Schwarze Löcher galten lange als mathematische Spielerei, als Folge idealisierter Annahmen, die in der Natur nie vorkommen würden. Roger Penrose, geboren am 8. August 1931 in Colchester in England, zeigte 1965 mit einer neuen mathematischen Methode, dass sie unter sehr allgemeinen Bedingungen zwangsläufig entstehen, wenn Materie unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenstürzt. Für diese Einsicht erhielt er 2020 den Nobelpreis für Physik. Penrose ist zugleich einer der originellsten und streitbarsten Denker der Gegenwart, dessen Ideen von unmöglichen Figuren über Kachelmuster bis zur Natur des Bewusstseins reichen.
Eine Familie voller Talente
Penrose stammt aus einer außergewöhnlichen Familie. Sein Vater Lionel Penrose war ein bekannter Psychiater und Genetiker, der über geistige Behinderungen forschte. Sein älterer Bruder Oliver wurde theoretischer Physiker, sein jüngerer Bruder Jonathan mehrfacher britischer Schachmeister. Roger studierte Mathematik am University College London und promovierte 1957 an der Universität Cambridge über ein Thema der algebraischen Geometrie.
Schon in diesen Jahren entwickelte er gemeinsam mit seinem Vater sogenannte unmögliche Figuren: das Penrose-Dreieck, das auf dem Papier wie ein festes Objekt aussieht, aber nicht gebaut werden kann, und eine endlos ansteigende Treppe. Der niederländische Grafiker M. C. Escher ließ sich davon zu seinen berühmten Bildern Wasserfall und Treppauf und Treppab anregen.
Das Problem: Sind Schwarze Löcher real?
Bereits 1916, kurz nach der Veröffentlichung von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, hatte Karl Schwarzschild eine Lösung ihrer Gleichungen gefunden, die einen Bereich beschreibt, aus dem nicht einmal Licht entkommen kann. In seinem Zentrum liegt eine Singularität, ein Punkt, an dem die Dichte unendlich wird und die bekannten Gesetze der Physik versagen. Die Lösung setzte jedoch eine vollkommen kugelsymmetrische Masse voraus. Viele Physiker, darunter Einstein selbst, glaubten, dass in der realen Welt mit ihren Unregelmäßigkeiten und Drehungen der Kollaps irgendwie verhindert würde. Ein zusammenstürzender Stern würde vielleicht an der Singularität vorbeischwingen oder auseinanderfliegen.
Die Lösung: gefangene Flächen
Penrose ging das Problem nicht mit dem Lösen der komplizierten Gleichungen an, sondern mit einem neuen Blick auf die Geometrie von Raum und Zeit. Er führte den Begriff der gefangenen Fläche ein. Stellen Sie sich eine Kugeloberfläche vor, von der aus Licht in alle Richtungen ausgesendet wird. Normalerweise breitet sich das nach außen laufende Licht aus und die Fläche, die es aufspannt, wird größer. Ist die Schwerkraft aber stark genug, zieht sie selbst das nach außen gerichtete Licht wieder nach innen, und beide Lichtfronten schrumpfen. Eine solche Fläche ist gefangen.
Penrose bewies 1965 mit Methoden der Topologie, der Mathematik der Formen und Zusammenhänge, dass aus dem Auftreten einer gefangenen Fläche unter sehr allgemeinen Bedingungen zwingend eine Singularität folgt. Es spielt dabei keine Rolle, ob der Kollaps symmetrisch ist oder nicht. Damit war gezeigt, dass Schwarze Löcher keine Ausnahme, sondern eine robuste Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie sind. Seine Arbeit gilt als wichtigster Beitrag zur Relativitätstheorie seit Einstein. In den folgenden Jahren übertrug Penrose die Methode gemeinsam mit dem jungen Stephen Hawking auf das gesamte Universum. Ihre Singularitätstheoreme zeigen, dass auch am Anfang unseres expandierenden Universums eine Singularität gestanden haben muss.
Der Nobelpreis 2020
Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verlieh Penrose die Hälfte des Nobelpreises für Physik 2020, sinngemäß für die Entdeckung, dass die Bildung Schwarzer Löcher eine robuste Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist. Die andere Hälfte ging gemeinsam an Reinhard Genzel und Andrea Ghez, die ein supermassereiches kompaktes Objekt im Zentrum der Milchstraße nachgewiesen hatten. Penrose war bei der Verleihung 89 Jahre alt. Hawking, sein langjähriger Partner bei den Singularitätstheoremen, war 2018 gestorben und konnte nicht mehr berücksichtigt werden.
Weitere Ideen
1969 beschrieb Penrose, wie man einem rotierenden Schwarzen Loch Energie entziehen könnte. Dieser Penrose-Prozess spielt in der Astrophysik eine Rolle, etwa bei der Frage, wie die gewaltigen Materiestrahlen aus den Zentren aktiver Galaxien angetrieben werden. Er formulierte zudem die Vermutung der kosmischen Zensur. Danach sollen Singularitäten in der Natur stets hinter einem Ereignishorizont verborgen sein, sodass sie die Vorhersagbarkeit der Physik außerhalb Schwarzer Löcher nicht stören. Ob diese Vermutung zutrifft, ist bis heute nicht bewiesen.
Mit der Twistortheorie entwickelte Penrose ab 1967 einen eigenen mathematischen Ansatz, Raum und Zeit aus grundlegenderen Objekten aufzubauen. Sie hat sich nicht als die erhoffte Theorie der Quantengravitation durchgesetzt, liefert aber heute nützliche Werkzeuge für Berechnungen in der Teilchenphysik.
Die Penrose-Parkettierung
In den 1970er-Jahren fand Penrose einen Satz von nur zwei Kachelformen, mit denen sich eine Ebene lückenlos bedecken lässt, ohne dass sich das Muster jemals regelmäßig wiederholt. Diese Penrose-Parkettierung zeigt eine fünfzählige Symmetrie, die in gewöhnlichen Kristallen unmöglich ist. 1982 entdeckte der israelische Materialwissenschaftler Dan Shechtman Legierungen, deren Atome genau solche nichtperiodischen Muster bilden, sogenannte Quasikristalle. Shechtman erhielt dafür 2011 den Nobelpreis für Chemie.
Bewusstsein und Kritik
Einem breiten Publikum wurde Penrose 1989 durch sein Buch Computerdenken bekannt, im englischen Original The Emperor’s New Mind. Darin vertritt er die These, dass menschliches Bewusstsein nicht vollständig durch Berechnungen erklärt werden kann, wie sie Computer ausführen. Er stützt sich dabei auf Gödels Unvollständigkeitssatz. Gemeinsam mit dem Anästhesisten Stuart Hameroff entwickelte er später die Hypothese, dass Quantenprozesse in winzigen Röhrchen in Nervenzellen, den Mikrotubuli, eine Rolle für das Bewusstsein spielen. Diese Ideen werden von den meisten Neurowissenschaftlern, Informatikern und Philosophen skeptisch bis ablehnend beurteilt.
Umstritten ist auch Penroses Modell eines zyklischen Universums, das in einer unendlichen Abfolge von Weltzeitaltern existiert. Er glaubt, Spuren früherer Zeitalter in der kosmischen Hintergrundstrahlung entdeckt zu haben, doch andere Forschungsgruppen konnten diese Signale nicht bestätigen. Penrose ist außerdem ein entschiedener Kritiker gängiger Deutungen der Quantenmechanik und hat vorgeschlagen, dass die Schwerkraft beim Übergang von Quantenüberlagerungen zu eindeutigen Messergebnissen eine Rolle spielt.
Penrose als Autor und Lehrer
Neben seinen Fachaufsätzen hat Penrose mehrere umfangreiche Bücher für ein interessiertes Publikum geschrieben. Das bekannteste nach Computerdenken ist Schatten des Geistes, in dem er seine Thesen zum Bewusstsein gegen Einwände verteidigt. Mit The Road to Reality legte er 2004 einen über tausend Seiten starken Gang durch die gesamte mathematische Physik vor, der von den Grundlagen der Zahlen bis zu den offenen Fragen der Kosmologie reicht. Penrose verzichtet darin bewusst nicht auf Formeln, weil er überzeugt ist, dass sich die Physik ohne ihre Mathematik nicht wirklich verstehen lässt.
Viele seiner Schüler und Kollegen beschreiben ihn als zurückhaltenden, freundlichen Gesprächspartner, der lieber zeichnet als rechnet. Seine Ideen entstehen oft aus geometrischen Bildern. Diese Art zu denken hat die Relativitätstheorie nachhaltig verändert, denn sie lenkte den Blick von einzelnen exakten Lösungen auf allgemeine Eigenschaften der Raumzeit. Auch nach seiner Emeritierung blieb Penrose bis ins hohe Alter wissenschaftlich aktiv und hält weiterhin Vorträge.
Würdigung
Penrose lehrte von 1973 bis 1998 als Rouse-Ball-Professor für Mathematik an der Universität Oxford. 1994 wurde er von Königin Elisabeth II. zum Ritter geschlagen. Seine Fähigkeit, komplizierte Zusammenhänge in Skizzen zu fassen, ist legendär. Die von ihm entwickelten Diagramme, in denen die unendliche Raumzeit auf ein endliches Blatt Papier passt, gehören zum Grundwerkzeug der Relativitätstheorie.
Wenn Sie heute Bilder des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 oder unserer Milchstraße sehen, betrachten Sie Objekte, deren Existenz Roger Penrose bereits vor sechs Jahrzehnten aus reiner Mathematik als unvermeidlich erkannt hat.
Stand: 29.10.2026