Roger Penrose, né le 8 août 1931 à Colchester, est un mathématicien, cosmologiste et philosophe des sciences britannique.
Il enseigne les mathématiques au Birkbeck College de Londres où il élabore la théorie décrivant l'effondrement des étoiles sur elles-mêmes, entre 1964 et 1973, et où il rencontre le célèbre physicien Stephen Hawking. Ils travaillent alors à une théorie de l'origine de l'univers, Penrose apportant sa contribution mathématique à la théorie de la relativité générale appliquée à la cosmologie et à l'étude des trous noirs. Il est actuellement professeur émérite à l'université d'Oxford.
En 1974, il publie un article où il présente ses premiers pavages non périodiques : les pavages de Penrose. On lui doit quelques objets impossibles, tels le triangle de Penrose.
Conjointement avec Andrea M. Ghez et Reinhard Genzel, il est lauréat du prix Nobel de physique 2020.
Né à Colchester, Essex, Roger Penrose est le fils de Margaret (Leathes) et du psychiatre et généticien Lionel Penrose. Ses grands-parents paternels sont James Doyle Penrose, un artiste d'origine irlandaise, et Elizabeth Josephine Peckover ; son grand-père maternel est le physiologiste John Beresford Leathes.
Diplômé avec mention en mathématiques de l'University College de Londres, Penrose redécouvre en 1955 – alors qu'il est étudiant – une généralisation du concept de matrice inverse, connue sous le terme d'inverse de Moore-Penrose, ou de matrice pseudo-inverse.
Penrose obtient son Ph.D. à St John's College (université de Cambridge) en 1958, avec une thèse sur les « méthodes tensorielles en géométrie algébrique » sous la direction d'un algébriste et géomètre renommé : John A. Todd. En 1965, à Cambridge, Penrose prouve par un théorème sur les singularités que des singularités gravitationnelles (comme celles au centre des trous noirs) peuvent être formées à partir de l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives en fin de vie.
En 1967, Penrose invente la théorie des twisteurs qui projette des objets de l'espace de Minkowski dans un espace complexe possédant une métrique de signature (2,2). En 1969, il conjecture l'hypothèse de la censure cosmique. Celle-ci affirme que l'univers nous protège des violations de causalité inhérentes aux singularités gravitationnelles, en les masquant systématiquement derrière un horizon des évènements. Cette hypothèse constitue le principe faible de censure cosmique. Penrose formulera en 1979 une version plus forte appelée principe fort de censure cosmique. Ces hypothèses (sans oublier la conjecture BKL, et les problèmes de stabilité non linéaires) constituent un des problèmes actuels les plus importants de la relativité générale.
Penrose est connu pour sa découverte en 1974 des pavages de Penrose, qui sont constitués de deux formes ayant la propriété de pouvoir couvrir intégralement un plan mais seulement de manière non périodique. En 1982, des arrangements similaires ont été observés dans la disposition des atomes des quasicristaux.
En 1971, Penrose découvre les réseaux de spin qui devaient plus tard former la géométrie de l'espace-temps dans la théorie de la gravitation quantique à boucles. Il popularise également l'usage de diagrammes représentant les relations causales dans l'espace-temps : les diagrammes de Penrose-Carter, également associé à son étudiant d'alors, Brandon Carter. Il met également en évidence la possibilité d'extraire de l'énergie d'un trou noir en rotation (dit trou noir de Kerr ou trou noir de Kerr-Newman), nommé en son honneur processus de Penrose. Avec Ezra Ted Newman, il met au point un formalisme élégant pour étudier les espaces-temps à quatre dimensions dans le cadre de la relativité générale, en faisant appel à des objets appelés spineurs. Le formalisme est nommé formalisme de Newman-Penrose (en) en l'honneur de ses deux découvreurs.
Roger Penrose reçoit de nombreux honneurs récompensant ses contributions aux mathématiques et à la physique.
Penrose a toujours fait preuve, dans ses différents travaux et ouvrages, d'une grande originalité d'esprit et a pris position sur de nombreux problèmes physiques et épistémologiques importants dont, par exemple, les problèmes cosmologiques fondamentaux avec sa théorie de la Cosmologie cyclique conforme.
Platonisme et ontologie mathématique des lois de la physique
Penrose défend, dans ses principaux ouvrages, une vision platonicienne des mathématiques et rejoint, sur le fond, les positions similaires de Roland Omnès ou Alain Connes.
Il exprime sans ambiguïté son point de vue, par exemple dans L'Esprit, l'ordinateur et les lois de la physique :
« j'imagine que chaque fois que l'esprit perçoit une idée mathématique, il prend contact avec le monde platonicien des idées […] Quand nous « voyons » une idée mathématique, notre conscience pénètre dans ce monde des idées et prend directement contact avec lui. »
Dans le même ordre d'idées, Penrose exprime sa croyance en la puissance heuristique des mathématiques pour nous guider sur le chemin des théories physiques décrivant adéquatement le monde. Notamment, il met en avant la cohérence, la beauté des structures et la fécondité mathématique des nombres complexes, pour en faire un fondement ontologique des théories physiques, et notamment de la théorie des twisteurs dont il est à l'origine.
En conséquence de son platonisme, Penrose s'interroge sur les connexions entre la conscience humaine et les lois de la physique, dans deux ouvrages principaux : L'Esprit, l'ordinateur et les lois de la physique et Les ombres de l'esprit.