridge University Press, 1987,ISBN 0-521-33707-0.
The Emperor’s New Mind. Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics. Oxford University Press, 1989,ISBN 0-14-014534-6.
dt. Ausgabe:Computerdenken. Des Kaisers neue Kleider oder Die Debatte um künstliche Intelligenz, Bewußtsein und die Gesetze der Physik. Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg 1991,ISBN 3-8274-1332-X.
Shadows of the Mind. A Search for the Missing Science of Consciousness. Oxford University Press, 1994,ISBN 0-19-853978-9.
The Large, the Small and the Human Mind. Cambridge University Press, 1997,ISBN 0-521-56330-5.
dt. Ausgabe:Das Große, das Kleine und der menschliche Geist. Spektrum, Heidelberg/Berlin 2002,ISBN 978-3-8274-0289-9
Quantum Computation, Entanglement and State Reduction. In:Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 356, 1998, S. 1927–1939.
Deutsche Teilübersetzung:Der Weg zur Wirklichkeit: die Teilübersetzung für Einsteiger, Übersetzerin Anita Ehlers, Beiträge vonMarkus Pössel, Spektrum Akademischer Verlag 2010,ISBN 978-3-8274-2341-2
mit Wolfgang Rindler:Spinors and Space-Time. Volume 2: Spinor and Twistor Methods in Space-Time Geometry. Cambridge Monographs on Mathematical Physics. Cambridge University Press, 2008,ISBN 0-521-34786-6.
deutsch:Zyklen der Zeit. Eine neue ungewöhnliche Sicht des Universums. Übersetzt von Thomas Filk. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2011,ISBN 978-3-8274-2801-1.
Collected Works. 6 Bände, Oxford University Press 2011.
Fashion, Faith, and Fantasy in the New Physics of the Universe. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, USA 2016,ISBN 978-0-691-11979-3.
Consciousness and the Universe: Quantum Physics, Evolution, Brain & Mind. Science Publishers, New York, 2010,ISBN 978-1-938024-30-6
↑Roger Penrose:Computerdenken: Die Debatte um Künstliche Intelligenz, Bewusstsein und die Gesetze der Physik. Spektrum Akademischer Verlag, 2001,ISBN 3-8274-1332-X.
↑Penrose:Gravitational collapse: the role of general relativity. In:Rivista del Nuovo Cimento. Serie 1, Band 1, 1969, S. 252
↑Wahagn Grigori Gursadjan, Roger Penrose:On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky. In:Eur. Phys. J. Plus.Band128, 2013,S.22,arxiv:1302.5162 [abs] (englisch).
↑Christian Müller: Das zyklische Universum. In: wienerzeitung.at. 22. Mai 2015, abgerufen am 4. Januar 2019.
