Roger Penrose

Sir Roger Penrose OM FRS HonFinstP (nascido em 8 de agosto 1931) é um matemático britânico, físico matemático, filósofo da ciência e ganhador do Nobel de Física. Ele é professor emérito de matemática Rouse Ball na Universidade de Oxford, membro emérito do Wadham College, Oxford, e membro honorário do St John's College, Cambridge, e da University College London.

Penrose contribuiu para a física matemática da relatividade geral e da cosmologia. Ele recebeu vários prêmios e distinções, incluindo o Prêmio Wolf de Física de 1988, que compartilhou com Stephen Hawking pelos teoremas de singularidade de Penrose-Hawking, e o Prêmio Nobel de Física de 2020 “pela descoberta de que a formação de buracos negros é um previsão robusta da teoria geral da relatividade". Ele é considerado um dos maiores físicos, matemáticos e cientistas vivos, e é particularmente conhecido pela amplitude e profundidade de seu trabalho nas ciências naturais e formais.

Primeira vida e educação

Nascido em Colchester, Essex, Roger Penrose é filho da médica Margaret (Leathes) e do psiquiatra e geneticista Lionel Penrose. Seus avós paternos eram J. Doyle Penrose, um artista nascido na Irlanda, e o Exmo. Elizabeth Josephine, filha de Alexander Peckover, 1º Barão Peckover; seus avós maternos eram o fisiologista John Beresford Leathes e a judia russa Sonia Marie Natanson. Seu tio era o artista Roland Penrose, cujo filho com o fotógrafo Lee Miller é Antony Penrose. Penrose é irmão do físico Oliver Penrose, da geneticista Shirley Hodgson e do grande mestre do xadrez Jonathan Penrose. O padrasto deles era o matemático e cientista da computação Max Newman.

Penrose passou a Segunda Guerra Mundial quando criança no Canadá, onde seu pai trabalhava em Londres, Ontário. Penrose estudou na University College School. Ele freqüentou a University College London e obteve um diploma de primeira classe em matemática pela Universidade de Londres em 1952.

Em 1955, ainda estudante, Penrose reintroduziu a matriz inversa generalizada de E. H. Moore, também conhecida como inversa de Moore-Penrose, depois de ter sido reinventada por Arne Bjerhammar em 1951. Tendo iniciado pesquisas com o professor de geometria e astronomia, Sir WVD Hodge, Penrose concluiu seu doutorado no St John's College, Cambridge, em 1958, com uma tese sobre métodos tensores em geometria algébrica supervisionada pelo algebrista e geômetra John A. Todd. Ele idealizou e popularizou o triângulo de Penrose na década de 1950 em colaboração com seu pai, descrevendo-o como “impossibilidade em sua forma mais pura”, e trocou material com o artista M. C. Escher, cujas representações anteriores de objetos impossíveis o inspiraram parcialmente.. A Cachoeira de Escher e Ascendente e Descendente foram, por sua vez, inspirados em Penrose.

Como afirma o revisor Manjit Kumar:

Como estudante em 1954, Penrose estava participando de uma conferência em Amsterdã quando por acaso ele se deparou com uma exposição do trabalho de Escher. Logo ele estava tentando conjurar figuras impossíveis de seu próprio e descobriu o tribar – um triângulo que parece um objeto tridimensional real, sólido, mas não é. Juntamente com seu pai, um físico e matemático, Penrose passou a projetar uma escadaria que simultaneamente loops para cima e para baixo. Um artigo seguido e uma cópia foi enviada para Escher. Completando um fluxo cíclico de criatividade, o mestre holandês de ilusões geométricas foi inspirado para produzir suas duas obras-primas.

Pesquisa e carreira

Penrose passou o ano acadêmico de 1956–57 como professor assistente no Bedford College, em Londres, e foi então pesquisador no St John's College, em Cambridge. Durante esse cargo de três anos, ele se casou com Joan Isabel Wedge, em 1959. Antes do término da bolsa, Penrose ganhou uma bolsa de pesquisa da OTAN para 1959–61, primeiro em Princeton e depois na Universidade de Syracuse. Retornando à Universidade de Londres, Penrose passou dois anos, de 1961 a 1963, como pesquisador no King's College, em Londres, antes de retornar aos Estados Unidos para passar o ano de 1963 a 1964 como professor associado visitante na Universidade. do Texas em Austin. Mais tarde, ele ocupou cargos de visitante em Yeshiva, Princeton e Cornell durante 1966–67 e 1969.

Em 1964, enquanto leitor no Birkbeck College, Londres, (e tendo sua atenção desviada da matemática pura para a astrofísica pelo cosmólogo Dennis Sciama, então em Cambridge), nas palavras de Kip Thorne do Caltech, " Roger Penrose revolucionou as ferramentas matemáticas que usamos para analisar as propriedades do espaço-tempo". Até então, o trabalho sobre a geometria curva da relatividade geral tinha sido confinado a configurações com simetria suficientemente elevada para que as equações de Einstein pudessem ser resolvidas explicitamente, e havia dúvidas sobre se tais casos eram típicos. Uma abordagem para esta questão foi pelo uso da teoria das perturbações, desenvolvida sob a liderança de John Archibald Wheeler em Princeton. A outra abordagem, e mais radicalmente inovadora, iniciada por Penrose foi ignorar a estrutura geométrica detalhada do espaço-tempo e, em vez disso, concentrar a atenção apenas na topologia do espaço, ou no máximo na sua estrutura conforme, uma vez que é a última - conforme determinado pelo configuração dos cones de luz – que determina as trajetórias das geodésicas semelhantes à luz e, portanto, suas relações causais. A importância do artigo que marcou época de Penrose, "Colapso Gravitacional e Singularidades Espaço-Tempo" não foi o seu único resultado, resumido aproximadamente como se um objeto como uma estrela moribunda implodir além de um certo ponto, nada poderá impedir que o campo gravitacional se torne tão forte a ponto de formar algum tipo de singularidade. Também mostrou uma forma de obter conclusões gerais semelhantes noutros contextos, nomeadamente no do Big Bang cosmológico, do qual tratou em colaboração com o aluno mais famoso de Dennis Sciama, Stephen Hawking.

Foi no contexto local do colapso gravitacional que a contribuição de Penrose foi mais decisiva, começando com a sua conjectura da censura cósmica de 1969, no sentido de que quaisquer singularidades subsequentes seriam confinadas dentro de um horizonte de eventos bem comportado em torno de um espaço oculto. -região de tempo para a qual Wheeler cunhou o termo buraco negro, deixando uma região exterior visível com curvatura forte, mas finita, da qual parte da energia gravitacional pode ser extraída pelo que é conhecido como processo de Penrose, enquanto o acréscimo de matéria circundante pode liberar ainda mais energia que pode explicar fenômenos astrofísicos como os quasares.

Seguindo sua “hipótese da censura cósmica fraca”, Penrose passou, em 1979, a formular uma versão mais forte chamada de “hipótese da censura forte”. Juntamente com a conjectura de Belinski – Khalatnikov – Lifshitz e as questões de estabilidade não linear, resolver as conjecturas de censura é um dos problemas pendentes mais importantes da relatividade geral. Também de 1979, data a influente hipótese da curvatura de Weyl de Penrose sobre as condições iniciais da parte observável do universo e a origem da segunda lei da termodinâmica. Penrose e James Terrell perceberam independentemente que os objetos que viajam perto da velocidade da luz parecerão sofrer uma inclinação ou rotação peculiar. Este efeito passou a ser chamado de rotação Terrell ou rotação Penrose-Terrell.

Em 1967, Penrose inventou a teoria twistor que mapeia objetos geométricos no espaço de Minkowski no espaço complexo quadridimensional com a assinatura métrica (2,2).

Penrose é bem conhecido por sua descoberta em 1974 das telhas de Penrose, que são formadas a partir de duas telhas que só podem ladrilhar o plano de forma não periódica, e são as primeiras telhas a exibir simetria rotacional quíntupla. Em 1984, tais padrões foram observados no arranjo dos átomos em quasicristais. Outra contribuição digna de nota é sua invenção de redes de spin em 1971, que mais tarde veio a formar a geometria do espaço-tempo na gravidade quântica em loop. Ele foi influente na popularização do que é comumente conhecido como diagramas de Penrose (diagramas causais).

Em 1983, Penrose foi convidado para lecionar na Rice University, em Houston, pelo então reitor Bill Gordon. Ele trabalhou lá de 1983 a 1987. Seus alunos de doutorado incluíram, entre outros, Andrew Hodges, Lane Hughston, Richard Jozsa, Claude LeBrun, John McNamara, Tristan Needham, Tim Poston, Asghar Qadir e Richard S. Ward.

Em 2004, Penrose lançou O Caminho para a Realidade: Um Guia Completo para as Leis do Universo, um guia completo de 1.099 páginas sobre as Leis da Física que inclui uma explicação de sua própria teoria. A Interpretação de Penrose prevê a relação entre a mecânica quântica e a relatividade geral e propõe que um estado quântico permanece em superposição até que a diferença da curvatura do espaço-tempo atinja um nível significativo.

Penrose é Professor Visitante Distinto de Física e Matemática Francis e Helen Pentz na Universidade Estadual da Pensilvânia.

Um universo anterior

Em 2010, Penrose relatou possíveis evidências, baseadas em círculos concêntricos encontrados nos dados da Wilkinson Microwave Anisotropy Probe do céu cósmico de fundo em micro-ondas, de um universo anterior existente antes do Big Bang do nosso universo atual. Ele menciona essa evidência no epílogo de seu livro Cycles of Time de 2010, um livro no qual ele apresenta suas razões, relacionadas às equações de campo de Einstein, à curvatura C de Weyl e à curvatura de Weyl. hipótese de curvatura (WCH), de que a transição no Big Bang poderia ter sido suave o suficiente para um universo anterior sobreviver a ela. Ele fez várias conjecturas sobre C e o WCH, algumas das quais foram posteriormente provadas por outros, e também popularizou sua teoria da cosmologia cíclica conforme (CCC). Nesta teoria, Penrose postula que no fim do universo toda a matéria está eventualmente contida em buracos negros que posteriormente evaporam através da radiação Hawking. Neste ponto, tudo contido no universo consiste em fótons que “experimentam” a energia. nem tempo nem espaço. Essencialmente, não há diferença entre um universo infinitamente grande que consiste apenas em fótons e um universo infinitamente pequeno que consiste apenas em fótons. Portanto, uma singularidade para um Big Bang e um universo infinitamente expandido são equivalentes.

Em termos simples, Penrose acredita que a singularidade na equação de campo de Einstein no Big Bang é apenas uma singularidade aparente, semelhante à bem conhecida singularidade aparente no horizonte de eventos de um buraco negro. A última singularidade pode ser removida por uma mudança no sistema de coordenadas, e Penrose propõe uma mudança diferente no sistema de coordenadas que removerá a singularidade no big bang. Uma implicação disto é que os principais acontecimentos do Big Bang podem ser compreendidos sem unificar a relatividade geral e a mecânica quântica e, portanto, não estamos necessariamente limitados pela equação de Wheeler-DeWitt, que perturba o tempo. Alternativamente, pode-se usar as equações de Einstein – Maxwell – Dirac.

Consciência

Penrose escreveu livros sobre a conexão entre a física fundamental e a consciência humana (ou animal). Em A Nova Mente do Imperador (1989), ele argumenta que as leis conhecidas da física são inadequadas para explicar o fenômeno da consciência. Penrose propõe as características que esta nova física pode ter e especifica os requisitos para uma ponte entre a mecânica clássica e a mecânica quântica (o que ele chama de gravidade quântica correta). Penrose usa uma variante do teorema da parada de Turing para demonstrar que um sistema pode ser determinístico sem ser algorítmico. (Por exemplo, imagine um sistema com apenas dois estados, LIGADO e DESLIGADO. Se o estado do sistema estiver LIGADO quando uma determinada máquina de Turing parar e DESLIGADO quando a máquina de Turing não parar, então o estado do sistema é completamente determinado pela máquina; no entanto, não existe uma maneira algorítmica de determinar se a máquina de Turing para.)

Penrose acredita que tais processos determinísticos, embora não algorítmicos, podem entrar em ação na redução da função de onda da mecânica quântica e podem ser aproveitados pelo cérebro. Ele argumenta que os computadores hoje são incapazes de ter inteligência porque são sistemas algoritmicamente determinísticos. Ele argumenta contra o ponto de vista de que os processos racionais da mente são completamente algorítmicos e podem, portanto, ser duplicados por um computador suficientemente complexo. Isto contrasta com os defensores de uma inteligência artificial forte, que afirmam que o pensamento pode ser simulado por meio de algoritmos. Ele baseia isso em afirmações de que a consciência transcende a lógica formal porque fatores como a insolubilidade do problema da parada e o teorema da incompletude de Gödel impedem que um sistema lógico baseado em algoritmos reproduza características da inteligência humana como o insight matemático. Essas afirmações foram originalmente defendidas pelo filósofo John Lucas, do Merton College, Oxford. G. Hirase parafraseou Penrose' argumento e o reforçou.

O argumento de Penrose-Lucas sobre as implicações do teorema da incompletude de Gödel para as teorias computacionais da inteligência humana tem sido criticado por matemáticos, cientistas da computação e filósofos. Muitos especialistas nestas áreas afirmam que o argumento de Penrose falha, embora diferentes autores possam escolher diferentes aspectos do argumento para atacar. Marvin Minsky, um dos principais defensores da inteligência artificial, foi particularmente crítico, afirmando que Penrose “tenta mostrar, capítulo após capítulo, que o pensamento humano não pode ser baseado em nenhum princípio científico conhecido”. A posição de Minsky é exatamente oposta – ele acreditava que os humanos são, na verdade, máquinas, cujo funcionamento, embora complexo, é totalmente explicável pela física atual. Minsky sustentou que “é possível levar essa busca [por explicação científica] longe demais buscando apenas novos princípios básicos em vez de atacar os detalhes reais”. Isto é o que vejo na busca de Penrose por um novo princípio básico da física que explicará a consciência.

Penrose respondeu às críticas de A Nova Mente do Imperador com seu livro seguinte, de 1994, Shadows of the Mind, e em 1997 com The Grande, o Pequeno e a Mente Humana. Nesses trabalhos, ele também combinou suas observações com as do anestesista Stuart Hameroff.

Penrose e Hameroff argumentaram que a consciência é o resultado dos efeitos da gravidade quântica nos microtúbulos, que eles apelidaram de Orch-OR (redução objetiva orquestrada). Max Tegmark, em um artigo na Physical Review E, calculou que a escala de tempo de disparo e excitação dos neurônios nos microtúbulos é mais lenta que o tempo de decoerência por um fator de pelo menos 10.000.000.000. A recepção do artigo é resumida por esta declaração de apoio à Tegmark: “Físicos fora da briga, como John A. Smolin da IBM, dizem que os cálculos confirmam o que eles suspeitavam o tempo todo.. “Não estamos trabalhando com um cérebro próximo do zero absoluto. É razoavelmente improvável que o cérebro tenha desenvolvido um comportamento quântico'". O artigo de Tegmark foi amplamente citado pelos críticos da posição de Penrose-Hameroff.

Em sua resposta ao artigo de Tegmark, também publicado na Physical Review E, os físicos Scott Hagan, Jack Tuszyński e Hameroff afirmaram que Tegmark não abordou o modelo Orch-OR, mas sim um modelo de sua própria construção. Isso envolveu superposições de quanta separados por 24 nm, em vez das separações muito menores estipuladas para Orch-OR. Como resultado, o grupo de Hameroff reivindicou um tempo de decoerência sete ordens de magnitude maior que o de Tegmark, mas ainda bem aquém dos 25 ms necessários para que o processamento quântico na teoria fosse vinculado ao sinal de 40 Hz. sincronia gama, como sugeriu Orch-OR. Para colmatar esta lacuna, o grupo apresentou uma série de propostas. Eles supuseram que o interior dos neurônios poderia alternar entre os estados líquido e gel. No estado de gel, foi ainda levantada a hipótese de que os dipolos elétricos da água estão orientados na mesma direção, ao longo da borda externa das subunidades da tubulina dos microtúbulos. Hameroff et al. propuseram que essa água ordenada poderia rastrear qualquer coerência quântica dentro da tubulina dos microtúbulos do ambiente do resto do cérebro. Cada tubulina também tem uma cauda que se estende para fora dos microtúbulos, que tem carga negativa e, portanto, atrai íons com carga positiva. Sugere-se que isso poderia fornecer uma triagem adicional. Além disso, houve uma sugestão de que os microtúbulos poderiam ser bombeados para um estado coerente por energia bioquímica.

Finalmente, ele sugeriu que a configuração da rede de microtúbulos pode ser adequada para a correção quântica de erros, um meio de manter a coerência quântica em face da interação ambiental.

Hameroff, em uma palestra que faz parte de uma série de palestras do Google Tech sobre biologia quântica, apresentou uma visão geral da pesquisa atual na área e respondeu às críticas subsequentes ao modelo Orch-OR. Além disso, um artigo de 2011 de Roger Penrose e Stuart Hameroff publicado no Journal of Cosmology fornece um modelo atualizado de sua teoria Orch-OR, à luz das críticas, e discute o lugar da consciência dentro o universo.

Phillip Tetlow, embora apoie os pontos de vista de Penrose, reconhece que as ideias de Penrose sobre o processo de pensamento humano são atualmente uma visão minoritária nos círculos científicos, citando as críticas de Minsky e citando a ciência a descrição de Penrose pelo jornalista Charles Seife como “um entre um punhado de cientistas”; que acreditam que a natureza da consciência sugere um processo quântico.

Em janeiro de 2014, Hameroff e Penrose afirmaram que a descoberta de vibrações quânticas em microtúbulos por Anirban Bandyopadhyay, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, apoia a hipótese da teoria Orch-OR. Uma versão revisada e atualizada da teoria foi publicada juntamente com comentários críticos e debate na edição de março de 2014 da Physics of Life Reviews.

Publicações

Suas publicações populares incluem:

• Nova Mente do Imperador: Sobre Computadores, Mente e As Leis de Física (1989)
• Sombras da Mente: uma busca pela ciência desaparecida da consciência 1994
• O Caminho para a Realidade: Um Guia Completo para as Leis do Universo (2004)
• Ciclos do Tempo: Uma Nova Vista Extraordinária do Universo (2010)
• Moda, Fé e Fantasia na Nova Física do Universo (2016)

Suas publicações em coautoria incluem:

• A Natureza do Espaço e do Tempo (com Stephen Hawking) (1996)
• A mente grande, pequena e humana (com Abner Shimony, Nancy Cartwright e Stephen Hawking) (1997)
• Marte branco: a mente livre (com Brian Aldiss) (1999)

Seus livros acadêmicos incluem:

• Técnicas de Topologia Diferencial na Relatividade (1972, ISBN 0-89871-005-7)
• Spinors e Space-Time: Volume 1, Two-Spinor Calculus e Campos Relativos (com Wolfgang Rindler, 1987) ISBN 0-521-33707-0 (paperback)
• Spinors e Space-Time: Volume 2, Spinor e Twistor Métodos em Geometria de Tempo Espacial (com Wolfgang Rindler, 1988) (reprint), ISBN 0-521-34786-6 (paperback)

Seus prefácios para outros livros incluem:

• Prefácio de “O Mapa e o Território: Explorando os fundamentos da ciência, pensamento e realidade” por Shyam Wuppuluri e Francisco Antonio Doria. Publicado por Springer em "The Frontiers Collection", 2018.
• Foreword to Beating the Odds: The Life and Times of E. A. Milne, escrito por Meg Weston Smith. Publicado pela World Scientific Publishing Co em junho de 2013.
• Foreword to "A Computable Universe" by Hector Zenil. Publicado por World Scientific Publishing Co em dezembro de 2012.
• Foreword to Aspectos Quânticos da Vida por Derek Abbott, Paul C. W. Davies e Arun K. Pati. Publicado pela Imperial College Press em 2008.
• Prefácio à Simetria Medo por Anthony Zee. Publicado pela Princeton University Press em 2007.

Prêmios e homenagens

Penrose recebeu muitos prêmios por suas contribuições à ciência. Em 1971, ele recebeu o Prêmio Dannie Heineman de Astrofísica. Ele foi eleito Fellow da Royal Society (FRS) em 1972. Em 1975, Stephen Hawking e Penrose foram premiados conjuntamente com a Medalha Eddington da Royal Astronomical Society. Em 1985, ele foi premiado com a Medalha Real da Royal Society. Junto com Stephen Hawking, ele recebeu o prestigiado Prêmio Wolf Foundation de Física em 1988.

Em 1989, Penrose recebeu a Medalha Dirac e o Prêmio do Instituto Britânico de Física. Ele também foi nomeado Membro Honorário do Instituto de Física (HonFInstP).

Em 1990, Penrose recebeu a Medalha Albert Einstein pela Sociedade Albert Einstein por seu excelente trabalho relacionado ao trabalho de Albert Einstein. Em 1991, recebeu o Prêmio Naylor da London Mathematical Society. De 1992 a 1995, atuou como presidente da Sociedade Internacional de Relatividade Geral e Gravitação. Em 1994, Penrose foi nomeado cavaleiro pelos serviços prestados à ciência. No mesmo ano, recebeu também um Grau Honorário (Doutor em Ciências) pela Universidade de Bath e tornou-se membro da Academia Polaca de Ciências. Em 1998, foi eleito Associado Estrangeiro da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos. Em 2000, foi nomeado Membro da Ordem do Mérito (OM).

Em 2004, ele recebeu a Medalha De Morgan por suas amplas e originais contribuições à física matemática. Para citar a citação da London Mathematical Society:

Seu trabalho profundo sobre a Relatividade Geral tem sido um fator importante na nossa compreensão de buracos negros. Seu desenvolvimento de Twistor Theory produziu uma abordagem bonita e produtiva para as equações clássicas da física matemática. Seus tilins do avião sobem os quasicristals recém-descobertos.

Em 2005, Penrose recebeu um doutorado honorário da Universidade de Varsóvia e da Katholieke Universiteit Leuven (Bélgica) e, em 2006, da Universidade de York. Em 2006, ele também ganhou a Medalha Dirac concedida pela Universidade de New South Wales. Em 2008, Penrose recebeu a Medalha Copley. Ele também é um Distinto Apoiador dos Humanistas do Reino Unido e um dos patronos da Sociedade Científica da Universidade de Oxford.

Foi eleito para a Sociedade Filosófica Americana em 2011. No mesmo ano, foi também galardoado com o Prémio Fonseca da Universidade de Santiago de Compostela.

Em 2012, Penrose recebeu a Medalha Richard R. Ernst da ETH Zürich por suas contribuições à ciência e ao fortalecimento da conexão entre ciência e sociedade. Em 2015, Penrose recebeu um doutorado honorário do CINVESTAV-IPN (México).

Em 2017, recebeu a Medalha Commandino da Universidade de Urbino por suas contribuições à história da ciência.

Em 2020, Penrose recebeu metade do Prêmio Nobel de Física pela descoberta de que a formação de buracos negros é uma previsão robusta da teoria geral da relatividade, metade também indo para Reinhard Genzel e Andrea Ghez pela descoberta de um objeto compacto supermassivo no centro da nossa galáxia.

Vida pessoal

Penrose casou-se com Vanessa Thomas, diretora de Desenvolvimento Acadêmico da Cokethorpe School e ex-chefe de matemática da Abingdon School, com quem tem um filho (Maxwell Sebastian Penrose). Ele tem três filhos de um casamento anterior com a americana Joan Isabel Penrose (nascida Wedge), com quem se casou em 1959.

Visões religiosas

Durante uma entrevista à BBC Radio 4 em 25 de setembro de 2010, Penrose declarou: “Eu também não sou um crente. Não acredito em religiões estabelecidas de nenhum tipo. Ele se considera um agnóstico. No filme de 1991, Uma Breve História do Tempo, ele também disse: “Acho que diria que o universo tem um propósito, não está lá de alguma forma, apenas por acaso... as pessoas, eu acho, têm a visão de que o universo simplesmente existe e segue em frente – é um pouco como se ele apenas computasse, e de alguma forma, por acidente, nos encontramos nessa coisa. Mas não acho que seja uma maneira muito frutífera ou útil de olhar para o universo, acho que há algo muito mais profundo nisso.”

Penrose é patrono dos Humanistas do Reino Unido.