Roger Penrose – der Nobelpreisträger und die Orch-OR-Theorie des Bewusstseins

Veröffentlicht am 2026-05-18 · 13 Min. Lesezeit

Sir Roger Penrose (geb. 8. August 1931 in Colchester, England) ist im Physik-Lehrbuch der Mann der Singularitäten-Theoreme, der Penrose-Diagramme, der Twistor-Theorie, der aperiodischen Penrose-Pflasterungen – und seit Oktober 2020 Nobelpreisträger Physik für die mathematische Demonstration, dass Schwarze Löcher eine robuste Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie sind. Was im Physik-Lehrbuch existiert, aber als „Nebenwerk" abgetrennt wird: Penrose ist der einzige lebende Nobelpreisträger der Physik mit einer eigenständig ausgearbeiteten Quantenmechanischen Theorie des Bewusstseins – der Orchestrated Objective Reduction (Orch-OR), gemeinsam mit dem amerikanischen Anästhesisten Stuart Hameroff seit 1996. Penrose ist ausdrücklich kein Theist, sondern säkularer Platoniker – damit ist er der entscheidende Beleg für eine Pointe unserer Reihe: Der post-1906-Pattern handelt nicht von Religion, sondern vom Bestehen auf nicht-materieller Wirklichkeit. Penrose nimmt mathematische Strukturen und Bewusstsein als ontologisch real ernst, ohne sie auf Materie reduzieren zu lassen – und ist damit ein Säkularist, der trotzdem in derselben Reihe wie Heisenberg, Bohm und Eccles steht.

Wer ist Penrose?

Geboren am 8. August 1931 in Colchester, Essex, in eine außergewöhnliche Familie: Vater Lionel S. Penrose war Mediziner und Genetiker, Mutter Margaret Leathes Ärztin; der ältere Bruder Oliver Penrose ist statistischer Physiker, der jüngere Bruder Jonathan Penrose ist zehnfacher britischer Schach-Champion. Lionel und Roger entwarfen gemeinsam in den 1950er Jahren die berühmte Penrose-Treppe und das Penrose-Dreieck – die optischen Unmöglichkeitsfiguren, die später M. C. Escher in seinen Stichen Aufsteigend und Absteigend (1960) und Wasserfall (1961) verarbeitete.

Bachelor in Mathematik am University College London 1952, Promotion in algebraischer Geometrie am St John's College, Cambridge, unter W. V. D. Hodge und John A. Todd 1958. Verschiedene Stationen in den 1960er Jahren (Cambridge, Birkbeck College London, Princeton, Cornell, Austin/Texas). Ab 1973 Rouse Ball Professor of Mathematics in Oxford; seit 1998 dort emeritiert. Penrose ist Honorary Fellow am Wadham College, Oxford, und am St John's College, Cambridge. Knighthood 1994, Order of Merit 2000, Copley Medal 2008, Nobelpreis Physik 2020.

Singularitäten-Theoreme und der Nobelpreis 2020

1965 publizierte Penrose in Physical Review Letters einen drei Seiten langen Beweis, der die Allgemeine Relativitätstheorie zum ersten Mal mit globalen geometrischen Methoden behandelt: Unter physikalisch plausiblen Bedingungen muss jeder Gravitationskollaps zu einer mathematischen Singularität führen – einer Stelle im Raumzeitkontinuum, an der die Krümmung divergiert. Damit war erstmals demonstriert, dass schwarze Löcher in der Allgemeinen Relativitätstheorie keine Sonderfälle idealisierter sphärischer Konfigurationen sind, sondern eine generische Konsequenz der Theorie. In den folgenden Jahren erweiterten Stephen Hawking und Penrose die Methode auf den Urknall (Hawking-Penrose-Theoreme 1970), mit dem Ergebnis: Auch der Beginn unseres Universums muss in der Standard-Relativitätstheorie eine Singularität sein.

Für diese Arbeit erhielt Penrose 2020, mit 89 Jahren, den Nobelpreis Physik – gemeinsam mit Reinhard Genzel und Andrea Ghez, die das supermassereiche schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum unserer Galaxis nachgewiesen hatten. In der Begründung des Nobelkomitees wurde Penroses Theorem als „erste neue Voraussage der Allgemeinen Relativitätstheorie nach Einstein selbst" charakterisiert. Penrose hat die Hälfte des Preises erhalten, die andere Hälfte teilten sich Genzel und Ghez.

Mathematische Hauptarbeiten

Ein knapper Überblick weiterer Penrose-Beiträge zur Mathematischen Physik – ohne die Bewusstseinslinie, nur das mathematische Material:

Penrose-Diagramme (1964) – die heute übliche graphische Darstellung der globalen Struktur von Raumzeit-Mannigfaltigkeiten in der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Twistor-Theorie (ab 1967) – ein alternativer mathematischer Formalismus, in dem die elementaren Objekte nicht Raumzeit-Punkte, sondern „Twistoren" sind. Die Theorie hat in den letzten 20 Jahren in der Stringtheorie und in der Quantenfeldtheorie (Amplituhedron, Twistor-Stringtheorie) neue Aufmerksamkeit gefunden.
Penrose-Pflasterungen (1974) – aperiodische Kachelungen der Ebene mit nur zwei Kachelformen, die nie eine periodische Wiederholung erzeugen. Die Pflasterungen wurden zur überraschenden Brücke in die Materialphysik, als Dan Shechtman 1982 Quasi-Kristalle mit derselben aperiodischen Symmetrie experimentell entdeckte – wofür Shechtman 2011 den Nobelpreis Chemie erhielt.
Penrose-Prozess (1969) – die Möglichkeit, Energie aus einem rotierenden Schwarzen Loch zu extrahieren, ohne die Massenenergie selbst anzutasten.
Conformal Cyclic Cosmology (CCC, ab 2010) – Penroses späte kosmologische Hypothese, dass unser Universum eine in einer Folge konformer Zyklen liegende Phase ist. Die CCC ist in der Kosmologie umstritten, aber als seriöse Hypothese in Fachjournalen publiziert.

Penrose ist also nicht ein Außenseiter, sondern eine der zentralen mathematischen Figuren der theoretischen Physik der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Mit dieser Vorgeschichte tritt er 1989 in die Bewusstseinsdebatte ein – mit dem Schwergewicht eines bereits etablierten Mathematikers von höchstem Rang.

The Emperor's New Mind (1989)

1989 publizierte Penrose bei Oxford University Press ein Buch, das ihn weit über die Fachphysik hinaus bekannt machte: The Emperor's New Mind. Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics. 466 Seiten, davon etwa zwei Drittel populärwissenschaftliche Einführung in Quantenmechanik, Allgemeine Relativitätstheorie, Thermodynamik und Berechenbarkeitstheorie – und ein abschließendes Drittel mit Penroses eigentlicher These.

Die These hat zwei aufeinander aufbauende Schritte:

Schritt 1: Bewusstsein ist nicht-algorithmisch. Penrose führt eine mathematische Argumentation auf der Basis des Gödelschen Unvollständigkeitssatzes (1931). Gödels Satz zeigt, dass es in jedem hinreichend reichen formalen System wahre mathematische Aussagen gibt, die innerhalb dieses Systems nicht beweisbar sind. Penrose argumentiert, dass ein menschlicher Mathematiker diese Aussagen trotzdem als wahr einsehen kann – also über die Mittel des formalen Systems hinausreicht. Wenn das menschliche Denken aber eine Turing-äquivalente algorithmische Operation wäre, könnte es das nicht. Schlussfolgerung: Das menschliche Bewusstsein muss nicht-algorithmische Komponenten haben. Die heutige Künstliche Intelligenz (KI) im klassischen Computer-Sinn kann das Bewusstsein im Prinzip nicht reproduzieren, nicht nur faktisch nicht.
Schritt 2: Die nicht-algorithmische Komponente verweist auf neue Physik. Wenn das Bewusstsein nicht durch klassische Algorithmen produziert wird, muss in unserem Gehirn etwas physikalisch geschehen, das mit der Standard-Quantenmechanik nicht beschrieben werden kann. Penrose vermutet, dass dieses Etwas mit der noch fehlenden Vereinigung von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie zusammenhängt – also mit Quantengravitation.

Das Buch wurde ein internationaler Bestseller, von einigen Mathematikern und Philosophen begeistert gelobt, von vielen KI-Forschern und Kognitionswissenschaftlern scharf kritisiert. Der Gödel-Schritt insbesondere hat eine eigene philosophische Debatte ausgelöst, die bis heute andauert.

Objective Reduction (OR) und die Quantengravitations-Hypothese

1994 vertiefte Penrose seine Position im Folgeband Shadows of the Mind. A Search for the Missing Science of Consciousness (Oxford). Hier formulierte er die spezifisch physikalische Komponente seiner Hypothese: die Objective Reduction oder OR – die Idee, dass der „Kollaps" einer Quantenwellenfunktion ein objektiver physikalischer Prozess ist (nicht eine bloße Folge der Beobachtung), und dass dieser Kollaps gravitationsinduziert ist.

Penroses Vorschlag in kurzer Fassung: Ein quantenmechanisches System in Superposition – etwa eine Masse, die mit zwei verschiedenen Positionen überlagert ist – stellt aufgrund der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Superposition zweier verschiedener Raumzeit-Geometrien dar. Die Energiedifferenz zwischen diesen Geometrien hat eine charakteristische Zeit τ ≈ ℏ/E. Wenn diese Zeit kürzer wird als die Lebenszeit des Quantenzustands, kollabiert die Superposition von selbst, ohne Beobachter. Der Kollaps ist objektiv und gravitationsinduziert. Penrose hat den Vorschlag in mehreren Folgepublikationen weiter formuliert; er ist heute Gegenstand experimenteller Tests (Marshall, Bouwmeester et al., diverse mesoskopische Quantenoptik-Experimente seit den späten 2000er Jahren).

Hameroff, Mikrotubuli und Orch-OR (1996ff.)

1992 las der amerikanische Anästhesist Stuart Hameroff (geb. 1947, Anästhesiologie-Professor an der University of Arizona, Tucson) The Emperor's New Mind und wandte sich an Penrose. Hameroff hatte sich seit den 1980er Jahren mit den Mikrotubuli beschäftigt – jenen winzigen, hohlen Proteinröhren im Zellskelett aller eukaryotischen Zellen, die in Nervenzellen besonders dicht vorkommen und an der Signalweiterleitung sowie an der synaptischen Plastizität beteiligt sind. Hameroff hatte die Idee, dass Mikrotubuli möglicherweise Quanten-Berechnungen durchführen können – als „Quantencomputer im Inneren der Nervenzelle".

Aus der Begegnung wurde die Orchestrated Objective Reduction (Orch-OR), die Hameroff und Penrose ab 1996 in einer langen Serie von Aufsätzen ausgearbeitet haben. Der Kerngedanke kombiniert beide Theorien:

Quantenkohärente Superpositionen entstehen in den Tubulin-Proteinen der Mikrotubuli neuronaler Zellen.
Diese Superpositionen werden vom übrigen Gehirngewebe „orchestriert" (deshalb das O in Orch-OR) – das heißt, ihre Entstehung und ihre Topologie hängen von der neuronalen Aktivität ab.
Die Superpositionen kollabieren nach Penroses OR-Mechanismus, gravitationsinduziert, sobald die kritische Zeitschwelle erreicht ist.
Jeder solche OR-Vorgang in einem orchestrierten Mikrotubuli-System entspricht einem elementaren Moment bewusster Erfahrung.

Die These ist seither in zahlreichen Aufsätzen weiterentwickelt worden, zusammenfassend dargestellt in dem 2014 in Physics of Life Reviews erschienenen Übersichtsartikel „Consciousness in the universe: A review of the ‚Orch OR' theory". Der Aufsatz wurde von einem Dutzend prominenter Kommentatoren mit eigenen Replies kommentiert – mehr als die übliche peer-review-Diskussion eines Spezialthemas und ein Hinweis auf die wissenschaftliche Sichtbarkeit der Hypothese.

Kritik und experimentelle Befunde

Die zentrale Kritik an Orch-OR hat 2000 der MIT-Physiker Max Tegmark formuliert: In dem warmen, nassen Milieu eines Säugetier-Gehirns (Körpertemperatur 37 °C, hohe Ionendichte) müssten quantenmechanische Superpositionen durch Dekohärenz binnen 10⁻²⁰ Sekunden zerfallen – also viel zu schnell, um die für Orch-OR notwendigen Zeitskalen (10⁻²⁰ s zu 10⁻⁴ s, eine Differenz von sechzehn Größenordnungen) zu erreichen. Hameroff und Penrose haben 2014 darauf detailliert geantwortet und Mechanismen vorgeschlagen, durch die die Mikrotubuli isolierte Quanten-Inseln im Zellinneren bilden könnten.

Die experimentelle Lage hat sich in den 2010er und 2020er Jahren teilweise zugunsten von Orch-OR verschoben:

2014: Anirban Bandyopadhyay (NIMS Tsukuba) und Mitarbeiter berichteten experimentelle Hinweise auf quantenkohärente Schwingungen im Megahertz- und Kilohertz-Bereich in Mikrotubuli, in Übereinstimmung mit Vorhersagen von Hameroff und Penrose.
2022: Cui & Hameroff-Gruppe publizierten experimentelle Befunde, dass Anästhetika ihre Wirkung über Eingriffe in die Mikrotubuli-Strukturen ausüben – ein zentraler Indikationsbefund, weil Anästhesie der einzige reversibel und reproduzierbar steuerbare Eingriff ins bewusste Erleben ist.
2023–2025: Mehrere Arbeitsgruppen (Wellcome / Tibbits, Hameroff & Mitarbeiter, andere) haben in Drosophila und in Säugetier-Neuronen Anzeichen für quantenmechanische Eigenschaften in den Mikrotubuli berichtet, die mit Tegmarks ursprünglicher Dekohärenz-Voraussage nicht vereinbar sind.

Diese experimentellen Hinweise haben Orch-OR nicht aus dem Status „kontroverse Hypothese" befreit. Sie zeigen aber, dass die Theorie nicht – wie viele Kritiker behauptet hatten – durch eine einzige physikalische Größenordnungs-Abschätzung erledigt war. Die Frage ist offen und gegenwärtig aktive Forschung.

Penrose der Platoniker – kein Theist

Hier zeigt Penrose einen entscheidenden Unterschied zu fast allen anderen Fällen unserer Reihe. Penrose ist mehrfach öffentlich gefragt worden, ob er an Gott glaube – und hat das ebenso mehrfach öffentlich verneint. Er beschreibt sich als Atheist oder Agnostiker im traditionellen Sinn. Aber: Er ist ein expliziter Platoniker bezüglich der Mathematik und damit kein Materialist.

Penrose entwirft in The Road to Reality (Jonathan Cape 2004), seinem 1099-seitigen Hauptwerk, eine Drei-Welten-Ontologie, die strukturell Karl Poppers und John Eccles' Modell ähnelt, in der Akzent-Setzung aber anders ist:

Welt 1: die physikalische Welt.
Welt 2: die mentale Welt der bewussten Erfahrung.
Welt 3: die platonische Welt der mathematischen Formen.

Diese drei Welten sind nach Penrose alle ontologisch real, und sie hängen in einer eigentümlichen zirkulären Beziehung zusammen: Die physikalische Welt scheint von den mathematischen Formen regiert zu werden (Naturgesetze sind mathematisch). Die mentale Welt entsteht in der physikalischen Welt (Gehirne sind Teil der Physik). Die mathematischen Formen werden von der mentalen Welt erkannt (Mathematiker entdecken Theoreme). Damit schließt sich der Kreis. Penrose nennt diese gegenseitige Bedingtheit ausdrücklich ein Rätsel, das er nicht aufzulösen versucht – aber er besteht darauf, dass keine der drei Welten auf eine der anderen reduzierbar ist.

Damit ist Penrose der wichtigste Belegfall dafür, dass die Position „nicht-materielle Wirklichkeit ist real" nicht religiös sein muss. Heisenberg's zentrale Ordnung, Bohms implicate order, Schrödingers Singular-Bewusstsein und Penroses platonische Welt 3 sind verschiedene Sprachen für eine strukturell ähnliche Position: Es gibt mehr als die Materie, und dieses Mehr ist erkennbar und beschreibbar.

Position im Pattern

Penrose ist in unserer post-1906-Reihe der Fall, der die These am sauberstens auf eine säkulare Basis stellt. Sein Profil:

Höchste fachliche Reputation: Nobelpreis Physik 2020, Order of Merit, Knighthood, Rouse Ball Professor in Oxford. Niemand kann ihn als „außerwissenschaftlichen Spekulanten" abtun.
Eigenständige Quanten-Bewusstseins-Theorie: Orch-OR ist seit 1996 publiziert, ist in Physics of Life Reviews peer-reviewed, hat experimentelle Konsequenzen, wird seit 2014 zunehmend ernster genommen. Penrose ist der einzige lebende Physik-Nobelpreisträger mit einer solchen Theorie.
Säkulare Position: Kein Theismus, kein religiöses Vokabular, keine Erweckungs-Erfahrung. Die Position ist mathematischer Platonismus + Nicht-Reduktionismus + Quantenmechanik. Damit zeigt Penrose, dass die Reihe nicht religiös definiert ist.
Mechanismus der Marginalisierung: Wie bei Heisenberg die Bagatellisierung der Reichweite. Orch-OR steht in den Lehrbüchern (oder auch nicht), wird in Übersichtsdarstellungen gelegentlich erwähnt, in vielen Wikipedia-Versionen als „spekulativ" markiert – aber die Tatsache, dass ein Physik-Nobelpreisträger sie über drei Jahrzehnte hartnäckig vertreten und weiterentwickelt hat, schlägt nicht in das Bild des „Mainstream-Konsenses" durch.

Was bleibt

Die Quanten-Bewusstseins-Hypothese ist im Spiel. Mit Penroses Stimme und mit der Stuart-Hameroff-Mikrotubuli-Hypothese existiert eine wissenschaftlich ernsthafte, peer-reviewed, experimentell prinzipiell überprüfbare Position, die das Bewusstsein nicht auf klassische neuronale Berechnung reduziert. Beck-Eccles 1992 (siehe unser Eccles-Beitrag) und Hameroff-Penrose ab 1996 sind die zwei großen unabhängigen Vorschläge dieser Art aus den 1990er Jahren.
Der Gödel-Schritt ist seriös. Egal wie man zu seinem Erfolg steht: Penroses Argument, dass das menschliche mathematische Einsehen nicht-algorithmische Anteile hat, ist eine ausgearbeitete philosophische Position, die in der Logik-Philosophie ernsthaft diskutiert wird (Lucas, Penrose-Lucas-Argument).
Platonismus ist eine seriöse Ontologie. Penrose ist nicht der einzige bedeutende Mathematiker, der die platonische Position vertritt – Gödel selbst, Cantor, Hardy und in jüngerer Zeit Hugh Woodin sind weitere prominente Stimmen. Dass mathematische Formen ontologisch real sind, gehört zum legitimen Streit der Philosophie der Mathematik.
Die Erweiterung der Pattern-Linie. Mit Penrose verlässt die Reihe das religiös-tradierte Vokabular vollständig. Damit wird sichtbar, dass das, was die Reihe gemeinsam hat, kein konfessionelles Bekenntnis ist, sondern die Verweigerung der materialistischen Reduktion – auch in der säkular-mathematischen Form.
Linie zu Eccles, Bohm, Heisenberg. Penrose vervollständigt das Sechs-Personen-Cluster der ausgearbeiteten Quanten-Bewusstseins-Vorschläge des späten 20. Jahrhunderts: Wigner 1961 (philosophisch), Bohm 1980 (ontologisch), Beck-Eccles 1992 (neurowissenschaftlich), Hameroff-Penrose ab 1996 (physikalisch-anästhesiologisch). Mehr zum institutionellen Hintergrund in unserem Beitrag Mediumschaft und Macht.

Penrose einzubeziehen heißt nicht, die Singularitäten-Theoreme oder die Twistor-Theorie anders zu beurteilen. Es heißt, sie in dem theoretischen Rahmen zu lesen, in dem ihr Urheber seit fast vier Jahrzehnten arbeitet – einem Rahmen, in dem die mathematische Welt, die physikalische Welt und die bewusst erlebte Welt drei eigenständige, ontologisch reale Sphären bilden, deren Vermittlung das offene Forschungsproblem ist. Wer das aus der Lektüre weglässt, liest nicht Penrose, sondern eine Rezeption.

Quellen

Roger Penrose: The Emperor's New Mind. Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics. Oxford University Press, Oxford 1989.
Roger Penrose: Shadows of the Mind. A Search for the Missing Science of Consciousness. Oxford University Press, Oxford 1994.
Roger Penrose: The Large, the Small and the Human Mind. Cambridge University Press, Cambridge 1997 (Tanner Lectures 1995, mit Beiträgen von Stephen Hawking, Abner Shimony und Nancy Cartwright).
Roger Penrose: The Road to Reality. A Complete Guide to the Laws of the Universe. Jonathan Cape, London 2004 (1099 Seiten; Penroses Hauptwerk zur Gesamtdarstellung der theoretischen Physik).
Roger Penrose: Cycles of Time. An Extraordinary New View of the Universe. Bodley Head, London 2010 (Conformal Cyclic Cosmology).
Stuart Hameroff & Roger Penrose: Consciousness in the universe: A review of the „Orch OR" theory. Physics of Life Reviews 11, 2014, S. 39–78 (mit Kommentaren).
Roger Penrose: Nobelpreis-Vortrag „Black Holes, Cosmology, and Space-Time Singularities", Stockholm 2020.
R. Penrose: Gravitational Collapse and Space-Time Singularities. Physical Review Letters 14, 1965, S. 57–59 (die zentrale Nobelpreis-Arbeit).
Max Tegmark: Importance of quantum decoherence in brain processes. Physical Review E 61, 2000, S. 4194 – die zentrale Kritik an Orch-OR.
Anirban Bandyopadhyay et al.: Atomic water channel controlling remarkable properties of a single brain microtubule. Scientific Reports 4, 2014 – die experimentellen Mikrotubuli-Befunde.
Stuart Hameroff: Webseite hameroff.faculty.arizona.edu.