Historia Rogera Penrose’a to opowieść o naukowcu, który odmówił trzymania się utartych ścieżek. Zamiast rozwiązywać równania Einsteina dla idealnych, symetrycznych przypadków, jak robili to wszyscy przed nim, postanowił spojrzeć na czasoprzestrzeń z zupełnie innej perspektywy. Ta intelektualna odwaga przyniosła mu w końcu najwyższe wyróżnienie w świecie nauki, choć musiał na nie czekać ponad pięćdziesiąt lat.
Matematyk, który zmienił fizykę
Roger Penrose przyszedł na świat 8 sierpnia 1931 roku w Colchesterze, w południowo-wschodniej Anglii. Jego droga naukowa prowadziła przez najlepsze uniwersytety świata, od Bedford College w Londynie, przez Cambridge i Princeton, aż po profesurę na Oksfordzie. Jednak to nie prestiżowe stanowiska definiują jego wkład w naukę, lecz fundamentalne przewroty, jakich dokonał w naszym rozumieniu kosmosu.
Przez długi czas fizycy zajmujący się ogólną teorią względności pracowali niemal wyłącznie na uproszczonych modelach. Równania Einsteina są tak złożone, że dają się rozwiązać analitycznie tylko dla przypadków o wysokiej symetrii. Wielu naukowców wątpiło, czy wyniki uzyskane dla takich wyidealizowanych sytuacji mają jakiekolwiek znaczenie dla rzeczywistego wszechświata, który symetryczny zdecydowanie nie jest.
To właśnie tutaj wkroczył Penrose ze swoim rewolucyjnym podejściem. Zamiast próbować rozwiązywać równania dla konkretnych konfiguracji, zaproponował skupienie się na topologii czasoprzestrzeni oraz na jej strukturze konforemnej. Innymi słowy, zainteresował się tym, jak układają się stożki świetlne determinujące związki przyczynowo-skutkowe między zdarzeniami, a nie szczegółową geometrią samej czasoprzestrzeni.
Nieuchronność czarnych dziur
Przełomowy wkład Penrose’a dotyczył kolapsu grawitacyjnego, czyli procesu, w którym masywne obiekty kosmiczne zapadają się pod własnym ciężarem. W 1965 roku opublikował twierdzenie, które udowadniało coś rewolucyjnego. Wynikało z niego, że powstawanie osobliwości, czyli punktów o nieskończonej gęstości, jest nieuniknionym następstwem ogólnej teorii względności, niezależnie od symetrii układu.
Współpraca ze Stephenem Hawkingiem zaowocowała słynnymi twierdzeniami Penrose’a i Hawkinga o osobliwościach. Razem wykazali, że osobliwości muszą pojawiać się zarówno w scenariuszu kolapsu grawitacyjnego, jak i na początku czasów, w samym Wielkim Wybuchu. To właśnie za tę pracę obaj naukowcy otrzymali w 1988 roku prestiżową Nagrodę Wolfa w dziedzinie fizyki.
Penrose poszedł jednak dalej. W 1969 roku sformułował hipotezę kosmicznego cenzora, według której natura nie pozwala na istnienie tak zwanych nagich osobliwości. Każda osobliwość musi być ukryta za horyzontem zdarzeń, w regionie czasoprzestrzeni odciętym od reszty wszechświata. To właśnie taki region John Wheeler nazwał czarną dziurą, a Penrose matematycznie uzasadnił, dlaczego takie obiekty muszą powstawać.
Umysł niespokojny i nieobliczalny
Gdyby Penrose ograniczył się do fizyki teoretycznej i kosmologii, zapisałby się w historii nauki jako jeden z największych umysłów dwudziestego wieku. On jednak postanowił zmierzyć się również z zagadnieniami leżącymi na pograniczu fizyki, matematyki i filozofii umysłu. Wyniki tych rozważań przedstawił w bestsellerowych książkach, z których najbardziej znana, zatytułowana Nowy umysł cesarza z 1989 roku, zdobyła nagrodę Royal Society za najlepszą książkę popularnonaukową.
W swoich pracach filozoficznych Penrose broni platonizmu matematycznego, czyli poglądu, że obiekty matematyczne istnieją niezależnie od ludzkiego umysłu. Co więcej, twierdzi, że ludzkie rozumowanie jest nieobliczalne w sensie Churcha i Turinga. Oznacza to, według niego, że żaden komputer działający na zasadach klasycznej maszyny Turinga nie będzie w stanie w pełni odtworzyć ludzkiego myślenia.
Te kontrowersyjne tezy spotkały się z krytyką ze strony wielu filozofów i informatyków, jednak Penrose konsekwentnie ich bronił przez kolejne dekady. Jego zdaniem rozwiązanie zagadki świadomości wymaga nowej teorii fizycznej, łączącej mechanikę kwantową z grawitacją w sposób, który eliminowałby dotychczasowe trudności interpretacyjne.
Twistory i droga ku kwantowej grawitacji
Prawdziwą pasją Penrose’a stała się próba stworzenia teorii kwantowej grawitacji, czyli połączenia ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową. Narzędziem, które sam opracował w tym celu, jest teoria twistorów. Ten elegancki matematyczny formalizm zastępuje punkty czasoprzestrzeni bardziej fundamentalnymi obiektami geometrycznymi, oferując zupełnie nowe spojrzenie na strukturę rzeczywistości.
Choć pełna teoria kwantowej grawitacji wciąż pozostaje poza naszym zasięgiem, twistory znalazły zastosowania w innych dziedzinach fizyki teoretycznej. Penrose przez całą swoją karierę podkreślał, że obecna mechanika kwantowa jest niepełna i wymaga fundamentalnej rewizji. Jego zdaniem grawitacja odgrywa kluczową rolę w procesie redukcji funkcji falowej, czyli tego tajemniczego momentu, w którym kwantowa nieokreśloność ustępuje miejsca klasycznej rzeczywistości.
W 2004 roku ukazała się Droga do rzeczywistości, monumentalne dzieło liczące ponad tysiąc stron, które Penrose reklamował jako kompletny przewodnik po prawach rządzących wszechświatem. Książka ta, mimo swojej objętości i matematycznej głębi, stała się bestsellerem, świadcząc o niezwykłej zdolności autora do komunikowania najbardziej abstrakcyjnych idei szerokiej publiczności.
Nagroda Nobla z 2020 roku, którą Penrose otrzymał w wieku 89 lat, była ukoronowaniem jego długiej kariery. Podzielił ją z Reinhardem Genzelem i Andreą Ghez, którzy dostarczyli obserwacyjnych dowodów na istnienie supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Penrose otrzymał połowę nagrody za teoretyczne wykazanie, że powstawanie czarnych dziur jest nieuniknionym przewidywaniem teorii Einsteina. Po ponad pół wieku jego matematyczne twierdzenia doczekały się najwyższego uznania świata nauki.
O autorze: przez wieki
