[Kreatives Kultivierungsprogramm] Die erstaunliche Erfahrung, die den Nobelpreis gewann, entstand aus der Liebe zur Mathematik in der Jugend

Autor: Das Nussknacker-Studio

Der Nobelpreis für Physik 2020 wurde an drei Wissenschaftler verliehen, einer von ihnen, Roger Penrose, erhielt die Hälfte des Preises. Seine preisgekrönte Arbeit entstand aus einer brillanten Idee, die er 1964 beim Überqueren der Straße hatte. Damals gingen Penrose und ein Freund über eine Kreuzung, und plötzlich kam ihm eine Idee: Die Existenz Schwarzer Löcher sollte aus der allgemeinen Relativitätstheorie abgeleitet werden.

Penrose rannte sofort zurück ins Büro, schloss die Verifizierung und den Beweis des Kerntheorems ab und stellte die gesamte Arbeit innerhalb von zwei Tagen fertig. Im folgenden Jahr wurde der Artikel in Physical Review Letters veröffentlicht. Für diese Arbeit erhielt Penrose 2020 den Nobelpreis für Physik.

Im Gegensatz zu unserem Klischee, dass „ein Forschungsprojekt mehrere Jahre dauert“, wurde Penroses Forschungsprojekt von der Inspiration bis zum endgültigen Manuskript in nur wenigen Tagen abgeschlossen, was zu schnell ist. Was ist der Grund, warum Penrose so schnell Artikel verfassen kann? Zusätzlich zu seinen soliden Grundlagen in Physik verfügt er auch über beispiellose mathematische Fähigkeiten.

Tatsächlich sind Penroses gängige Berufsbezeichnungen Mathematiker und mathematischer Physiker. Im Alter von 24 Jahren erfand er die verallgemeinerte inverse Matrix. Heute erzählen wir kurz die Geschichte von Penroses Anfängen in der Mathematik.

Es gibt eine urbane Legende über Einstein, die grob besagt, dass er in seiner Kindheit eher langweilig und langsam war und nicht gut darin war, handgefertigte Bänke herzustellen, weshalb er von seinen Lehrern und Freunden diskriminiert wurde. Diese Geschichte hat keine Quelle und ist natürlich falsch. Interessanterweise ist Penrose tatsächlich etwas Ähnliches passiert.

Penrose war damals 8 Jahre alt und ein Grundschullehrer führte mit den Kindern Intelligenztests durch. Auch die sogenannten Prüfungsfragen sind sehr einfach. Es handelt sich um kontinuierliche gemischte Operationen mit einer Zahl, beispielsweise (7+8)x3-9. Die Kinder rechnen die Ergebnisse im Kopf aus und teilen sie anschließend der Lehrkraft mit. Da Penrose innerhalb der vorgegebenen Zeit keine Antwort fand, ging sein damaliger Lehrer davon aus, dass er eine geistige Behinderung habe, und degradierte ihn angewidert in die dritte Klasse. Glücklicherweise war der Mathematiklehrer der dritten Klasse sehr verständnisvoll. Durch sorgfältige Beobachtung stellte er fest, dass Penrose nicht unfähig zum Rechnen war, sondern lediglich langsam im Kopfrechnen. Deshalb erlaubte er Penrose während des Mathetests ausdrücklich, Fragen auch nach Ablauf der Zeitbegrenzung zu beantworten.

Im Jahr 2020 gewann Penrose den Nobelpreis und wurde von einem Reporter interviewt. Er erinnerte sich an dieses Erlebnis und brachte seine tiefe Dankbarkeit gegenüber dem Lehrer zum Ausdruck.

Ein damals ganz alltäglicher Anblick war, dass die Schüler zur Zeit der Matheprüfung ihre Antwortbögen nacheinander abgegeben hatten, Penrose aber immer noch langsam rechnete. Durch das Klassenzimmerfenster konnte er seine Klassenkameraden fröhlich spielen sehen. Als Penrose seinen Antwortbogen abgab, korrigierte der Lehrer ihn und stellte fest, dass seine Punktzahl überraschend hoch war. Wie sich herausstellte, hatte der Lehrer nicht Unrecht. Penrose war nur langsam im Rechnen, aber nicht schlecht in Mathe und es gab keine Probleme mit seiner Intelligenz.

Penrose war von der Mathematik, insbesondere der Geometrie, fasziniert und hatte oft fantastische Ideen. Als er einmal das Muster auf dem Boden der Spüle sah, fragte er seinen Vater plötzlich: Kann die ganze Welt mit einer unendlichen Anzahl von Sechsecken bedeckt werden?

Sein Vater sagte ihm ausdrücklich, dass dies nicht möglich sei, aber dass „Fünfecke in Ordnung seien“. Um das Problem zu verstehen, ließ Papa dann mit Penrose eine Reihe fünfeckiger Papiermodelle anfertigen. Penrose und sein Vater erstellten geometrische Modelle und zeichneten interessante geometrische Muster, was für sie ein lebenslanges Hobby war, das lange anhielt.

Im Film „Inception“ entkamen die Protagonisten der Verfolgung durch die Bösewichte, indem sie eine magische Treppe benutzten, die sich von einem Ende zum anderen schlängeln lässt. Diese Treppe wird Penrose-Treppe genannt. Die Penrose-Leiter kann als eine Variation des Penrose-Dreiecks betrachtet werden. Die Gemeinsamkeit dieser beiden seltsamen geometrischen Figuren besteht darin, dass sie zwar gezeichnet werden können, in unserer realen Welt jedoch absolut unmöglich zu erschaffen sind.

Diese beiden Grafiken wurden erstmals 1934 vom schwedischen Künstler Oscar Reutersvärd geschaffen und von Penrose und seinem Vater weiter gestaltet und beworben, wodurch sie der Welt bekannt wurden. Vater und Sohn bezeichneten diese Art der Grafik in der Februarausgabe 1958 des British Psychological Monthly als „Unmöglichkeit in ihrer reinsten Form“.

Penroses Vater führte seinen Sohn nicht nur in die Welt der Geometrie ein, sondern auch in die weite Welt der Wissenschaft. Beispielsweise die Verwendung eines einfachen astronomischen Teleskops zur Beobachtung des Sternenhimmels. Nachdem er den Nobelpreis gewonnen hatte, sagte Penrose, dass es die schrittweise Anleitung seines Vaters war, die seine Liebe zum Universum und zur Wissenschaft so sehr weckte.

Interessanterweise bestand Penroses Vaters Berufswunsch für seinen Sohn nicht darin, Wissenschaftler zu werden, sondern dass er später einmal Arzt werden sollte. Als Penrose nach der Verleihung des Nobelpreises von Reportern interviewt wurde, sagte er:

Meine Eltern sind beide Ärzte und ich bin einer von drei Brüdern. Meine Eltern hatten meinen älteren Bruder aufgegeben, der offenbar Physiker oder so etwas werden wollte. Mein Bruder, der zehnmal britischer Schachmeister wurde – ein Rekord –, wollte natürlich mit ihm Schach spielen. Daher beschlossen meine Eltern, dass ich den Arztberuf erben würde. Das denke ich auch.

Auch Penrose selbst war der Meinung, dass er Arzt werden sollte, wenn er erwachsen wäre. Der Wendepunkt kam, als er 16 Jahre alt war. Der Schulleiter sprach mit jedem Schüler einzeln, erkundigte sich nach seiner Studienrichtung in den letzten beiden Jahren des Gymnasiums und gab entsprechende Hinweise. Als er bei Penrose ankam, sagte er, er wolle sich auf Biologie, Chemie und Mathematik konzentrieren. Der Direktor sagte, dass wir keine Kombinationen machen können, sondern nur eine Richtung wählen und uns darauf spezialisieren können.

„Wenn Sie Mathematik machen wollen, können Sie keine Biochemie machen. Wenn Sie Biochemie machen wollen, können Sie keine Mathematik machen. Ihre Entscheidung.“

Penrose entschied sich für sein Lieblingsfach, die Mathematik, und gab die Biochemie auf, was auch bedeutete, dass er seine medizinische Karriere aufgeben musste. Nach seiner Rückkehr nach Hause erzählte Penrose seinen Eltern von seiner Entscheidung. Obwohl die beiden Eltern sehr wütend waren, respektierten sie dennoch Penroses Wünsche.

Zu diesem Zeitpunkt schlug das Genie Penrose den für ihn am besten geeigneten Karriereweg ein und begann, sich eingehend mit Mathematik und Physik zu beschäftigen.

Wenn wir uns mit Penroses frühen Erfahrungen im Umgang mit der Wissenschaft vertraut machen, fällt es uns leicht zu erkennen, dass seine spätere Brillanz in Mathematik und Physik zwar zufällig schien, in Wirklichkeit aber unvermeidlich war. Ob es sich nun um „die Welt mit Polygonen bedecken“ oder „die reinste Form der Unmöglichkeit“ handelt, es ist im Wesentlichen dasselbe. Penrose ist es seit seiner Kindheit gewohnt, auf phantasievolle Weise über die Welt nachzudenken. Viele Jahre später ging er auf der Straße spazieren, dachte über tiefgründige kosmische Fragen nach und dachte immer noch auf kreative Weise über die Welt nach.

Mathematik für ein Leben, Denken für ein Leben.

Dieser Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Project erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.