Roger Penrose ist einer der profiliertesten und bekanntesten Physiker des 21. Jahrhunderts – 2020 wurde ihm der Nobelpreis für seine Arbeiten rund um schwarze Löcher ausgezeichnet. Seine Beiträge zu vielen weiteren wesentlichen Fragen der Physik haben sich als einflussreich erwiesen.

Als Alternative zum auf der Stringtheorie basierenden Branenmultiversum und der Inflationstheorie (Patchworkmultiversum), welche die wohl am breitesten diskutierten Multiversum-Theorien der letzten Jahrzehnte gewesen sind, arbeitete Penrose auch an einem zyklischen Universum. Von der Grundidee her ist es durchaus mit dem bereits besprochenen Ekpyrotischen oder zyklischen Universum, Vorgeschlagen von Paul Steinhardt und Neil Turok vergleichbar ist. Während das ekpyrotische System jedoch von enormen energetischen Ausbrüchen durch das Kollabieren unseres Universum ausgeht, wodurch eine neuer Urknall entsteht, so liest sich die Theorie von Penrose deutlich sanfter und poetischer.

Die ferne Zukunft: Alle Sterne erloschen, alle schwarzen Löcher verdampft

Penroses CCC Theorie macht sich darüber Gedanken, was passiert, wenn man den derzeit angenommenen Fortlauf des Universums, wie wir es beobachten, zu Ende denken. Wenn alles so weitergeht, wie es die Daten suggerieren, dann wird unser Universum in einem Fernen Zeitpunkt, ungefähr 10 hoch 100 Jahren komplett anders aussehen.

Alle Sterne werden erloschen sein, und alle schwarzen Löcher werden dann vollends verdampft sein. Der Raum wird unvorstellbar riesig sein, und tatsächlich relativ kaum noch Masse enthalten. Lediglich Photonen würden existieren – doch diese haben weder eine Masse, noch kennen sie Zeit. Ohne Zeit und Raum fiele jedoch jeglicher geometrische Maßstab weg – und es ergäbe sich daher, nach dem Prinzip konformer Geometrie eine Realität, in der ein unendlich großer Raum nicht mehr von einem unendlich kleinen Raum zu unterscheiden ist. Und erstaunlicher Weise ist ein solcher zustand identisch mit jenem des Urknalls.

Zyklen der Zeit nach Penrose

Nach dieser Theorie, die Penrose 2010 als „Zyklen der Zeit“, vorgestellt hat, würde das Ende unseres Universums einem Anfang entsprechen, da es schlichtweg dieselben Bedingungen hätte. Vielleicht klingt das unspektakulär, tatsächlich ist diese Idee jedoch äußerst philosophisch. Wir können argumentieren, Penrose hat hiermit eine neue Variante des Ourobouros gefunden – die Schlange die sich in ihren eigenen Schwanz beißt!

Einen solchen Zyklus bezeichnet Penrose als Äon. Er postulierte zudem, dass wir  Informationen aus solchen vergangenen Äonen finden könnten – etwa von Zivilisationen, deren Aktivitäten über Gravitationswellen in unserem Kosmos kodiert wären. Bis dies möglich ist, beziehungsweise bis wir in der Lage sind, solche Muster von Gravitationswellen systematisch zu postulieren, wird jedoch wohl noch einige Zeit vergehen.

CCC Penrose: Conformal Cyclic Comology / Konforme zyklische Kosmologie

Im oben verlinkten Video-Interview mit Dr. Jack Holland spricht Penrose ausführlich über CCC. Penrose beginnt dort, wofür er schließlich einen Nobelpreis erhielt: bei den Singularitäten. Das Rätsel, das ihn zur konformen zyklischen Kosmologie (CCC) trieb, sei die seltsame Asymmetrie zwischen zwei Arten von Singularitäten gewesen: In Schwarzen Löchern herrsche Chaos, „eine sehr zufällige Art von Singularität“, während der Urknall „sehr, sehr regelmäßig und glatt“ war – die gravitativen Freiheitsgrade, die Weyl-Krümmung, waren dort „aus irgendeinem erstaunlichen Grund stark unterdrückt“.

Für Penrose war das kein Detail, sondern der Ursprung des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Eine Quantengravitation, die beides erklären soll, müsste „eine sehr, sehr seltsame Art von Quantengravitation sein, völlig asymmetrisch in Bezug auf die Zeit“ – und das erschien ihm irgendwann zu seltsam.

Der Schlüssel liegt nach Penrose in der konformen Geometrie, die er anhand von Eschers Kreislimit-Bildern erklärt: Engel und Teufel behalten ihre Form, „sie werden nur kleiner und kleiner, bis sie am Rand sozusagen die Größe null erreichen“. Winkel bleiben erhalten, Größe wird bedeutungslos. Und dann kommt der Gedanke, der die Theorie geboren hat – ausgerechnet aus Langeweile wie der Forscher erzählt. Penrose stellte sich die ferne Zukunft vor: Schwarze Löcher, die nach 10 hoch 100 Jahren verdampfen und „schließlich mit einem Plopp verschwinden“. Seine Reaktion darauf laut Interview: „Ich dachte, das ist unglaublich langweilig. Und dann dachte ich: Wer soll sich von diesem Universum eigentlich langweilen lassen?“ Die Antwort: fast nur Photonen. Und für ein Photon vergeht keine Zeit.

Hier greift dann Penroses elegante Argumentation. Masse ist die Uhr des Universums – aus E=mc² und E=hν folgt, dass „jedes massive Teilchen eine Uhr ist“. Ohne Masse keine Uhr, ohne Uhr kein Maßstab. In der fernen Zukunft (nur Photonen) und im Urknall (Masse energetisch irrelevant) verliert das Universum seinen Maßstab: „Sobald man den Maßstab verloren hat, sind sie einander erstaunlich ähnlich.“ Das ausgedünnte, kalte Ende eines Universums lässt sich konform auf den heißen, dichten Anfang des nächsten kleben. Penrose nennt diese Zyklen wie oben beschrieben „Äonen“ – „unser kosmisches Äon begann mit unserem Urknall und endet mit unserer fernen Zukunft. Und dann gibt es ein weiteres, und noch eines.“

Empirische Argumentation

Bemerkenswert ist, wie empirisch Penrose argumentiert: Kollisionen supermassiver Schwarzer Löcher im vorherigen Äon sollten als Ringe im Mikrowellenhintergrund sichtbar sein; verdampfende Schwarze Löcher als „Hawking-Punkte“ – konzentrierte Hotspots, für die seine Gruppe „ein Konfidenzniveau von 99,98 Prozent“ reklamiert. Dass die Fachwelt kaum reagiert, quittiert er trocken: „Niemand schenkt dem Beachtung.“ Die kosmische Inflation, die Standarderklärung für die Glätte des Urknalls, hält er schlicht für falsch: „Man kann das Inflatonfeld einführen, so viel man will – es beseitigt diese Singularitäten Schwarzer Löcher nicht.“

Am Ende wird es im Interview fast spielerisch: Könnten fortgeschrittene Zivilisationen Botschaften ins nächste Äon senden? Penrose hat dazu tatsächlich publiziert – Gravitationswellen wären das einzige Medium, dass dafür in Frage käme. Sein Fazit zur Menschheit hat dabei eine leise Ironie: „Ich glaube nicht, dass wir schon irgendjemandem gute Ratschläge zu geben hätten. Vielleicht, wenn wir uns etwas beruhigt haben.“