Roger Penrose wird für seine Beiträge zur Relativitätstheorie mit dem Physik-Nobelpreis 2020 ausgezeichnet.
Foto: AP/Frank Augstein

Es ist die Krönung eines überaus erfolgreichen wissenschaftlichen Lebens: die Nobelpreiszuerkennung an den mathematischen Physiker Roger Penrose. Und es überrascht zugleich, denn der Nobelpreis für Physik wird nur dann für theoretische Arbeiten vergeben, wenn eine Bestätigung durch Experiment oder Beobachtung erfolgte. Deshalb ist es kein Zufall, dass zusammen mit Penrose, dem die Hälfte der Auszeichnung zugesprochen wurde, der Astrophysikerin Andrea Ghez und ihrem Kollegen Reinhard Genzel gemeinsam die andere Hälfte des Nobelpreises zuerkannt wurde. Denn sie erbrachten den zwar indirekten Nachweis, dass sich im Zentrum unserer Milchstraße ein massereiches Schwarzes Loch befindet.

Roger Penrose teilt sich den diesjährigen Physik-Nobelpreis mit Reinhard Genzel und Andrea Ghez, denen jeweils ein Viertel des Preises zugesprochen wurde.
Foto: AFP

Schwarze Löcher waren einst umstritten

Penrose Arbeiten dazu gehen auf die 60er-Jahre zurück, in denen er unter anderem auch zusammen mit Stephen Hawking, die sogenannten Singularitäten-Theoreme formulierte. Man kannte zwar Lösungen der Einstein‘schen Gleichungen, die schwarzen Löchern entsprechen (eine solche wurde bereits 1917 von Karl Schwarzschild angegeben), aber das sind sehr spezielle Lösungen mit hoher Symmetrie. Ob schwarze Löcher in der Natur tatsächlich entstehen, war eine offene Frage.

Es gab durchaus die Meinung, dass in der Natur nie die dafür speziellen Bedingungen erfüllt sein würden. Ich erinnere mich an eine Konferenz mit heftigen Debatten bei der vor allem russische Wissenschafter diese Position vertreten haben. Penrose konnte aber unter sehr allgemeinen Voraussetzungen zeigen, wenn sich Materie unter der eigenen Gravitation zusammenzieht, gibt es ab einem bestimmten Zeitpunkt kein Halten mehr: Der Stern kollabiert vollständig und hinterlässt einen Raum mit stark verbogener Geometrie. Um das kollabierte Objekt entsteht ein sogenannter Horizont, das ist eine Art Einwegmembran, die nur Dinge aufnimmt aber nichts entkommen lässt. Dies gilt auch für Licht, daher hat sich der Name "schwarzes Loch" eingebürgert. Die Annahme, dass so ein Horizont immer entsteht, geht ebenfalls auf Penrose zurück, ist aber bis heute nicht streng bewiesen.

Illustration des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße. Seine Existenz wurde durch das Verhalten von Objekten in seiner Umgebung verraten.
Foto: ESO/M. Kornmesser

Geometrisches Verständnis der Relativitätstheorie

Die Arbeiten über Gravitationskollaps bilden zwar einen wichtigen, aber nur einen Teil der wissenschaftlichen Arbeiten von Roger Penrose. Er hat maßgeblich zum geometrischen Verständnis der Relativitätstheorie beigetragen wie zum Beispiel durch die Penrose-Diagramme. Diese erlauben es die gesamte Raumzeit so abzubilden, dass die kausalen Zusammenhänge sofort ersichtlich sind. Intensiv hat er sich auch mit den schwer verständlichen Phänomenen, die sich aus der Quantenmechanik ergeben, beschäftigt. In frühen Jahren hat die Idee entwickelt, die unter dem Namen Penrose-Parkettierung bekannt geworden ist. Dabei handelt es sich um die lückenlose Auslegung von Flächen mit Kacheln, die jedoch keine exakte Wiederholung aufweist. Ähnliche Strukturen wurden später bei Quasikristallen gefunden.

Penrose ist einer der kreativsten Köpfe in der wissenschaftlichen Community und er scheut auch vor unorthodoxen Ideen nicht zurück. So versuchte er einen Zusammenhang zwischen Quantenmechanischen Zuständen im Gehirn mit dem Bewusstsein in Verbindung zu bringen. Oder in letzter Zeit ist er mit seiner Conformal Cyclic Cosmolology hervorgetreten, in der das Universum immer wieder neu zu expandieren beginnt. Diese früheren Expansionsphasen sollten charakteristische Spuren in der kosmischen Hintergrundstrahlung hinterlassen haben.

Viele seiner Ideen hat er in semi-populären Büchern dargelegt: "The Emperor's New Mind" (1989), "Shadows of the Mind" (1994), "The Road to Reality" (2004), "Fashion, Faith, and Fantasy" (2016), um nur einige zu nennen.

Es steht außer Zweifel, dass mit Roger Penrose einer der herausragendsten Wissenschafter unserer Zeit geehrt wird. (Peter C. Aichelburg, 12.10.2020)