Le mathématicien et physicien britannique Sir Roger Penrose (né en 1931) a apporté des contributions frappantes et originales à l'étude de la géométrie, de la relativité, de la mécanique quantique et de l'esprit humain.
Roger Penrose est né à Colchester, en Angleterre, le 8 août 1931. Son père était le généticien Lionel Penrose, un expert en malformations mentales, dont l'intérêt pour la géométrie a été communiqué à son fils. La famille Penrose était illustre dans la vie intellectuelle britannique au XXe siècle. Jonathan Penrose a remporté le championnat d'échecs britannique dix fois dans les années 20 et 1950. Il n'est pas surprenant que la vie intellectuelle de la maison Penrose ait été animée.
Penrose a obtenu son diplôme de premier cycle à l'University College de Londres, puis s'est rendu à Cambridge pour son doctorat. Pendant ses études de premier cycle, il a découvert un théorème concernant les sections coniques dont certains des théorèmes de base de la géométrie projective découlent comme cas particuliers. Dans le cadre de son travail de doctorat, il a redécouvert des résultats importants dans la théorie des matrices. De 1964 à 1966, il a été lecteur en mathématiques appliquées au Birkbeck College de l'Université de Londres, devenant professeur titulaire en 1966.
L'étude des mathématiques en Grande-Bretagne a toujours inclus une grande quantité de mathématiques appliquées et même de physique, il n'est donc pas surprenant qu'une grande partie des travaux les plus connus de Penrose ressemble plus à la physique qu'aux mathématiques pures. Lui et Stephen Hawking ont étudié les trous noirs en collaboration et les deux ont identifié les caractéristiques de base des trous noirs, qui résultent de l'effondrement de grandes étoiles. La masse devient si concentrée que même les photons (particules légères) sont incapables de s'échapper. En conséquence, même s'il est possible de reconnaître l'existence d'un trou noir à ses effets sur les objets proches, il serait impossible d'observer l'intérieur du trou noir lui-même.
Partant de son intérêt pour la question de savoir si l'espace et le temps sont lisses ou divisés en unités discrètes, Penrose a étudié de nombreux aspects de la mécanique quantique. Pendant qu'il était à Cambridge, Penrose a essayé de construire des modèles mathématiques pour la mécanique quantique en utilisant les éléments de base des nombres réels. L'un des problèmes de longue date de la physique du XXe siècle a été de combiner les domaines apparemment contradictoires de la relativité et de la mécanique quantique. Penrose a tenté de trouver une résolution via la géométrie des twisteurs, qui est basée sur des nombres complexes. Ce projet ambitieux reste loin d'être achevé, mais l'étude des torsions est devenue une industrie de la physique à part entière.
Penrose a collaboré avec son père à la création d'une illusion visuelle qui a été incorporée dans les lithographies de l'artiste néerlandais MC Escher, dont le travail comprenait de nombreux éléments mathématiques. Toujours dans le domaine de la géométrie, Penrose a apporté une contribution remarquable à l'étude des carrelages. Un pavage est une méthode permettant de couvrir tout le plan avec des polygones, par exemple des carrés ou des triangles équilatéraux. Les pavages utilisant ces chiffres sont appelés périodiques car le motif se répète régulièrement en se déplaçant dans l'avion. La question était de savoir s'il serait possible de carreler (couvrir) l'avion avec un motif non répétitif.
Avant que Penrose ne fasse sa contribution, d'autres avaient déjà montré qu'il était possible de carreler l'avion de façon non périodique. La première solution utilisait un nombre immense de carreaux différents, et la meilleure solution connue en 1974 utilisait encore six carreaux de formes différentes. Cette année-là, Penrose a trouvé un carrelage non périodique en utilisant seulement deux formes différentes. Si cette contribution géométrique semble très éloignée de ses études d'astrophysique et de mécanique quantique, elle reflète également l'ampleur de son bagage scientifique.
En 1966, Penrose a reçu le prix Adams de l'Université de Cambridge et en 1971 le prix Dannie Heineman de physique de l'American Physical Society. L'année suivante, il a été élu à la Royal Society et, en 1973, il a succédé à la prestigieuse chaire de mathématiques Rouse Ball à l'Université d'Oxford. Il a partagé deux prix avec son collaborateur Stephen Hawking; la médaille Eddington de la Royal Astronomical Society de 1975 et le prix Wolf de 1988 pour la physique. Penrose a occupé des postes de visiteurs dans de nombreuses universités de premier plan aux États-Unis, notamment Cornell, Texas, Californie et Princeton.
Penrose s'est fait connaître du grand public grâce au best-seller Le nouvel esprit de l'empereur, qui est apparu des deux côtés de l'Atlantique en 1989. Hawking avait écrit un livre aux acclamations similaires quelques années auparavant, mais n'avait pas essayé d'inclure d'autres équations que e = mc2 d'Einstein. Le livre de Penrose comprend cette équation et des centaines d'autres car elle s'étend sur les ordinateurs, les esprits et les lois de la physique, pour ne mentionner que les sujets explicitement nommés dans le sous-titre. Le nouvel esprit de l'empereur peut-être le meilleur livre sur la science moderne jamais écrit. En l'espace de 18 mois, il avait subi de nombreuses impressions.
Au cours d'une série de conférences historiques à l'Institut Isaac Newton pour les sciences mathématiques de l'Université de Cambridge en 1994, Penrose et Hawking ont recréé le célèbre débat Bohr-Einstein. Lors de conférences publiques, Penrose et Hawking ont présenté leurs points de vue distinctifs sur l'univers, son évolution et son impact sur la théorie quantique. La même année, Penrose est fait chevalier pour ses nombreuses contributions à la science. Ombres de l'esprit (1994) ont une fois de plus démontré la capacité de Penrose à communiquer une physique théorique complexe à un public général.
Ce qui distingue Roger Penrose parmi les physiciens et mathématiciens de son temps, c'est l'ampleur et la profondeur de son travail. Certains des essais qu'il a écrits illustrent l'attention qu'il a accordée à ses ancêtres intellectuels, comme Sir Isaac Newton. Son influence sur ses étudiants était profonde.
lectures complémentaires
Il y a un article sur Penrose dans le jeu McGraw-Hill sur Scientifiques et ingénieurs modernes (1980). Un aperçu plus personnel est disponible dans l'introduction de Martin Gardner à Penrose Le nouvel esprit de l'empereur (1989). Une bonne discussion sur les pavages et le travail de Penrose se trouve dans le livre de B. Grunbaum et G. Shephard Tilings et motifs (1986). Des articles sur Penrose peuvent être trouvés dans les revues scientifiques populaires Scientific American et Science. Un compte rendu du débat Penrose-Hawking de 1994 est présenté dans La nature de l'espace et du temps (1996). □