Die Natur richtet sich nicht nach "unseren" Naturgesetzen. Sie ist wie sie ist und uns bleibt nur, zur Kenntnis zu nehmen wie sie ist. Nach Naturgesetzen suchen wir Menschen, um uns mit unseren Möglichkeiten Abläufe plausibel zu machen, "die Natur zu verstehen". Dieses Streben befriedigt nicht nur unsere Sehnsucht nach Begreifen, es erlaubt uns weiter, unsere Ziele zu erreichen und uns neue Ziele stellen zu können. Naturgesetze sind von Menschen für Menschen gemacht. Einmal möglichst umfassend bewiesen werden sie nie ungültig. Aber ihre Gültigkeitsbereiche (oder die Grenzen ihrer Gültigkeit) können erweitert, ihre Genauigkeit kann erhöht, auch ihre Formulierung kann allgemeiner gefasst oder in eine "schönere" Form gebracht werden. Naturgesetze "leben" und sind Spiegelbilder unseres Erkenntnisstandes.

Das Zusammenspiel zwischen unserem Gehirn und unseren Sinnen hat uns die Evolution geschenkt. Im Gehirn erzeugen wir uns ein Abbild von der Wirklichkeit. Die Welt wird uns "bewusst" und wir haben schließlich ein Bewusstsein für das was geschieht. Es gelingt uns, intuitiv Dinge und Situationen auf typische Grundzüge zu reduzieren und zu abstrahieren, zu verallgemeinern und auf diese Weise auch anderen mitteilen zu können (mit Begriffen und Sprache), Zusammenhänge herzustellen und schließlich auch Regeln zu erkennen. Wir suchen nach der "Regel". Eine vielleicht mühsam oder durch Zufall erkannte Regel gibt uns das Gefühl, einen Teil der Welt "verstanden" zu haben. Unsere Erregung, den Zusammenhang durchschaut zu haben, ist ein besonderes Abenteuer und auch ein Motiv jedes Forschers. Eine Regel, ein "Gesetz" hilft uns, einen Ablauf in der Vergangenheit und in der Zukunft zu beschreiben. Wir schätzen es um so höher, je präziser Eigenschaften der Welt für uns nachgebildet werden und je genauer aus Kenntnis des Zustandes zu einer Zeit (also auch aller Randbedingungen), der Zustand in einer anderen Zeit  vorhergesagt werden kann. Wir haben den Anspruch, eine hier und heute gültige Theorie, soll an einem anderen Ort und zu einer anderen Zeit ebenso wahr sein, ihr innewohnende "Gesetze" sollen invariant von Ort und Zeit überall und immer gelten. Sie gefällt uns um so besser und wird von unserem Bewusstsein weniger als Fremdkörper und mehr als Wahrheit empfunden, je genauer sie das leistet. Das ist kein geringer Anspruch: Eine etwa auf der Erde bestätigte Regel soll ebenso vor Milliarden von Jahren gültig gewesen sein, soll in nicht vorstellbaren Entfernungen im Universum unverändert zutreffen! Dennoch keine Theorie ist die Wirklichkeit selbst, sie ist unsere Prothese, die Welt zu verstehen! Sie kann nie absolut wahr sein, nur die Natur selbst ist es. Und sie bleibt eine Beschreibung, der Versuch einer Annäherung an existierende Tatsachen, im Kern beschreibt sie immer ein vereinfachtes Modell. Sie dokumentiert unser Wissen und nützt uns für Vorhersagen. Glücklich sind wir, wenn sie unseren ästhetischen Ansprüchen nahe kommt: wenn sie uns aus einfachen Annahmen komplexe Zusammenhänge erklärt und ihr ein hohes Maß an Symmetrie innewohnt. Und ganz gern möchten wir ein Theorem akzeptieren, welches von mehreren Modellvorstellungen derjenigen mit den wenigsten Grundannahmen Vorrang einräumt (benannt nach Wilhelm Ockhams Rasiermesser 1288-1347). Wir fühlen uns ein Stück sicherer, wenn eine der Welt innewohnende Ordnung in ein "Naturgesetz" gefasst werden konnte. Heute bieten uns Computer numerische Simulationen an, die mehr Einflussfaktoren berücksichtigen und sich immer mehr den naturgegebenen Bedingungen annähern können. Insoweit könnte der Mensch mit der Situation zufrieden sein. Es sollte nur eine Frage der Zeit sein, bis er zwar nicht alles über den Mikrokosmos (einschließlich in sich selbst) und den Makrokosmos (das Universum) würde erfahren haben, jedenfalls alles für ihn Wichtige und eben für ihn ausreichend genau genug. Zwar hätten wir uns als Mensch damit abzufinden, dass wir verglichen mit anderen Abläufen in der Natur nur kurze Zeit Gast auf dieser Welt sein dürfen, aber wenigstens unser geistiges Erbe, die von uns entschlüsselten "Naturgesetze" und Theorien würden (scheinbar) ewigen Bestand und Gültigkeit im ganzen Universum haben.

Diese heile Welt gibt es nicht mehr. Besonders im letzten Jahrhundert mussten wir lernen, dass unsere Theorien nicht ewige Wahrheiten sind, wir zwar immer mehr wissen können, dass uns dieses Wissen aber nicht zwangsläufig zu genaueren Voraussagen verhilft "woher die Welt kommt und wohin sie geht". Und zwar nicht nur wegen des häufig übermächtigen Umfangs der Randbedingungen, sondern prinzipiell. Wir können uns glücklich schätzen, wenn sich eine Theorie schließlich als Beschreibung einer Seite der Medaille, als Spezialfall oder als Näherung in einer allgemeineren umfassenderen oder präziseren Theorie herausstellt.

Die Chaostheorie sagt uns, dass geringe Änderungen der Randbedingungen gegensätzliche Ergebnisse einer Berechnung bewirken können. Beliebte Beispiele sind die ungenaue Vorhersage des Wetters an einem Ort drei Wochen im voraus oder der Position und Bewegung eines Asteroiden im Vielkörpersystem aller Massen in unserem Sonnensystem in ferner Zukunft. Diese Zukunft ist bei vielen Fragestellungen gänzlich unbestimmbar, da wir die Randbedingungen nicht beliebig genau bestimmen können. Und das gilt nicht nur weil Messfehler nie Null sein können sondern noch viel grundlegender wie uns Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation lehrt. Und "unüberschaubare" Situationen scheinen in unserer Welt weit verbreitet zu sein.

Wir haben auch erkennen müssen, dass unsere Sinne und unser Gehirn von der Evolution nicht ausgestattet wurden, die Welt als Ganzes zu verstehen. "ICH BIN DER GEFANGENE MEINES KÖRPERS, MEINER BIOLOGIE". Wir alle sind Gefangene unserer Sinne, auch die Strukturen in unserem Gehirn sind nur zu deren "Verwaltung" angelegt und von der Evolution für das Überleben der Art "ergänzt" worden. Etwa auf das Verständnis Schwarzer Löcher sind wir nicht vorbereitet. Unsere Schwierigkeiten werden schon deutlich, wenn wir mit dem Teleskop das vor 8 bis 13 Milliarden Jahren abgesendete Licht ferner Galaxien in allen Richtungen des Himmels finden können - sie müssen nur frei von Staub und Sternen der Milchstraße und naher Galaxien sein - obgleich doch der Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren nach unserem Vorstellungsvermögen an einem "Ort" stattgefunden haben sollte. Da wir in die Vergangenheit schauen, sollten die fernsten sichtbaren Galaxien, die ihr Licht also vor 8 bis 13 Milliarden Jahren zu uns geschickt haben, nahe am vermeintlichen "Zentrum" des Urknalls und nicht überall gleich verteilt am Himmel zu finden sein. Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie bietet einen ersten Hinweis zum Verständnis an: Wenn genug Masse oder Energie konzentriert ist, ist der umgebende Raum gekrümmt. Weil die Energie und Materie nach dem Urknall sehr dicht beieinander versammelt gewesen sein müssen, erscheint nun nach der Expansion alles riesenhaft vergrößert. Erst jetzt in unserer Zeit und einem Raum ohne Ansammlung großer Massen erscheint uns unsere nähere räumliche Umgebung so wie Euklid seine Geometrie dargestellt hat. In kosmologischen Maßstäben gibt es keine Gleichzeitigkeit. "Hier" und "Jetzt" gibt es nur in unserer Umgebung ohne große Massendichte und ohne extreme Geschwindigkeiten.

Ähnliche Probleme haben wir, uns die Quanteneffekte im (sub)atomaren Bereich vorzustellen. Die Quantentheorie ist ihrer Natur nach empirisch, beschreibt die Welt in kleinen Skalen sehr genau mit ganz ausgewählten Regeln über "erlaubte" Zustände. Sie begründet nicht ursächlich weshalb andere Zustände verboten sind - solche die wir in unserer makroskopischen Umgebung gewohnt sind und als normal ansehen, mit denen unser Gehirn seinen Frieden geschlossen hat. Ratlosigkeit stellt sich ein, das Wesen und Treiben der Elementarteilchen intuitiv zu verstehen. Werner Heisenberg hatte erkannt, dass Ort und Impuls (Masse x Geschwindigkeit) eines Teilchens gleichzeitig prinzipiell nicht beliebig genau bestimmt sind. Das gleiche gilt für seine Energie und Zeit. Danach ist das Produkt aus den Unbestimmtheiten vom Ort und Impuls eines Teilchens größer als eine sehr kleine Konstante - dem nach Max Planck benannten Wirkungsquantum h (1,055* 10-34Ws2). Wenn demnach der Ort eines kleinen leichten Teilchens absolut genau bekannt wäre, könnte über seine Geschwindigkeit und damit seinen Ort im folgenden Augenblick nichts mehr ausgesagt werden. Mit unserer makroskopischen Erfahrung ist das nicht verständlich, wo doch Ort und Geschwindigkeit eines Gegenstandes scheinbar beliebig genau gemessen werden können. Das liegt daran, dass dessen Masse vergleichsweise groß ist, die Ungewissheit ihrer Geschwindigkeit entsprechend gering sein kann, viel kleiner als der technisch immer auftretende Messfehler. Die Heisenbergsche Unbestimmtheitsbeziehung hat zur Folge, dass im Bereich kleiner Skalen für Raum und Zeit keine determinierten Aussagen möglich sind, sondern nur Wahrscheinlichkeitsaussagen, also solche mit statistischer Relevanz. Das gilt auch für die Unbestimmtheit selbst, h/4π entspricht der wahrscheinlichsten Unbestimmtheit. Wie wir noch sehen werden, ist der Anfang unseres Universums möglicherweise durch seine mikroskopische Ausdehnung gekennzeichnet. Und deshalb benötigen wir anscheinend zum Verständnis dieses Anfangs eine umfassende Theorie, die die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie einschließt (Quantengravitation). Um eine solche "große vereinheitlichte Theorie" wird seit vielen Jahrzehnten gerungen, bisher ohne zufrieden stellenden Erfolg. In Form der Stringtheorien gelangen Ansätze, die Gravitation und Quantentheorie enthalten, vor allem aber punktförmige Elemente der Ausdehnung Null vermeiden und durch verschiedene winzige lineare Schwingungsformen - offene und ringförmig geschlossene - ersetzen. Im mathematischen Modell der Strings können neben den 3 Raumdimensionen und der Zeit weitere 6 Variable eingeführt werden, wodurch man zu supersymmetrischen Strings gelangt. Offene Strings enden in Dirichlet-Branen, Objekten in der Raumzeit unseres Universums. Offene Strings beschreiben Elementarteilchen (etwa alle uns bekannten Fermionen, aus denen unsere Welt besteht). Unterschiedliche Schwingungszustände eines offenen Strings erzeugen verschiedenen Elementarteilchen. Das bislang nicht experimentell nachgewiesene Graviton würde einen geschlossenen ringförmigen String darstellen. Als Träger der Massenanziehung würde sein Nachweis die Stringtheorie stützen. Da ein geschlossener String nicht an einer Brane haftet, könnte er zwischen unterschiedlichen Universen wechseln. Das könnte eine Erklärung liefern, weshalb die Gravitation so viel schwächer als die anderen Kräfte wirkt. Bisher liefert die Stringtheorie noch keine neuen überprüfbaren Vorhersagen. Sie erklärt uns weniger unsere Welt, eher was alles denkbar ist. Und Edward Witten meint, "die Stringtheorie ist ein Teil der Physik der Zukunft, die durch Zufall in der Gegenwart gelandet ist" (vgl. auch Schleifenquantengravitation). Direkt und unmittelbar sind Strings nicht zugänglich, ihre "Größe" befindet sich in der Nähe der Planck-Länge. Sie bildlich in Stoßexperimenten aufzulösen wären Teilchenenergien nötig weit jenseits aller erreichbaren Beschleunigerleistungen (vielleicht um den Faktor 1020). Auch in der Zukunft können Strings deshalb nie sichtbar gemacht werden - höchstens indirekt durch ihren Einklang mit weiteren Theorien könnten sie sich als nützlich erweisen.

Unser Wissen kann analog dem zweiten Unvollständigkeitssatz von Kurt Gödel (1931) beschrieben werden: Eine Theorie kann durch noch so viele logische Schlussfolgerungen nicht aus sich selbst heraus bewiesen werden sondern höchstens innerhalb einer umfassenderen Theorie (und deren Konsistenz wiederum nur durch eine erweiterte Theorie...). Der Traum von David Hilbert (1900), die Welt allein durch reines Denken - in der Sprache der Mathematik - zu ergründen, erweist sich als Illusion. Mathematik ist das Mittel, die Welt in vereinfachter - auf das jeweils Wesentliche reduzierte in abstrahierter Weise - zu beschreiben. Deshalb scheint es unser Schicksal zu sein, dass wir immer umfassendere Theorien benötigen und auch entwickeln können, dass wir aber dennoch einfache Fragen nicht wirklich und erst recht nicht einfach beantworten können. Eine einfache "Weltformel für alles" wird es nicht geben. Heute können wir (die) vier in der Welt wirkenden Kräfte mathematisch beschreiben und sind damit insoweit zufrieden und glauben, einiges davon "verstanden" zu haben. Ein grundlegender Mangel aller bisherigen Theorien ist, dass sie den Zahlenwert universeller Naturkonstanten wie der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum oder des Planckschen Wirkungsquantums nicht erklären können. Wir wissen nicht, ob sie wegen tiefer liegenden Ursachen genau die gemessenen Werte annehmen müssen oder ob sie zufällig bei der Entstehung der Welt so eingefroren wurden. Mit diesen Maßzahlen definiert sich letztlich die Stärke der in der Natur wirkenden Kräfte und damit auch ihrer relativen Unterschiede, welche den gewaltigen Zahlenbereich zwischen starker Kernkraft und Gravitation von 1040 umfassen (oder von 1036 zwischen Elektromagnetismus und Gravitation). Kleine Abweichungen in den Naturkonstanten hätten zu einer instabilen Welt geführt - jedenfalls zu einer, in der nicht Zeit für die Entwicklung intelligenten Lebens war. Deshalb ist auch in unserer Zeit Isaac Newton`s alte Frage immer noch nicht wirklich beantwortet, weshalb der Stein nach unten fällt und weshalb er es genau so tut wie er es tut. Bestimmt muss man aus Gödels Unvollständigkeitssätzen herauslesen, dass uns das nie in einer endgültigen Weise gelingen kann! Der Ausspruch des Sokrates "ich weiß, dass ich nicht weiß" bleibt insoweit immer aktuell wie vor 2400 Jahren. Aber die Mittel der Mathematik verleihen der Wissenschaft Flügel: Logik und Phantasie erlauben auf spekulative Weise zu errechnen, was sein könnte, wie es sein könnte, Hypothesen zu verfolgen. Bestätigen Messungen oder Experimente deren Schlussfolgerungen ist eine anzuerkennende Theorie gefunden (Positivismus), wir haben etwas mehr von der Welt "verstanden".

Erfolgreiche Theorien gehen von Axiomen (Grundannahmen) aus, die der Natur selbst abgeschaut sind. Ein bekanntes - auch überraschendes - und folgenreiches Beispiel ist die von den Messbedingungen völlig unabhängige Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, welche durch zahlreiche Experimente bestätigt ist. Uns fällt eben schwer sich vorzustellen, weshalb die Lichtgeschwindigkeit nicht zur Geschwindigkeit einer bewegten Lichtquelle addiert werden sollte. Vor dem Hintergrund dieser unerwarteten Messergebnisse entwickelte Albert Einstein mit Mitteln der Logik seine Relativitätstheorie. Ihm gelangen einige überprüfbare Aussagen, die nach Newtons Kräftemodell der Gravitation nicht zu erwarten waren (Periheldrehung der Merkurbahn, Lichtablenkung ferner Sterne in der Nähe der Sonnenmasse). In der Vergangenheit galt es als Pflicht, Aussagen einer Theorie durch Beobachtung, Messungen oder Experimente zu prüfen. Dieses Prinzip (Positivismus) ist zu Recht das Kriterium, eine Hypothese zu einer anerkannten Theorie zu erheben, "sie muss sich bewähren". Eine Theorie ist in diesem Sinne bedeutungslos, wenn sie nur Elemente enthält, die prinzipiell nicht beobachtbar sind und wenn sie keine Experimente ermöglicht, ihre Aussagen zu prüfen. Allerdings Prüfungsverfahren unserer Hypothesen zum Anfang des Universums lassen sich zunehmend schwieriger verwirklichen, sei es weil Experimente wegen des immer gewaltigeren Aufwands nicht realisierbar sind oder weil uns die Natur beobachtbare Messgrößen verweigert. Dennoch dürfen wir das Prinzip nicht verlassen. Eine Theorie sollte mindestens Gedankenexperimente ermöglichen. Eine Prüfungsmöglichkeit an der realen Natur zu finden, ist eine wichtige Aufgabe schon bei ihrer Entwicklung. Ohne diese Möglichkeit hat sie kaum größeren Wert als die schon sehr genaue mathematische Beschreibung der Bahnen der Himmelskörper im Sonnensystem durch Claudius Ptolemäus vor 1850 Jahren mit der Erde im Zentrum. Dieses geozentrische Weltmodell hätte schon damals einer kausalen Prüfung nicht standgehalten. Dennoch blieb es noch 1400 Jahre lang anerkannt, obgleich Aristarchos von Samos schon 400 Jahre zuvor ein zutreffenderes heliozentrisches Modell vorgeschlagen hatte. Positive Prüfungsergebnisse beweisen nicht die absolute Gültigkeit einer Theorie, denn es besteht das Problem der Unvollständigkeit des Prüfungsumfangs und der Prüfungsbedingungen. Sie bestätigen aber einen Gültigkeitsbereich. Findet sich eine Ausnahme von der Regel, muss nicht - um Karl Popper zu widersprechen - die Theorie insgesamt falsch sein, sondern wir erkennen eine Grenze ihres Gültigkeitsbereiches. Die gefundene Ausnahme verlangt nach dem Fortschritt, der schließlich zu einer umfassenderen Theorie mit erweitertem Gültigkeitsbereich führen kann. Das der Theorie zugrunde liegende Modell der Welt in unserem Kopf ist keine absolute Wahrheit, sondern so gut wie es zur Beschreibung der Welt taugt.

Wie in unserem Bild ist es eine alte Sehnsucht des Menschen, hinter die "Kulisse" des Universums zu schauen. Zwar wissen wir heute genauer von der Unmöglichkeit, "die Hand oder den Kopf" über gewisse Grenzen (vgl. Annäherung an Raum und Zeit) stecken zu können, aber Gedanken sind erstaunlich frei, warten darauf gedacht zu werden. Die Natur hält eine unbegrenzte Anzahl von Mysterien für uns bereit - noch nicht erklärbare und noch nicht einmal als solche erkannte. Die gewaltige Zahl unserer Neuronen im Gehirn wird uns helfen, manchen Schleier zu lüften mit einem wichtigen Helfer: der Phantasie. Phantasie allein - ohne strengen Test an der Realität der Natur - führt regelmäßig eher zu Irrglauben. Viele überlieferte Vorstellungen in den verschiedenen Weltreligionen und der Philosophie belegen, dass Erklärungsversuche weit entfernt von jeder Wahrheit angesiedelt sein können, Objekt von Spekulationen.

Zweifel sind erwünscht und die Freiheit des Denkens kann eine Stagnation überwinden helfen. Lassen wir kein Dogma zu, das die Entwicklung blockiert - auch nicht in den Religionen, vielmehr müssen auch dort Zweifel zulässig sein. Die schlimmsten Zeiten wurden von Menschen verursacht, die fanatisch und unbeirrbar an etwas glaubten, das nach ihrem Streben die ganze Welt übernehmen sollte! Richard Feynman sagte es so: "Man muss die Tür zum Unbekannten angelehnt lassen". Etwas (noch) nicht zu verstehen, ist durchaus wissenschaftlich.

Ratlosigkeit stellt sich ein, wenn wir nach der Erkennbarkeit von Anfang und Ende des Universums fragen. Noch vor 100 Jahren war die Vorstellung Isaac Newtons allgemein anerkannt, alles im Universum bewegt sich, es selbst ist räumlich und zeitlich unendlich. Schon 1826 hatte Heinrich Olbers erkannt, dass es so nicht sein konnte. Der Nachthimmel wäre sonst taghell, da sich das Licht vieler Sterne summieren würde. Selbst kosmischer Staub würde kein Hindernis sein, denn er würde sich in ein Strahlungsgleichgewicht aufheizen. Es dauerte noch ein Jahrhundert und begann mit Beobachtungen von Vesto Slipher in Flagstaff (Arizona, 1912 bis 1914 im später nach dem Gründer Lowell benannten Observatorium). Er untersuchte Spektren des Lichts von "Nebeln" und fand Verschiebungen charakteristischer Spektrallinien meist zu längeren Wellenlängen (zur roten Farbe hin), selten zu kürzeren (Blauverschiebung beispielsweise beim Andromedanebel M 31). Edwin Hubble hatte später diese "Nebel" mit Hilfe des großen 2,5m-Hooker-Teleskops auf dem Mount Wilson als Galaxien identifiziert und systematisch die Verschiebungen in ihrem Spektrum gemessen. Er bewies damit, dass das Universum expandiert, letztlich dass es räumlich endlich ist und eine begrenzte Vergangenheit seit einem "Urknall" hat. Alle mehr als 1 Milliarde Lichtjahre entfernten Galaxien zeigen eine Rotverschiebung in ihrem Spektrum, um so stärker, je weiter sie entfernt sind. Nach dem von Carl Wirtz und ihm formulierten "Hubbleschen Gesetz" wächst die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien wie ihre Entfernung. Diese Rotverschiebung erklärte man sich mit folgender Überlegung: Als das beobachtete Licht vor mehreren Milliarden Jahren abgesendet wurde, war das Universum noch kleiner und seine Massendichte größer als heute. Auf seinem Weg zu unserm Universum geringer Dichte musste das Photon gegen die Wirkung des Gravitationsfeldes "arbeiten" und bei dieser Bergtour nach oben in das jetzige schwächere Gravitationsfeld Energie aufwenden. Dieser Energieaufwand drückt sich in der Verlängerung seiner Wellenlänge aus. Dieser Effekt der Gravitations-Rotverschiebung tritt auch in der Nähe supermassiver Schwarzer Löcher wie im Zentrum unserer Galaxis auf. Heute drücken wir diese Tatsache so aus:

Das Universum dehnt sich seit dem Urknall aus, speziell der Raum zwischen den Galaxienhaufen wird gedehnt. Die Aufweitung des Raums dehnt auch jede Lichtwelle auf ihrem Weg zu uns, was identisch ist mit einer größeren Wellenlänge und der Verschiebung nach rot. Du oder ich, die Erde oder das Sonnensystem dehnen sich nicht aus, die mittlere Massendichte ändern sich lokal nicht. Die Gravitationskraft dominiert in diesem Skalenbereich.

Schon 1922 hatte Alexander Friedmann ein expandierendes Weltmodell als Lösung der Einstein-Gleichungen vorgeschlagen. Nach den später von Hubble beobachteten Tatsachen haben wir uns an eine Welt gewöhnen müssen, die einen Anfang von Raum und Zeit mit dem "Urknall" hat. Seinen Zeitpunkt können wir aus der Beobachtung ferner Galaxien nicht sehr präzise benennen, was mit Unsicherheiten in der Bestimmung der Entfernung weit entfernter Objekte zu tun hat. Gegenwärtig berechnet man mit unterschiedlichen Methoden das Alter der Welt mit 13,8 Milliarden Jahren. Jedenfalls an der Größenordnung von knapp 14 Milliarden Jahren besteht kein Zweifel. Wir wissen nun, dass unser Universum nicht ewig existiert hat, dass Licht und jede andere elektromagnetische Strahlung nur so viel Zeit hatte zu uns zu kommen, wir also gegenwärtig auch nur maximal so weit in die Vergangenheit sehen können. Nach dieser Vorstellung könnte die Anzahl der Sterne endlich sein und ihr Licht kann sich erstmals 200 Millionen Jahre nach dem Urknall "entzündet" haben. Hinter dem sichtbaren "Horizont" könnten noch weitere Sterne existieren, ihr Licht jedoch konnte uns nicht erreichen. Und schließlich wissen wir, dass Lichtstrahlen hin zu großen Massen gekrümmt werden, also besonders in der Frühphase des Universums in der Nähe von Massenkonzentrationen und in der Nähe Schwarzer Löcher nicht geradlinig verlaufen können. Die fernsten Galaxien - die ältesten von uns aus sichtbaren - sind überall am Himmel man könnte meinen gleichförmig verteilt (genauer siehe "über Raum und Zeit").

Wie stellen wir uns den Anfang unseres Universums und damit von Raum und Zeit vor? Das Bild links zeigt am Beispiel einer Explosion, was der Urknall nicht ist: Beim Urknall expandiert der Raum ins Nichts, es werden keine Teilchen in ein vorhandenes Medium geschleudert und darin abgebremst: Es hat nicht geknallt. Raum und Zeit haben einen Anfang, unsere Welt hat sich vielleicht in eine für uns nicht vorstellbare 4. Dimension ausgedehnt und im Gleichklang damit auch unsere 3 Raum-Dimensionen. Wir schauen uns den Urknall heute sozusagen in einer Innenansicht an. Könnte man sich ihm in der Retrospektive beliebig annähern, bliebe schließlich die Zeit stehen. Es gab kein davor und unsere kausale Art zu denken versagt: Eine Ursache für sein Auftreten ohne Zeit kann es nicht geben. In unserer 3-dimensionalen Sicht auf die Vergangenheit unserer Welt ist er nicht an einem bestimmten Ort geschehen, er war überall gleichzeitig. Unsere Vorstellungen vom Beginn - vor allem innerhalb der ersten Minute - sind sehr spekulativ, hypothetisch (Urknall-Hypthese). Es herrscht gegenwärtig die Meinung vor, die Expansion des Universums immer weiter zurück zu verfolgen, bis man anfangs zu einem Zustand extremer Energiedichte auf einem Raum schließlich viel kleiner als ein Atom gelangt, was bisher allerdings nicht bewiesen ist (vormaterielle Frühphase). Es ist deshalb die erstaunliche Tatsache festzustellen, dass sich die Physik der Elementarteilchen mit der vom gewaltigen Universum trifft, wenn wir nach dem Ursprung suchen. Die Heisenbergsche Unschärfe in der Frühphase könnte als Ursache für geringe Schwankungen der Energiedichte betrachtet werden und das spiegelt sich nun in den gewaltigen Dimensionen der Filamente im Universum wider, in denen sich nun die Galaxien aufgereiht und von Dunkler Materie angezogen versammelt haben. Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie haben spezielle Lösungen mit einer Singularität bei verschwindendem Raum und unendlicher Energiedichte. Albert Einstein nahm nicht an, dass diese Lösungen die Wirklichkeit widerspiegeln. Singularitäten zeigen vielmehr an, dass der Gültigkeitsbereich einer Theorie verlassen wurde. Die String-Theorie versucht heute diese Singularität als Spaghetti-Ball, als Ball aus verknäuelten Strings zu umgehen. Allerdings geht es nicht nur darum, Singularitäten zu vermeiden. Die Geometrie eines kollabierten Raums beim Urknall oder im Zentrum eines Schwarzen Lochs ist sehr verschieden von der des expandierenden Universums heute. Und doch muss eine neue Quantentheorie der Gravitation beides umfassen. Theoretische Physiker - wie Stephen Hawking - spekulieren, die gewaltige Menge an Masse und Energie im Universum könnte vom Raum ausgeliehen sein, der dementsprechend eine negative Energie aufweisen sollte, so dass sich insgesamt eine Energiesumme NULL ergibt. Die Welt wäre aus dem Nichts, sozusagen umsonst entstanden.

Bei kleinen Dimensionen ist die Quantentheorie mitbestimmend, insbesondere wären also Energie E und Zeit t nicht gleichzeitig genau definiert. Heisenbergs Unbestimmtheitsbeziehung (ΔE Δt = h/4π) zwingt uns zu unerwarteten Schlussfolgerungen. Sie ergibt für einen exakten Zeitpunkt (also mit einer verschwindenden Unbestimmtheit der Zeit, Δt = 0 ) einen sehr unbestimmten Energiezustand (weil ΔE = h/4πΔt = h/0 dann groß wird). Für eine winzige Zeit darf der Energieerhaltungssatz verletzt werden und Energiefluktuationen sind erlaubt, die wir in unserer makroskopischen Welt mit einer messbaren Beobachtungszeit nicht finden. Es darf deshalb spekuliert werden, das Universum könnte sich aus einer zufälligen Energie-Fluktuation im "Vakuum" gebildet haben. Man setzt dann implizit voraus, die Regeln der Quantentheorie galten schon vor dem Urknall also vor Beginn unserer Zeit und es existierte schon ein Raum, was durchaus sinnvoll erscheint. Man erhebt damit die Quantentheorie zu höchster Priorität grundlegender als alle anderen Theorien: Vor der Quantenfluktuation, die unser Universum aus dem NICHTS schuf, gab es unsere Zeit nicht, doch das Vakuum konnte beliebig lange existiert haben oder auch andere Quantenfluktuationen konnten andere Universen erzeugt haben - gegebenenfalls instabile - in einem für uns unzugänglichen Multiversum könnten auch stabile existieren, in denen andere Naturkonstanten gelten oder die aus Antimaterie bestehen. In dem Fall wäre das "Schwache Anthropische Prinzip" von entscheidender Bedeutung: Wir sehen unser Universum - also das in dem wir leben - so wie es ist nur deshalb so, weil gerade mit seinen Parametern der Mensch als intelligentes Wesen sich entwickeln konnte. Und es ist bemerkenswert, wie genau passend verschiedene Naturkonstanten aufeinander abgestimmt sind. Andere denkbare Universen - die vielleicht auch parallel existieren - könnten eine zu kurze Lebensdauer für unsere Evolution vor ihrem Endkollaps haben oder würden so rasch expandieren, dass sich kein Gas zu Sternen zusammenballen und damit auch kein Planet als Heimat entstehen könnte. Das sogenannte "flache Universum" mit euklidischer Geometrie (Dreiecke haben die Winkelsumme 180°) bietet dafür die besten Voraussetzungen. Allein dass wir existieren ist schon ein Argument für ein flaches Universum.

Ungewohnte Folgen ergeben sich aus der Unbestimmtheitsbeziehung auch, etwa dass die Energie nicht einen völlig exakten Wert NULL annehmen kann: Mehrere Teilchen können nicht ganz bewegungslos sein, eben weil ihre Bewegungsenergie nicht exakt 0 sein darf. Auch im kältesten Vakuum kann "Wärmestrahlung" nicht völlig verschwinden und sich keine Temperatur von genau 0K einstellen (Vakuumenergie). Für eine sehr kurze Zeit - beispielsweise 10-21s - können deswegen  "virtuelle Teilchenpaare" aus dem NICHTS entstehen und wieder verschwinden. Die reale Existenz virtueller Teilchen ist durch Messungen von Willis Lamb (Lamb-Shift) und auch nach der Idee von Hendrick Casimir benannten Casimir-Effekt (technisch realisiert ab 1997) experimentell bestätigt worden. Unser gewaltiges Universum kann sich als Quantenfluktuation aus dem NICHTS gebildet haben - mit extrem kleiner Wahrscheinlichkeit aber doch da eine Ewigkeit dafür zur Verfügung stand, denn im Quantenvakuum gibt es keinen Zeitpfeil, der einen Zeitablauf zur Folge hätte. Folgen wir einer Argumentation von Josef M. Gaßner, dann konnte die Energie zur Bildung des Universums aus dem Vakuum kurzzeitig entliehen werden und dieser Kredit wird zurückgezahlt, indem ein Symmetriebruch so viel Energie freigesetzt hat ausreichend für alle 1080 Teilchen aus denen das Universum in Form von "Sachwerten" nun besteht. Auf die Idee wie die inflationäre Expansion des Raums abgelaufen sein könnte soll später noch eingegangen werden.

Die Materie ist aus 4 kleinsten (< 10-18m) fundamentalen Teilchen ("Elementarteilchen") aufgebaut - Fermionen mit halbzahligem "Spin", einer Eigenschaft, die in der Quantentheorie nur bestimmte Werte annehmen kann: den Up- und Down-Quarks, den leichteren Elektronen und fast masselosen Neutrinos, deren Ruhemasse schwer zu bestimmen ist und höchstens 1/500000 des Elektrons beträgt. Nach dem Standardmodell sollte es aber masselos sein, was auf eine Lücke im Modell hinweist. Bei den Quarks können wir im Moment noch nicht absolut sicher sein, ob sie aus noch elementareren Teilchen aufgebaut sein könnten. Neben der Masse unterscheidet diese Teilchen auch ihre Ladung: Das Elektron hat eine negative "Elementarladung" -1, das Up-Quark +2/3, das Down-Quark -1/3, Neutrinos sind ohne Ladung. Entsprechend ihrer unterschiedlichen Masse werden die Elementarteilchen in schwere Baryonen und leichte Leptonen unterteilt. Der "Stoff", aus der unsere Umgebung und wir selbst bestehen, sind ausschließlich diese beiden Quarks und Elektronen. Man schätzt, das Universum beherberge etwa 1080 Baryonen und Elektronen. Allen Fermionen eigen ist eine quantenphysikalische Eigenschaft als Folge des Pauli-Prinzips: Sie beanspruchen einen Quantenzustand für sich allein, wehren eine Annäherung eines Teilchens im gleichen Zustand mit ihrem Fermi-Druck ab, sie beanspruchen sozusagen ein Volumen im Raum für sich, können sich nicht beliebig annähern.

 Zwischen Quarks herrscht eine stark anziehende Kraft (starke Kernkraft). Diese - durch "Gluonen" vermittelte - starke Bindungskraft wächst mit wachsendem Abstand zwischen den Teilchen an, weswegen Quarks immer in Verbänden versammelt sind. Versucht man sie mit Stoßexperimenten in Teilchenbeschleunigern zu trennen, muss so viel Energie zugeführt werden, dass aus der Stoß-Energie sofort zusätzliche Quarkverbände entstehen und kein einzelnes Quark allein dauerhaft übrig bleibt ("Confinement"). Wir können deshalb nur "farbneutrale" 2er oder 3er - Verbände von Quarks als stabile Zustände beobachten. Man spekuliert, dass bei extrem hoher Temperatur Quarks einzeln auftreten könnten (Quark-Gluonplasma). Ein Dreierverband erscheint entweder als Proton (zwei Up- und ein Down-Quark) oder Neutron (zwei Down- und ein Up-Quark). Diese beiden bilden die Kernbestandteile aller Atome unserer Welt und treten auch einzeln auf. Der Atomkern des leichtesten Elements Wasserstoff besteht aus einem stabilen Proton (10-15m klein). Bei Stoßexperimenten - die uns sozusagen als Mikroskop für kleinste Maßstäbe dienen - beobachtet man weitere fundamentale Teilchen. Insgesamt sind 2 weitere Familien mit jeweils 4 schwereren und weniger stabilen Teilchen identifiziert worden, nämlich insgesamt weitere 4 Quarks, ein Myon und ein Tauon sowie 3 Neutrinos. Dieser Teilchenzoo aus 12 Teilchen wird noch um symmetrische Antiteilchen erweitert, die entgegen gesetzte Ladungen tragen. Aus Kombinationen dieser Teilchen können alle anderen Teilchen und speziell aus den drei zuerst genannten alle Atome und Moleküle unserer Welt gebildet werden. Inwieweit  Antiteilchen vollständig symmetrische Eigenschaften (hinsichtlich CP-Symmetrie oder ihrer Gravitationswirkung) besitzen, wissen wir noch nicht ganz genau. Experimente zur Untersuchung von Eigenschaften der Antimaterie sind deshalb zum Verständnis unserer Welt von grundsätzlichem Interesse. Fragen kann man etwa ziehen sich (elektrisch neutrale) Materie und Antimaterie oder Antimaterie und Antimaterie mit exakt der gleichen Maßzahl an wie wir Massenanziehung von Materie her kennen oder treten Unterschiede auf, im Extremfall Abstoßung? Noch sind Fragen offen, etwa welche Teilchen aus 4 Quarks entstehen könnten. Unter unseren Umgebungsbedingungen bleiben bestimmte physikalische Größen stabil. Dazu gehören die Erhaltung der Energie und der Anzahl von Baryonen und Leptonen: zwar können sich verschiedene Baryonen ineinander verwandeln doch unsere Welt erweist sich als außerordentlich stabil! Mindestens das Verhältnis zwischen Baryonen und Leptonen wird als "Erhaltungsgröße" angesehen. Dieses Grundgesetz könnte für extreme Situationen vielleicht aufgeweicht sein: Bei extrem hoher Energie- und Massendichte, wie wir beim Fall in ein Schwarzes Loch oder beim Urknall annehmen, verändern sich möglicherweise die Baryonen- und Leptonenzahl, vielleicht aber im letztlichen Ergebnis nicht ihre Differenz.

Elementarteilchen können mit Kräften aufeinander einwirken, sich über den Raum hinweg gegenseitig beeinflussen. Bisher sind 4 grundlegend verschiedene Kräfte in der Natur bekannt: 1. die starke Wechselwirkung (diese starke Kernkraft hat eine kurze Reichweite von 10-14m), 2. die schwache Wechselwirkung (die schwache Kernkraft wirkt noch kürzer nur bis maximal 10-18m und verglichen mit der starken Kernkraft ist sie viel schwächer, 10-13) und 3. der Elektromagnetismus (wirkt mit 10-2 der starken Kernkraft) sowie 4. die Gravitation (beide wirken beliebig weit und die Gravitation als schwächste Kraft wirkt mit nur 10-38 der starken Kernkraft). Man kann spekulieren ob in Extrembereichen, die uns schwer zugänglich sind, noch unbekannte Kraftwirkungen existieren etwa bei kleinsten Entfernungen und extrem hoher Energiedichte oder riesigen Entfernungen und kleinsten Wirkungen. Bisher fehlen dazu belastbare Messergebnisse und eindeutige Hinweise. Im Bereich der Elementarteilchen - also der Quantentheorien - stellt man sich die Fernwirkungen mit zusätzlichen Kraft-Austauschteilchen (Eichbosonen) vor. Tatsächlich existieren Bosonen als Teilchen real und sind in Stoßexperimenten sichtbar. Da Kraftwirkungen mit Energieaustausch verbunden sind, lassen sich die Austauschteilchen auch als Energiequanten der betreffenden Wechselwirkung interpretieren. Von ihnen gibt es je Typ der genannten Kraftwirkungen eine zugehörige Gruppe von Austauschteilchen: 1. acht Gluonen, 2. zwei W-und ein Z-Teilchen und 3. das Photon. Nach dem 4. Typ -dem Graviton für die Gravitation- wird noch gesucht. Diese Bose-Austauschteilchen kennen keinen Fermi-Druck, benötigen kein Raumvolumen. Solche, die eine Ladung tragen, können auch miteinander wechselwirken. Die Ruhemasse der Kraftteilchen steht im Zusammenhang zu ihrer Reichweite: Schwere Kraftteilchen vermitteln Wirkungen über kleinste Entfernungen (wenige 10-18m), die Reichweite der Gluonen und ganz besonders der beiden W- und des Z-Teilchen bleibt wegen ihrer großen Ruhemasse deshalb auf den Atomkern beschränkt, Teilchen ohne Ruhemasse wie das Photon - vielleicht auch das hypothetische Graviton - wirken dagegen unbegrenzt weit (auch im Weltraum). Eine bemerkenswerte Tatsache muss erwähnt werden: Unsere "baryonische Materie" besteht wie gesagt aus Dreiergruppen von Quarks, die man ja Protonen oder Neutronen nennt, aus denen alle Atomkerne bestehen. Die leichten Leptonen wie das Elektron tragen zur Masse des Atoms wenig bei. Man schätzt, dass auch die Masse der 3 Quarks - aus denen ein Proton besteht - nur 2% der des Protons ausmachen! Damit bestehen 98% der Masse eines Protons oder Neutrons aus Wechselwirkungsenergie der Quarks unter der Wirkung der starken Kernkraft. Unsere Welt ist nur scheinbar in Ruhe, alles bewegt sich und Bewegungsenergie erzeugt unsere "stabile" Welt. In den Atomkernen, Protonen und Neutronen wimmelt es nur so von Prozessen, Quarkpaare entstehen und lösen sich auf, virtuelle Gluonen kommen und gehen, mit je höherer Auflösung man hineinschaut, desto turbulenter geht es zu. Seit Rutherford's Stoßexperimenten werden Teilchen immer höherer Energie und entsprechend kleinerer Wellenlänge verwendet, die immer höhere Auflösung ermöglichen.

Die Materie-Teilchen (Fermionen) verhalten sich unterschiedlich unter der Wirkung der auf sie wirkenden Kräfte. Quarks nehmen an allen Arten von Wechselwirkungen teil, tauschen unserer Vorstellung nach alle Arten von Austauschteilchen aus. Leptonen spüren die starke Kernkraft nicht (tauschen keine Gluonen aus), die ungeladenen von ihnen zusätzlich auch nicht die elektromagnetische Kraft (tauschen keine Gluonen und Photonen aus, nur W- und Z-Teilchen). Neutrinos können deshalb nur durch die schwache Kraft und die Gravitation beeinflusst werden. Das noch gesuchte Graviton wird sich besonders schwer finden lassen, denn die Gravitation ist um eine riesige Zahl von Dezimalen schwächer als alle anderen Kraftwirkungen und die Ruhemasse des Gravitons müsste bei seiner großen Reichweite der Gravitation 0 sein. Spürbare Massenanziehung ist immer mit großen Massen verbunden und die Ausbildung von Gravitationswellen (zum Energieaustausch) setzt deren rasche (etwa innerhalb von wenigen Sekunden) oder große Bewegung im Raum voraus. Chancen zu deren Nachweis bestehen in der Nähe einer Supernova oder eines Pulsars in einem Doppelsternsystem. Lange gab es nur indirekte Hinweise auf Wirkungen von Gravitationswellen. Zwei einander umkreisende Neutronensterne (der Pulsar PSR 1913 und 16) oder Schwarze Löcher (im Quasar OJ 287) nähern sich - die Umlauffrequenz erhöht sich, da Gravitationswellen Energie abstrahlen. Bei der Verschmelzung zweier massiver Schwarzer Löcher im Zentrum einer Galaxie verleihen die möglicherweise bevorzugt in einer Richtung abgestrahlten Gravitationswellen dem Gebilde einen Rückstoß, der an der Doppler-Verschiebung im Spektrum der umgebenden Akkretionscheibe erkannt werden kann. Das aus dem Galaxienkern driftende Schwarze Loch befindet sich irgendwann im intergalaktischen Raum. Mit der extrem verbesserte Empfindlichkeit der Messeinrichtung (LIGO) ist am 14. Sept. 2015 erstmalig der direkte Nachweis von Gravitationswellen in Hanford und in Livingston (USA) gelungen. 200ms lang wurden Schwingungen des Raums in den Detektoren erfasst. Sie rührten von einem Ereignis (GW150914) her, bei dem vor 1,3 Milliarden Jahren sich 2 einander umkreisende Schwarze Löcher von 36 bzw. 29 Sonnenmassen zu einem größeren von 62 Sonnenmassen vereinigt haben. Eine gewaltige Energie von 3 Sonnenmassen muss so in wenigen Sekunden abgestrahlt worden sein. Inzwischen wurden weitere Ereignisse registriert, jeweils Vereinigungen von 2 Schwarzen Löchern und auch von 2 Neutronensternen. Je empfindlicher das Nachweissystem arbeitet, desto weiter entfernte Ereignisse können registriert werden. Und damit wächst auch die Zahl der registrierten Ereignisse - nun schon fast in jeder Woche. Gravitationswellen eröffnen ein neues Beobachtungsfenster in der Astrophysik. Am 21. Mai 2019 wurde ein Ereignis erfasst, nur 1/10 s lang mit einer niedrigen Frequenz bis 60Hz. GW190521 scheint eine Vereinigung von 2 Schwarzen Löchern gewesen zu sein mit 85 und 65 Sonnenmassen in der gewaltigen Entfernung von 7 Milliarden Lichtjahren.

Die Summe aller Kraftwirkungen bestimmt die Stabilität des jeweiligen Materiezustands - bei Atomkernen wirken z.B. die starke, die schwache und elektromagnetische Kraft, die Gravitation ist wegen ihrer Schwäche zu vernachlässigen. Alle Kraftwirkungen nehmen beginnend in irgendeiner Entfernung ab, selbst wenn sie mit wachsendem Abstand zunächst zugenommen haben - abhängig von der Masse der zugehörigen Kraftteilchen. In Wechselwirkung befindliche Fermionen vermeiden im Unterschied zu Bosonen gleiche Quantenzustände. Bei ihrer Annäherung zu kleinsten Abständen wirken deshalb abstoßende Kräfte, Materie will nicht beliebig dicht sein (Pauli-Prinzip). Presst man Materie immer mehr zusammen, geschieht dies stufenweise: Zunächst wird die Elektronenhülle in den Kern gedrückt. Wird der Kern - etwa bei hochenergetischen Stoßexperimenten - weiter komprimiert, entsteht letztlich ein Quark-Gluon-Plasma-See. Anders verhalten sich Bosonen (Austauschteilchen). Licht etwa könnte theoretisch beliebig verdichtet werden und aus Bosonen könnten keine Körper entstehen.

Mit unserem derzeitigen Wissen - besonders der Quantentheorie und der Relativitätstheorie - versuchen wir uns in der Zeit immer weit zurück zu einem vermeintlichen "Anfang" unseres Universums zurück zu tasten. Dabei stoßen wir gedanklich an eine definitive Grenze, an die mit unserem Wissen unzugängliche Planck-Welt. Sie liegt innerhalb der Heisenbergschen Unbestimmtheit und im Inneren des Schwarzschildradius eines Schwarzen Lochs, Grenzen die uns Informationen vorenthalten, im Sinn überprüfbarer Vorgänge mit Ursache und Wirkung, sie unterliegen sozusagen einer strengen Zensur. Jenseits bestimmter Größen wird die Welt unbestimmt, unsere bisherigen physikalischen Gesetze sagen nichts mehr aus ("Epoche der Quantengravitation"): Die Grenze wird markiert durch die Planck-Länge (<10-35m, die Mindestlänge eines Strings), die Planck-Zeit  (<10-43s, die Licht benötigt, eine Planck-Länge weit zu kommen) und die Planck Energie (>1016TeV oder >1032K). Die entspricht einer (erstaunlich großen) Planck-Masse von 2,2*10-8kg. Wenn man dieses Staubkörnchen in eine Kugel mit dem Radius der Planck-Länge pressen könnte, wäre es innerhalb seines Schwarzschildradius. Vermutlich herrschte in der Planck-Welt nur eine einzige "vereinheitlichte" Kraft eingeschmolzen in ein Meer aus "Dunkler Energie". Wegen unserer Unkenntnis der in ihr wirkenden Prozesse können wir über einen definitiven Anfang der Welt nichts aussagen. Einsichten können wir mit den leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigern nicht gewinnen, weil die erforderliche Energiedichte viel zu groß wäre, so gewaltig, dass wir sie auch mit allen uns verfügbaren Energiequellen in der Zukunft nicht erreichen können. Im LHC (large hadron collider) im Forschungszentrum CERN können zwei Protonen beim Zusammenstoß maximal 14TeV Energie umsetzen, sehr viel und zugleich um die gewaltige Zahl von 15 Dezimalen geringer als die Planck-Energie. Spekulationen nach könnten bei 12 Dezimalen höherer Energiedichte alle Kräfte der Natur identisch wirksam sein, die große Vereinheitlichung also eintreten. Die Neugier des Menschen wird beim LHC nicht stehen bleiben. Mit Linearbeschleunigern könnten noch größere Energiedichten bei Stoßexperimenten erreicht werden und damit auch kleinere Strukturen als bisher aufgelöst werden (etwa beim Projekt CLIC, compact linear collider oder der neu erdachten Beschleunigertechnik AWAKE). Die Natur hat uns offenbar dennoch wenig Chancen gelassen, ihr durch Experimente und Messung bestimmte Geheimnisse zu entreißen. Aus dem Blickwinkel unserer Welt scheinen Objekte kleiner oder im Bereich der Planck-Länge unerreichbar zu sein. Ereignisse bis in die Nähe der Planck-Grenzwerte sollten mit uns bekannten Gesetzen der Physik dagegen beschrieben werden können. Dies bedeutet auch, Hilfsgrößen wie Raum und Zeit in der uns geläufigen Bedeutung sollten für größere Objekte und zughörige Abläufe in der Natur immer und überall anwendbar sein. Offen ist, inwieweit die Natur der Gravitation entschlüsselt werden kann. Alle Bemühungen waren bisher vergeblich, die Allgemeine Relativitätstheorie - die uns manche Seite der Gravitation verstehen lässt - vollkommen mit der Quantentheorie zu verbinden, die uns als Schlüssel zum Verständnis aller anderen Naturkräfte dient. Es klafft eine Lücke zwischen dem Verständnis unserer Welt in großen und den kleinen Dimensionen, die die Quantentheorie beschreibt. Neutronensterne und Schwarze Löcher sind ideale Objekte, bei denen Gravitation und Quanteneffekte zusammenspielen. Leider oder zum Glück sind solche Objekte weit von uns entfernt und nicht leicht zu analysieren. Um neue Ansatzpunkte für die Theorie zu finden, wird deshalb auch nach Laborexperimenten gesucht. Die müssen das Kunststück vollbringen, einerseits genug Materie zu umfassen, damit deren schwache Gravitationswirkung messbar ist und andererseits noch Quanteneffekte zeigen, die mit wachsender Masse immer winziger werden. Die Erforschung der Gravitation erweist sich als schwierig eben wegen ihrer kleinen Wirkung. Bei kleinen (kleiner als 1μm) und großen Abständen (größer als einige 100 Lichtjahre) wissen wir zu wenig über sie. Und bestimmte Eigenschaften der Gravitation erscheinen uns merkwürdig, etwa dass hypothetische Gravitonen - die nach unserer Vorstellung Lichtgeschwindigkeit aufweisen sollten - anscheinend ein Schwarzes Loch verlassen können oder dass Gravitation nicht durch dazwischen befindliche Massen abgeschirmt werden kann. Da Gravitonen bisher nicht nachgewiesen werden konnten, wird es interessant sein herauszufinden, ob die Annahme von Zvi Bern weiter führen kann: Er beschreibt sie als Paare von Gluonen.

Verschiedene vorgeschlagene Hypothesen über die Entstehung des Universums liefern hypothetische Szenarien seiner Entwicklung nach der Planck-Zeit. Aus dem Energie-Meer, in dem alle in unserer Zeit wirksamen Naturkräfte noch vereinheitlicht waren, trennt sich zuerst die gravitative Kraft ab. Die Raum-Zeit entstand und der größte Teil der Energie bildete die Dunkle Energie. Sie nehmen wir an als Ursache für die seit 5 Milliarden Jahren sich wieder beschleunigende Ausdehnung des Alls. Die Natur der Dunklen Energie ist mysteriös, vielleicht ist sie eine innere Eigenschaft des Raums oder eines extrem schwachen allgegenwärtigen unterlegten "Feldes" und sie wirkt in der gegenwärtigen Entwicklungsetappe des Universums nur in sehr großen Maßstäben. Sie erzeugt eine sehr schwache Kraft bezogen auf ein Raumelement, doch da das Universum heute aus riesigen sehr leeren Raumbereichen (Voids) besteht, summiert sie sich zur nun im Universum bestimmenden Kraft. Die spekulative Annahme ihrer Existenz ist bislang reine Theorie und sie schützt sozusagen unser derzeitiges vereinfachtes Modell vom Universum, kaschiert zugleich unser Unwissen über seine hauptsächlichen Bestandteile, oder unser ungenügendes Verständnis der Gravitation. Es könnte sich herausstellen, dass aktuelle Gravitationstheorien - wie die Allgemeine Relativitätstheorie - nicht in großen Maßstäben exakt gelten. Wenn wir einer Spekulation von Dragan Hajdukovic folgen wollen, könnte die Expansion des Universums das Resultat einer abstoßenden Kraft zwischen Teilchen aus Materie und Antimaterie sein. Virtuelle Paare von Materie und Antimaterie-Teilchen bilden sich ja im Vakuum ständig auch in den großen Leerräumen (voids) zwischen den Galaxien. Die gravitative Anziehung zwischen Materie-Teilchen untereinander wäre auf Galaxien begrenzt, die abstoßende Wirkung zwischen Materie und Antimaterie dagegen könnte in den Leeräumen zwischen den Galaxienhaufen überwiegen. Bislang fehlt der experimentelle Nachweis einer Antigravitation zwischen Materie und Antimaterie.

Danach existierte in einer Zeit bis 10-35s ein immer noch materieloser hochsymmetrischer Zustand "reiner Energie" - in dem elementare Wechselwirkungen und Kräfte vereinheitlicht waren (Epoche der "großen Vereinheitlichungs-Theorien" oder Grand Unified Theories, GUT). Der thermodynamische Ausgleich von möglichen Energiedichte- und Temperaturunterschieden muss perfekt möglich gewesen sein, denn die jetzt beobachtete kosmische Hintergrundstrahlung ist in allen Himmelsrichtungen - in der Ebene der Milchstraße und um weitere Einflüsse korrigiert - extrem gleich (winzige Temperaturunterschiede betragen nur 0,2mK). Wahrscheinlich außer der Gravitation sollen in diesem Zustand hoher Energiedichte alle uns derzeit bekannten grundlegenden Kräfte - die starke Kernkraft und die elektroschwachen Kräfte - vereint gewesen sein. Einer Hypothese nach könnte in diesem symmetrischen Zustand schon ein skalares Hintergrundfeld und als Kennzeichen der Anregungszustände dieses "Feldes" ein Teilchen(typ) existiert haben: das Higgs-Boson. Stellt man sich Energie als Welle vor, dehnt sich mit der Expansion des Raums die Wellenlänge oder - was gleichbedeutend damit ist - die Temperatur nimmt ab. Bei kritischen Temperaturen trat danach jeweils vergleichbar einem Phasenübergang (wie Wasser zu Eis) eine Brechung der Symmetrie auf, indem sich schrittweise Kräfte aus der einheitlichen Welt verabschiedeten und spezifisch zu wirken begannen. Die Zustände niedrigerer Energie(dichte) sind jeweils unsymmetrischer. Ab 10-44s hatte sich schon die Gravitation abgekoppelt, 10-35s später - bei der Temperatur von 1028K - begann sich die starke Kernkraft abzukoppeln. Mit fallender Temperatur konnte sich Energie in Materie umwandeln zunächst in Form grundlegender Bausteine, den Quarks. In der "Quark-Epoche"(bis 10-7s), entstand möglicherweise ein Meer aus uns noch nicht bekannten Teilchen der Dunklen Materie. Quarks und Gluonen bildeten ein Quark-Gluonen-Plasma. Später bleiben auch leichte Teilchen wie Elektronen und Neutrinos stabil ("elektroschwache Epoche"). Diese Prozesse waren kurzzeitig umkehrbar, ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Energie und Materie bestand jeweils für eine winzige Zeit. Nach 10-11s - es herrschte noch eine Temperatur von 1015K - trennte sich in einer weiteren Symmetriebrechung die elektromagnetische von der schwachen Wechselwirkung - die die kürzeste bekannte Reichweite hat und auch für die Instabilität radioaktiver Atomkerne und der freien Neutronen zuständig ist. Energiedichten dieser Größe können in Teilchenbeschleunigern schon erzeugt werden, so dass dieser Prozess experimentell gut untersucht ist und die Begründung zu der spekulativen Extrapolation liefert, die zuvor abgelaufenen Symmetriebrechungen sollten diesem Muster entsprechen. Hintergrund dafür ist, dass mit wachsender Energie sich die elektromagnetische Kraft der schwachen Kernkraft annähert und ihr bei  1011eV gleicht. Die Wirkung der starken Kraft würde danach bei einer Energie von 1025eV erreicht werden. Die Gravitation ist jedoch so schwach, dass sie erst bei Energien um 1028eV die Stärke der anderen Kräfte erreichen könnte, und dann mit der "großen Vereinheitlichung" zu rechnen wäre. Zwischen dem, was heute überprüft werden kann, und der noch notwendigen Extrapolation nach höheren Energien liegen gewaltige 17 Dezimalen, ein sehr unbefriedigender Zustand für die Überprüfbarkeit einer Theorie. Und dies ist die Ursache für viel unbewiesene Spekulationen über die Vorgänge in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall.

Weiter im angenommenen Ablauf schließen sich Quarks und Gluonen von 10-4s bis 1s im heißen Quark-Gluon-Plasma (1013K) zu Protonen (p) zusammen und werden in diese eingesperrt (Confinement). Durch Elektroneneinfang bildet sich aus Protonen die gleiche Anzahl Neutronen (n). Die baryonische Materie - aus der wir ja selbst bestehen - war damit entstanden. Innerhalb der Protonen und Neutronen laufen weiterhin heftige Wechselwirkungen der Quarks untereinander vermittelt durch Gluonen ab und erzeugen - wie wir schon festgestellt haben - den Hauptanteil ihrer Masse. Protonen bleiben mit fortschreitender Abkühlung bei Temperaturen unter 1012K, Elektronen ab 1010K stabil. Aus dem Proton besteht der Atomkern des Wasserstoffs, des häufigsten Elements im Universum. Neutronen sind an allen schwereren Atomkernen beteiligt. Da ein freies Neutron etwas mehr Masse hat als ein Proton und im Mittel schon nach 15 Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino zerfällt, fehlten mit zunehmender Abkühlung bald Neutronen zur "primordialen" Fusion schwerer Kerne. Eine Brücke dafür stellt Deuterium (D=n+p=2H, schwerer Wasserstoff) dar. Das hat einem Atomkern, der erst bei Temperaturen unter 109K stabil bleibt - was einem Alter des Universums ab 3 Minuten und 40 Sekunden entspricht. Von diesem Zeitpunkt an konnten stabilere Kerne aus Deuterium durch Neutronenanlagerung gebildet werden (primordiale Fusion). In der kurzen Zeit bis alle freien Neutronen zerfallen oder verbraucht sind entstehen so Tritium, Helium-3, Helium-4, Lithium, Beryllium. Im Alter von wenigen Minuten bleiben auch leichte Teilchen wie das Elektron dauerhaft stabil.

Die schon erwähnten Neutrinos haben eine minimale Masse und sind bei ihrer Entstehung sehr schnell. Sie vertreten eine bemerkenswerte Klasse von Teilchen, die mit "unserer" baryonischen Materie extrem wenig wechselwirkt - denn sie kennen nur die schwache Wechselwirkung und die Gravitation - und könnten deshalb einige Informationen aus den ersten Sekunden des Universums bewahrt haben. In jeder Minute durchdringen 100 Millionen Neutrinos unseren Körper ohne jede Reaktion. Ihr geringer Wirkungsquerschnitt wächst mit ihrer Energie. Von der Sonne erzeugte Neutrinos (wenige MeV) durchdringen die Erde ungehindert. Anfangs war die Materiedichte beim Urknall einschließlich der Dunklen Materie jedoch so gewaltig, dass selbst Neutrinos mittels ihrer schwachen Wechselwirkung gestreut wurden. Mit wachsender Ausdehnung und geringerer Materiedichte wurde das Universum für Neutrinos jedoch schon innerhalb der ersten Sekunden durchsichtig. Seither breiten sie sich fast "geradlinig" aus. Wenn die ungelöste Aufgabe gelingt, die Feinstruktur dieser Neutrinohintergrundstrahlung zu messen, könnte sie uns vielleicht etwas über das Universum im Alter ab 0,1s verraten. Das Problem liegt darin, dass wir dafür über keine Detektoren verfügen, denn Neutrinos aus dieser Zeit sollten sich mit der Expansion des Universums inzwischen auf unter 1,9 K abgekühlt und verlangsamt haben. Die andere Materie hat sich dagegen "nur" auf 2,73 K abgekühlt, da sie später durch Elektron-Positron-Paarzerfall und primordiale Fusionsreaktionen noch gewärmt wurde. Viel schnellere Neutrinos entstehen jetzt bei Kernreaktionen: der Kernfusion in Sternen wie unserer Sonne, in Kernreaktoren, bei Reaktionen der kosmischen Strahlung in der Atmosphäre, bei Supernovaexplosionen. Wenigstens deren extrem seltene Wechselwirkung lässt sich in großen Wassertanks in Bergwerken oder in Seen - geschützt vor anderen Strahlungsquellen - und auch tief im Eis der Antarktis verfolgen (mithilfe der Tscherenkow-Strahlung von sekundären nach einem Stoß erzeugten Teilchen, vgl. "Super-Kamiokande", "IceCube"). Mit dem japanischen Kamiokande-Detektor - und auch in den USA, Europa und der SU - gelang beispielsweise der Nachweis von 29 Neutrinos der Supernova 1987A aus der 150.000 Lichtjahre entfernten Großen Magellanschen Wolke. Könnten wir Neutrinos so gut wie Photonen detektieren, wäre uns ein Blick ins Herz unserer Sonne vergönnt. Wir könnten ihre Kernfusion im Zentrum mit wenigen Minuten Verzögerung beobachten. Für Photonen ist ihr Plasma undurchlässig wie wir es auch für die ersten 300.000 Jahre das junge Universum annehmen. Ein Photon benötigt für seine Reise vom Mittelpunkt der Sonne bis zu uns wegen der vielfachen Streuung an Elektronen im Plasma einige 1000 Jahre.

Ein anderer Gedanke, etwas über die ersten Millisekunden des Universums erkunden zu können, verbindet sich mit der Suche nach Gravitationswellen. Sie könnten als ein Nachhall des Urknalls noch vorhanden sein. Zum Erfassen von Schwingungen des Urknalls im jetzt gewaltig ausgedehnten Weltraum ist eine extrem empfindliche Messeinrichtung nötig. Hoffnungen verbinden sich besonders mit dem Projekt des Laser-Interferometers LISA der ESA.

Theoretisch wird als Folge einer hypothetischen Supersymmetrie angenommen, dass der Teilchenzoo um supersymmetrische Partner erweitert werden könnte, doch leider bislang ohne experimentellen Nachweis. Darunter befänden sich vielleicht Kandidaten für die so genannte Dunkle Materie. Interessant wären langsame Teilchen mit viel größerer Masse als Neutrinos (Neutralinos und Gravitinos oder Axionen). Trotz der riesigen Zahl vorhandener Neutrinos (auf ein Proton kommen mehr als eine Milliarde Neutrinos) könnten die nur mit 2% zur Masse der Dunklen Materie beitragen. Denn die Ruhemasse von Neutrinos ist so gering, dass sie nicht direkt gemessen werden kann. Man kann sie jedoch indirekt abschätzen, denn die 3 verschiedenen Neutrinoarten wandeln sich ineinander um und dabei tritt eine Schwebung auf. Deren Frequenz basiert auf geringen Massenunterschieden. Unbekannte Teilchen mit größerer Ruhemasse (WIMPs, weakly interacting massive particles) hofft man in alten Bergwerken und Gebirgstunneln (in Minnesota und im Grand-Sasso-Tunnel und Frejus-Tunnel) aufzuspüren - extrem sorgsam abgeschirmt von allen anderen Strahlungsquellen. Schwingungen eines fast an den absoluten Nullpunkt gekühlten Germanium- oder Saphir-Kristalls bzw. in einem mit Xenon gefüllten Tank sollten gemessen werden können, wenn ein solches Teilchen auf einen Atomkern des Kristalls trifft. Dabei wird angenommen, es nehme an Wechselwirkungen der schwachen Kernkraft teil - also mit einem sehr kleinen Wirkungsquerschnitt - wie wir es von Neutrinos kennen. Dass Teilchen der Dunklen Materie auch bei Stößen untereinander einen extrem kleinen Wirkungsquerschnitt haben müssen, erkannte man am Durchdringsverhalten von Galaxien - um nicht von ihrem Zusammenstoß zu sprechen. Die baryonische Materie in Form des interstellaren Gases entfernt sich nach dem Stoßereignis von der anderen Galaxie weniger weit als die Dunkle Materie. Doch der Röntgen-Satellit Chandra hat Hinweise geliefert, dass ein kleiner Teil der Dunklen Materie wie ein Knäuel im Zentrum der Galaxienkollision zurückblieb. Das könnte auf eine wie auch immer geartete Wechselwirkung (einer bislang unbekannten Kraft) zwischen Dunkler Materie untereinander gedeutet werden. Falls allerdings Dunkle Materie überhaupt nur an gravitativer Wechselwirkung mit sich selbst und der baryonischen Materie teilnimmt, stehen die Chancen ihres direkten Nachweises ziemlich schlecht. Es gibt als Alternative eine Hypothese, die Dunkle Materie könnte aus Teilchen oder einer bislang nicht bekannten - also zusätzlichen - Grundkraft und einem Skalarfeld bestehen, die beim Urknall entstanden wären. Dass das Standardmodell der Elementarteilchen möglicherweise unvollständig ist und vielleicht um eine weitere Kraft (oder ein Boson) ergänzt werden müsste lassen Experimente am Fermilab nahe Chicago mit der Präzession des Spins von Myonen im Magnetfeld (gyromagnetischer Faktor) und am CERN beim Zerfall von B-Mesonen in Elektronen und Myonen vermuten. Lücken in unserem Verständnis, "was die Welt im Innersten zusammenhält" sind sichtbar und sagen etwas aus zur Unvollständigkeit unseres Weltbildes (Standardmodell der Teilchen).

Über die Natur der Dunklen Materie wird viel spekuliert. Sie könnte aus (nichtbaryonischen) Relikten der ersten Sekunde nach dem Urknall bestehen. Man sucht deshalb in verschiedenen Richtungen nach Ansatzpunkten. Etwa forscht man beim Experiment AMS-2 auf der ISS nach Ursachen für den beobachteten Überschuss an Positronen in der kosmischen Strahlung. Bei Stoßexperimenten in Teilchenbeschleunigern wird nach supersymmetrischen Teilchen gesucht. Das Fehlen von beim Stoß erzeugten Partikeln in einem Teil des Detektors könnte dabei auf ein entstandenes Teilchen der Dunklen Materie hinweisen. Am LHC des CERN-Forschungszentrums in Genf werden dazu hochenergetische Protonen (von bis zu 7 TeV/Proton) aufeinander geschossen und die zahlreich dabei entstehenden Teilchen analysiert. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr klein, nach dem Zusammenstoß von Protonen unbekannte Teilchen aus Zerfallsprodukten identifizieren zu können. Deshalb sind zahllose Wiederholungen nötig, aus riesigen Datenmengen mit (bekannten) Teilchenspuren die Nadel im Heuhaufen heraus zu fischen. Da wir keine Vorstellung von der Masse der WIMPs haben, ist die für ihre Erzeugung nötige Energie nicht bekannt. Und bisher ist ihr Nachweis noch nicht gelungen. Man verbindet mit solchen aufwändigen Experimenten auch noch andere Erwartungen - etwa könnten uns bislang noch ganz verborgene Seiten der Natur enthüllt werden, wie der Nachweis "supersymmetrischer" Teilchen oder die Existenz einer 5. Dimension, bzw. 4. Raumdimension. Mit hoher statistisch gesicherter Wahrscheinlichkeit ist ja der Nachweis des von Peter Ware Higgs postulierten ("Higgs-")Bosons gelungen. Für die Existenz dieses Teilchens mit einem Energieinhalt von 126 GeV und einer sehr kurzen Lebensdauer von nur 10-25s gibt es nun Belege. Mit ihm verbindet sich die Hoffnung, es könne die Wechselwirkung von Teilchen mit einem Hintergrundfeld vermitteln und erklären helfen, weshalb Elementarteilchen - wie Quarks und Leptonen - eine Masse haben. Aus einem solchen hochsymmetrischen Feld könnten sich während des Urknalls alle unter den jetzigen Bedingungen wirksamen Kräfte entwickelt haben. Und vielleicht bietet sich mit dem Higgs-Boson eine Angel an, nach Teilchen der Dunklen Materie fischen zu können...

Kosmologen zweifeln nicht an der Existenz von Dunkler Materie. Voneinander unabhängige Beobachtungen weisen indirekt auf sie und ihre gravitative Wirkung hin: Die gemessenen Geschwindigkeiten der Sterne und Gaswolken in Galaxien und der Galaxien in Galaxienhaufen sowie die Gestalt der Galaxien können wir uns am besten mit der Gravitationswirkung Dunkler Materie auf die sichtbaren Massen erklären. Zum anderen folgt aus der Relativitätstheorie die Ablenkung von Licht (Photonen) im starken Gravitationsfeld. Das konnte 1919 von Arthur Eddington als Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie am Rand der durch den Mond verfinsterten Sonne gemessen werden. Einstein hatte 1936 berechnet, dass wegen der Lichtablenkung eine ferne punktförmige Lichtquelle als Ring erscheinen müsste, wenn sich eine große Masse zwischen ihr und dem Beobachter befindet. Ab 1979 sind viele solche Gravitationslinseneffekte beobachtet worden. Der Winkel der Lichtablenkung ist proportional der Masse des verursachenden Objekts - etwa einer Galaxie oder eines Galaxienhaufens - und kann in diesen Fällen nicht allein mit Sternmaterie und Gaswolken sondern mit einem 10-fach höheren Anteil Dunkler Materie erklärt werden. Das Masse-Leuchtkraftverhältnis ist viel zu groß - auch wenn dabei ein großer Anteil nicht leuchtenden Gases berücksichtigt wird. Simulationsrechnungen für die Entwicklung der Strukturen im Universum nach dem Urknall errechnen mit Berücksichtigung eines großen Anteils Dunkler Materie ziemlich gut die gegenwärtige Gestalt. Diese Indizien sprechen für die Existenz der Dunklen Materie, sind allerdings kein zwingender Beweis. Man setzt ja damit voraus, die Allgemeine Relativitätstheorie bzw. das Newtonsche Gravitationsgesetz gelte unter diesen Bedingungen exakt und auch für Dunkle Materie. Man kann aber nicht völlig ausschließen, die Allgemeine Relativitätstheorie könnte eine Näherung für kosmologisch kleine Entfernungen sein, die bei großen Dimensionen ab einer Galaxie nicht mehr exakt gilt. Dann wäre eine umfassendere Gravitationstheorie nötig (dazu vielleicht interessant "Pioneer-Anomalie"). Immerhin gibt es verschiedene Messungen, die auf eine geringe Änderung der Feinstrukturkonstante hindeuten könnten (John Kelvin Webb u.a. an Absorptionslinien weit entfernten intergalaktischer Gaswolken und Steve Lamoreaux u.a. am Verhältnis der Spaltprodukte am Naturreaktor Oklo). Diese "Konstante" ist umgekehrt proportional zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Eine Veränderung solcher "Naturkonstanten" im Zeitablauf hätte große Auswirkungen auf unser Verständnis der Welt. Die als universelle Naturkonstante angesehene Lichtgeschwindigkeit im Vakuum etwa ist ja eine der Grundvoraussetzungen der Relativitätstheorie. Solche Überlegungen gewinnen besonderes Gewicht bei noch größeren kosmologischen Entfernungen ab einer Galaxie (vgl. Dunkle Energie).

Kosmologen untersuchten die Konzentration Dunkler Materie nach einer abgelaufenen Galaxienkollision. Dabei glauben sie Hinweise gefunden zu haben auf eine bislang unbekannte Wechselwirkung der Teilchen der Dunklen Materie untereinander. Dies würde anders ausgedrückt auf eine bisher noch nicht bekannte Kraft hinweisen. Da Dunkle Materie im Universum überwiegt, ergeben sich daraus interessante Fragestellungen für die Forschung.

Einige merkwürdige und noch ungenügend verstandene Annahmen sollen in der frühesten Entwicklung des Universums entscheidende Weichen gestellt haben: Nach der Inflationstheorie (Alan Guth 1981) hat sich der Raum nach dem Urknall extrem schnell "inflationär" um den gewaltigen Faktor 1070 ausgedehnt. Die Größe des Universums oder genauer gesagt die "inflationäre Expansion" des Raums soll zuerst nur gebremst abgelaufen sein, so dass es zuvor zum Ausgleich der Energie kommen konnte. Die kosmische Hintergrundstrahlung und später das Universum sind ja sehr homogen. Nach der Inflationstheorie soll sich das winzige homogene Universum danach extrem schnell ausgedehnt haben, aller 10-35s verdoppelte es seine Größe und blähte sich in der kurzen Zeit von 10-32s um den gewaltigen Faktor vielleicht bis zu astronomischer Größe auf (von 10-22m auf vielleicht 1026m, manche Forscher meinen sogar auf 1035m). Den Ablauf stellt man sich vor, dass die Abkühlung so rasch erfolgt ist, dass der Phasenübergang mit der Symmetriebrechung zur starken Kraft zunächst nicht folgen konnte. Vielmehr trat eine "Unterkühlung" auf, bei der sich das System nicht im niedrigsten Energiezustand des "Vakuums" sondern die Quantenfluktuationen schwankten um einen höheren "falschen Vakuum-Zustand" - vergleichbar unter 0°C abgekühltem Wasser, das erst später nach einer kleinen Störung schlagartig gefrieren kann. In diesem Zustand übertraf ein negativer - nach außen gerichteter - Druck die Gravitation bis nach 10-32s der Phasenübergang schließlich erfolgte und die inflationäre Phase beendete. Die möglichen tiefer liegenden Energiezustände befanden sich anschaulich gesprochen in der Mulde eines "mexican heads" noch unter dem zuvor niedrigsten Zustand.

Das Universum dehnte sich danach weiter bislang um den Faktor 1000 aus, wobei in den ersten 9 Milliarden Jahren die Gravitation die Ausdehnung abgebremst hat, bevor die Dunkle Energie (oder der Druck des Raums) seit 5 Milliarden Jahren (mit den riesigen inzwischen den Raum dominierenden leeren Voids) wieder eine sich beschleunigende Expansion bewirkt hat und zum beherrschenden Faktor geworden ist. Dieses Verhalten ist bisher nicht wirklich verstanden und mit dem Begriff der freien oder Dunklen Energie belegt, die eben als Eigenschaft des Raums einen der Gravitation entgegen wirkenden Druck bewirkt, anders formuliert bewirkt ein "Inflaton-Feld" einen expansiven Druck. Bei der Symmetriebrechung oder Phasenumwandlung am Beispiel Wasser wird Energie frei, die das dann schon große Universum wieder auf 1028K aufgeheizt hat bzw. die Energie bereitstellte, um letztlich alle Materie zu bilden (1080Teilchen), aus der die Welt heute besteht. Die Ausdehnung des Universums ist bei dieser frühen Inflation und auch später nicht auf die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Raum und die darin eingebettete Energie oder später Materie dehnen sich gemeinsam ohne gegenseitige Relativgeschwindigkeit aus. Damit besteht kein Widerspruch zur Lichtgeschwindigkeit in der Relativitätstheorie. Die Inflationstheorie erweist sich offenbar als nützlich oder man könnte fast sagen als notwendig, um Aussagen des Standardmodells aufeinander abzustimmen. Insbesondere erzeugt die starke "inflationäre" Expansion ein von den Kosmologen favorisiertes homogenes "flaches" Universum, das anderweitig nur mit extrem genau abgestimmten speziellen Anfangsbedingungen entstehen könnte. Dennoch sind Zweifel erlaubt. Der "Anfang" des Universums könnte anders abgelaufen sein und vielleicht war es nie so extrem klein. Es gibt bisher keinen unmittelbaren Beweis für die Inflationstheorie und es werden andere Hypothesen diskutiert, etwa die einer variablen Lichtgeschwindigkeit, die zuerst viel größer gewesen sein könnte und so den thermodynamischen Ausgleich vor der weiteren Ausdehnung der Welt bewirkt haben könnte.

Ein anderes Problem stellen die extrem genauen Abstimmungen bei der Teilchenentstehung dar. Die Ladung im Universum ist NULL. Die Zahl aller Protonen ist gleich zur Zahl der Elektronen. Sonst würde das Universum nicht von der Gravitation sondern von der stärkeren elektromagnetischen Kraft beherrscht, die die gleiche Reichweite hat. Das ist sehr bemerkenswert, da Protonen und Elektronen zu unterschiedlichen Zeiten und aus unterschiedlichen Prozessen entstanden sein sollten. Damit im direkten Zusammenhang stehen auch die nicht verstandenen großen Masseunterschiede der Teilchen. Ferner muss zunächst ein Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie bestanden haben, wenn Materie-Paare aus Energie gebildet wurden. Später gibt es in der Welt jedoch nur noch Materieteilchen (also fast keine Antimaterie) und viele Photonen - im Verhältnis 1:1010. Dieses Verhältnis sagt nach dem Standardmodell mit Zerstrahlung der Teilchen mit Antiteilchen folgendes aus: Nur ein von 1010 Teilchen fand kein Antiteilchen mehr zur Rekombination in Strahlung. Man spekuliert, dieses Ungleichgewicht könnte Folge einer geringen Asymmetrie beim Zerfall von Teilchen und Antiteilchen sein (Verletzung der CP-Symmetrie, also der Symmetrie von Ladung C und Parität P). Eine sehr kleine und nicht erwartete Abweichung von der CP-Symmetrie wird beim Zerfall kurzlebiger K- und B-Mesonen beobachtet. Dabei ist die schwache Wechselwirkung im Spiel, die wie oben beschrieben während der GUT-Epoche mit der starken Kernkraft vereint war. An Neutrinos kann die schwache Wechselwirkung studiert werden. Vielleicht könnten CP-Symmetrie-Verletzungen eine kurze Zeit lang "allgemein üblich" gewesen sein. Bereits ein winziger Unterschied in der Lebensdauer zwischen Materieteilchen und Antimaterieteilchen könnte das Verschwinden der Antimaterie qualitativ erklären. Von der CP-Verletzung gibt es bis jetzt kein vollständiges Bild, wohin die Antimaterie verschwunden ist bleibt unklar. Vielleicht hängt sie mit den nicht stationären Verhältnissen (kein dauerhafter Gleichgewichtszustand) bei der Expansion der Welt während ihrer Entstehung zusammen. Würde sie ausschließlich bei Mesonen auftreten, entstünde im Rahmen des Standardmodells kein ausreichender Materieüberschuss. Ein anderer Ansatz ist ein Symmetriebruch bei extremer Gravitation. Im Quark-Gluon-Plasma in der Frühphase des Urknalls herrschte noch eine starke Krümmung der Raumzeit. Es wird spekuliert, dies könnte zu einem Bruch der Paar-Symmetrie geführt haben.

Das bisher skizzierte Modell enthält viele spekulative Elemente und es gibt bisher keine durch Messung überprüfbaren Beweise für den Ursprung und den Ablauf der ersten Sekunde. Symmetriebrechungen und Asymmetrien spielen bei all unseren Hypothesen über die frühe Phase der Entstehung der Welt eine zentrale Rolle. Nur wegen der Endprodukte dieses Vorgangs  - unserer Welt besteht ja aus stabilen Teilchen wie wir selbst - können wir über den Ablauf der Entstehung spekulieren. Allein innere Kongruenz und die Harmonie verschiedener Folgerungen stützen das Modell dieser Anfangsphase. Eine besser gesicherte Beschreibung bleibt künftiger Forschung besonders der Elementarteilchenphysik vorbehalten. Dabei steht die Suche nach Teilchen im Fordergrund, die im Standardmodell noch nicht enthalten sind und vielleicht die Dunkle Materie bilden könnten. Winzige Abweichungen im magnetischen Moment des Myons von berechneten Vorhersagen des Standardmodells können auf bislang nicht bekannte Teilchen hinweisen.

Von der vorangehenden Planck-Epoche bis 10-43s fehlt jede begründete Vorstellung. Die Frage "warum" gehört noch zu den "verbotenen" Fragestellungen, die sich wahrscheinlich nie endgültig beantworten lassen. In der Planck-Epoche hat sich gewiss schon Wesentliches ereignet. Vermutlich hat sich die Gravitation von den anderen Kräften abgekoppelt. Wir können uns nur durch "wie"- Fragestellungen etwas näher an den Urknall herantasten. Besonders könnte eine Theorie der Quantengravitation unser Verständnis erweitern. Wie schon gesagt müsste diese die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie verbinden. Wenn wir Optimisten glauben wollen, befinden sich Stringtheorien - besonders die M-Theorie - auf einem Erfolg versprechenden Weg? Sie lässt Spekulationen zu zum Multiversum, einer Welt mit ständig neu entstehenden und vergehenden Universen, jedes mit seinem "Urknall" und seinen spezifischen Naturkonstanten und einer ewigen Inflation. Die Superstring-Theorien bewegen sich in 10 Dimensionen. Die zusätzlichen 6 räumlichen Dimensionen spielen in der Grundschwingung des Strings bei kleinsten Abständen vielleicht erst bei der Planck-Länge eine Rolle, winzigen Kräuselungen der Raumzeit. Oberschwingungen bei höherer Energie könnten vielleicht Wirkungen mit größerer Ausdehnung erzeugen, die sich messen lassen. Die 6 Dimensionen sollen sich nach der Planck-Zeit auf eine Planck-Länge so "eingerollt" haben, dass danach nur unsere 3 gewohnten Raumdimensionen übrig geblieben sind. Vielleicht wirken diese zusätzlichen sich nur auf die Gravitation aus, etwa in dem Sinn, dass Gravitonen sich in mehr als unseren 3 Dimensionen in einem Hyperraum (Bulk) bewegen dürfen. Vielleicht könnte das irgendwann erklären, weshalb die Massenanziehung in unseren 3 zugänglichen Dimensionen so extrem viel schwächer ist als alle anderen Kräfte und weshalb in großen Dimensionen Abweichungen vom Gravitationsgesetz auftreten. Die Gravitation kann Hindernisse überwinden - etwa über den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs hinaus wirken und so spekulieren wir ob in einem Multiversum ein anderes für uns nicht zugängliches Universum mit unserem gravitativ wechselwirken könnte. Unser 3-dimensionaler Raum könnte sich als D3Brane in einem höherdimensionalen Bulk befinden und geschlossene ringförmige Strings (Bosonen wie auch das hypothetische Graviton) wären nicht wie offene Strings (Fermionen) an eine Brane gebunden. Vielleicht können Quantenexperimente mit Teilchen hoher Energie ersonnen werden, die doch Informationen über zusätzliche Dimensionen oder ein anderes Universum liefern könnten. Bisher fehlen bestätigende Messungen oder Beobachtungen für die Stringtheorien, wir befinden uns im Reich gelungener Spekulation, was "die Welt im Innersten zusammenhält". Diese Theorien beschreiben tatsächlich eher, was alles denkbar, weniger was die spezielle Ausprägung unserer Natur ist.

Unstrittig ist nach unserem Kenntnisstand ein definitiver "Anfang" unserer Welt. Falls es ein immerhin mögliches "davor" gegeben hat, wenn es also kein Anfang sondern ein Wendepunkt war, sind durch ein gewaltiges Ereignis alle Erinnerungen daran und alle Informationen darüber vollkommen ausgelöscht worden, was typisch für jeden Phasenübergang, jeden Symmetriebruch ist. Nach dem gegenwärtigen Forschungsstand kann ein "Urprall" - also einer zyklischen Abfolge als Modell des Anfangs mit einem schon immer existierenden Universum - nicht ausgeschlossen werden, wie es etwa Anna Ijjas vertritt. In unserer Ratlosigkeit über diesen Anfang befinden sich die Modellvorstellungen inmitten mikroskopischer Dimensionen von Raum und Zeit in einer Quantenwelt. Diese erlaubt keine deterministischen Aussagen über den Ablauf und bewegt sich auf der statistischen Ebene von Wahrscheinlichkeiten. Ausgegrenzt ist deshalb "welche Ursache" könnte für die Bildung des Universums aus dem NICHTS verantwortlich sein? Im NICHTS gab es keine Veränderung, und damit keine Zeit, auch keine makroskopische Abfolge und damit keine Ursache. Es könnte der Zufall regiert haben als Verursacher, ein Quantensprung, bei dem sich das Universum seine Energie bei einem ursprünglichen Feld oder dem Gravitationsfeld ausgeliehen hat. Aber auch den Zufall gibt es nicht umsonst: Zur Beschreibung von Quantenfluktuationen muss wenigstens eine Mikrozeit existiert haben und damit taucht die Frage nach dem "davor" wenigstens in kleinsten Dimensionen wieder auf.

Kehren wir zum später folgenden Ablauf im kosmologisches Standardmodell zurück. Davon haben wir besser begründete Vorstellungen und müssen nicht spekulieren: In vielen Experimenten mit der Umwandlung von Teilchen hat sich immer wieder bestätigt, dass die Anzahl der beteiligten Baryonen und die der Leptonen gleich geblieben ist (Antimaterie wird dabei negativ gezählt). Darin scheint sich ein Erhaltungsgesetz zu offenbaren. Unsere Welt ist stabil und sie besteht nach dem Urknall aus konstanten Zahlen leichter und schwerer Teilchen (1080 Baryonen). In besonderen Extremsituationen wie während bestimmter Phasen des Urknalls und vielleicht auch beim Eintritt von Teilchen in ein Schwarzes Loch sind diese Zahlen anscheinend nicht konstant. Selbst die weniger strenge Forderung - dass die Differenz zwischen Baryonen- und Leptonenzahl - erhalten bleibt, erscheint dabei fraglich, denn nach unserer Vorstellung vom Ablauf des Urknalls sind Baryonen früher als Leptonen entstanden. Im "Fusionsreaktor" des jungen Universums herrschte nach 4 Minuten noch eine Temperatur von beinahe einer Milliarde Grad. In diesem heißen Plasma fusionieren Protonen (Wasserstoffkerne) und Neutronen zu Deuterium (schwerer Wasserstoff, D oder 2H) - das erst nach 3min und 40s stabil bleibt und dann den Aufbau weiterer leichter Atomkerne wie Helium, Lithium und Beryllium ermöglicht. Das Verhältnis zwischen den Isotopen Wasserstoff (75%), Helium-4 (24%) sowie der kleinen Anteile von Deuterium und Helium-3 liefert einen ersten messbaren Fingerabdruck für dieses Entwicklungsstadium von wenigen Minuten. Man analysiert spektroskopisch die Zusammensetzung von interstellaren Gaswolken, die nicht aus explodierten Sternen hervorgegangen oder durch sie "verunreinigt" sind, solche also, die keine schweren Elemente enthalten. Denn aus Mangel an freien Neutronen und mit zunehmender Ausdehnung und Abkühlung erlöschen spätestens nach 20 Minuten alle Kernfusionsreaktionen und die Verhältnisse der Isotope (Bestandteile der Elemente mit gleichem Atomgewicht) bleiben eingefroren. Speziell Deuterium hat diesen "primordialen" Ursprung, da das im Inneren der Sterne neu entstehende Deuterium unter den dort herrschenden hohen Temperaturen und Drücken sofort weiter zu schwereren Kernen fusioniert wird. Man kann deshalb unser Standardmodell ab einem Alter des Universums von einigen Minuten als durch "Messung" bestätigt ansehen.

Mit fortschreitender Ausdehnung des Raums verringert sich (in der strahlungsdominierten "Photonenepoche") die Massendichte mit der 3. Potenz, die Dichte der Strahlungsenergie mit der 4. Potenz. Die zunächst von Strahlungsenergie dominierte Welt wird schließlich von Materie beherrscht (materiedominierte Welt). Die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung dehnten sich gemeinsam mit dem expandierenden Universum aus. Größere Wellenlänge bedeutet niedrigere Temperatur. Nach 370.000 Jahren (1013s) hat die Abkühlung 3000 °K erreicht und auch die zuvor freien Elektronen werden an Atomkerne gebunden (Rekombination). Photonen werden an Atomen weit weniger gestreut als an freien Elektronen. Das zwar immer noch heiße und von Strahlung erfüllte Universum beginnt damit durchsichtig zu werden. Licht kann sich ungehinderter ausbreiten und erreicht uns noch heute als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, als "Nachglühen des Urknalls". Wir sehen gegen eine 3000° K heiße Feuerwand der letzten Streuung von Photonen an freien Elektronen - zu vergleichen mit unserer Sonne, deren Oberfläche wir sehen, in die wir aber nicht hineinschauen können. Die elektromagnetische Strahlung ist damit nicht nur im sichtbaren Bereich als Licht sondern im gesamten Spektrum unsere derzeit wichtigste Informationsquelle über das Universum. Ursprünglich sichtbare und ultraviolette Frequenzbereiche werden wegen der Ausdehnung (und identischer Abkühlung des Universums) nun als unsichtbare Strahlung des Mikrowellenbereichs im Kosmos gemessen. Diese Strahlung hat bemerkenswerte Eigenschaften. Ihr Spektrum - also die Verteilung der verschiedenen beteiligten Wellenlängen - gleicht exakt dem eines "Schwarzen Körpers" mit einer Temperatur von 2,7 K. Und sie hat gleiche Intensität aus allen Himmelsrichtungen. Es muss sich also um Strahlung gleicher Herkunft handeln mit ausgeglichener Temperatur bei ihrer Entstehung. Diese älteste Botschaft in Form elektromagnetischer Strahlung wird mit Satelliten und terrestrischen Radioteleskopen untersucht, denn mit der empfindlichen Messung winziger Polarisationsunterschiede im Muster der Hintergrundstrahlung glaubt man Aussagen der Inflationstheorie und des Standardmodells prüfen zu können: Winzige Temperatur- oder Dichtefluktuationen der Energie (entsprechend den virtuellen Teilchenpaaren der Quantentheorie) werden während der Inflation auseinander gerissen und gelangen hinter den Ereignishorizont, bleiben ohne Kontaktmöglichkeit zueinander existent und können sich so nicht mehr ausgleichen. Fluktuationen der Energiedichte (oder der Temperatur) zum Zeitpunkt der Rekombination sind letztlich als Feinstruktur der Hintergrundstrahlung sozusagen eingefroren und in unserer Zeit messbar. Die Auswertung dieser winzigen Dichte-Schwingungszustände des Uruniversums erlaubt Aussagen zur Energiedichte: Demnach liegt die mittlere Energiedichte bei 1,02 +-0,02 anscheinend sehr genau bei der kritischen Dichte. Die Auswertung des räumlichen Musters der Hintergrundstrahlung des Satelliten Planck mit bis zu 0,1° am Himmel hilft durch die Auswertung der Nebenmaxima (vergleichbar Obertönen) die verschiedenen Energieanteile im Universum zu trennen: 68 an Dunkler Energie, 27% Dunkler Materie, 5% "unserer" baryonische Materie, von welcher 1/10 in Sternen leuchtet. So wie es sich derzeit darstellt scheint die Dunkle Energie die treibende Kraft zu sein für die rasche Expansion des Universums bei seiner Geburt und sie übernimmt in unserer Zeit wieder das Zepter für seine ferne Zukunft. Erwartungen verbinden wir mit dem Weltraumteleskop Euclid, hoffen auf genauere Messergebnisse zur Expansion des Alls im Zeitverlauf und zur Dunklen Materie. Und neue Beobachtungen einer deutlich größeren Zahl von Supernovae vom Typ 1a sollten die aktuelle Vorstellung von der Expansion des Universums untermauern und neue Einsichten zur Dunklen Energie ermöglichen.

Die anfangs sehr homogene Gaswolke dehnte sich aus und kühlte dabei weiter ab. Nach einer Million Jahren begann eine "dunkle Periode" mit anfangs noch heißem Gas ohne Sterne. Seine Abkühlung war eine Voraussetzung, dass aus den anfänglich sehr geringen Dichteschwankungen lokale Materieverdichtungen bestehen bleiben und durch Massenanziehung anwachsen konnten. Rascher abgekühlte Dunkle Materie - ohne Energiezufuhr mit anfänglicher Kernfusion und ohne Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung im noch strahlungsdominierten Cosmos - ordnete sich zu filamentartigem Netz mit dazwischen gewaltigen leeren Hohlräumen (Voids) und zog baryonische Materie hinter sich her. Dunkle Materie als treibende Kraft für die Bildung der großräumigen Strukturen des Universums erscheint deshalb notwendig für Computersimulationen der Entwicklung, etwa bis zu jetzigen Galaxienhaufen und leeren Zwischenräume aber auch der Stabilität von Scheibengalaxien. Massenzuwachs und Erhöhung der Dichte in einzelnen Gravitationszentren - an den dreidimensionalen Kreuzungspunkten der Filamente - bildeten sich Zentren der späteren Galaxien. Mit wachsender lokaler Verdichtung "erhitzt" sich das Gas wieder. Mit Infrarot- und Radioteleskopen - terrestrisch und im Weltraum - wird versucht, diese Entwicklungsstufen des Universums genauer zu erforschen. Wenn eine Massenansammlung mindestens 8% der Sonnenmasse übertraf, konnte im Zentrum schließlich die thermonukleare Fusionsreaktion des Wasserstoffs zu Helium anspringen. Ein Stern war geboren. Nach der dunklen Periode können nach 200 Millionen Jahren Sterne wieder Licht ins Universum gebracht haben. Sie bestanden anfangs fast nur aus Wasserstoff und Helium und wegen des großen Angebots dieser Gase konnten viele von ihnen viel massereicher als heutige Sterne werden. Wegen der dann heftig ablaufenden Kernfusion hatte das einen sehr kurzen Lebenslauf einschließlich Supernovaexplosionen zur Folge. Sterne versammelten sich innerhalb der ersten 400 Millionen Jahren in kleinen Protogalaxien entlang der Knoten der Filamente. Wie die Spektralanalyse des Lichts der Galaxie EGS-zs8-1 verrät, enthält sie schon 700 Millionen Jahre nach dem Urknall viel Kohlenstoff, der kaum in der ersten Sterngeneration fusioniert worden sein kann. Der reichliche Zustrom an Wasserstoff dürfte nicht nur kurzlebige große heiße Sterne, im galaktischen Zentrum vielleicht immer auch ein gefräßiges Schwarzes Loch unmittelbar ohne die Zwischenstufe über einen Stern und nachfolgende Supernova hervor gebracht haben. Die anfangs zahlreichen kleineren Proto-Galaxien vergrößerten ihre Masse besonders durch Hochzeiten untereinander. Schließlich bildeten sich komplexe elliptische und scheibenförmige Galaxien mit unterschiedlichen Sternpopulationen in ihren verschiedenen Strukturbereichen.

Je weiter ein mit dem Teleskop beobachtetes Objekt entfernt ist - etwa ein Quasar oder eine Galaxie - desto weiter schauen wir zurück in die Vergangenheit. Unser Ereignishorizont - von dem irgend eine Information zu uns gelangen oder eine Wirkung auf uns ausgeübt werden kann, liegt ja fast 14 Milliarden Jahre zurück. Licht wäre dann im Gedankenexperiment (fast) vom Anfang der Zeit zu uns unterwegs. Mit den größten Teleskopen - etwa dem der Europäischen Südsternwarte in Chile - "erblicken" wir die am weitesten entfernten Quasare schon nahe an der dunklen Periode des Universums. Das vom Quasar SDSS J1148+5251 empfangene Licht etwa ist vor fast 13 Milliarden entstanden. Erste leuchtende Objekte wie Quasare und kleine Proto-Galaxien sind - so nehmen wir an - 400 Millionen Jahren nach dem Urknall entstanden. Sie zu entdecken ist mit unseren Mitteln immer noch mühsam. "Belichtungszeiten" von einigen 10 Stunden zum Einsammeln des Lichts sind in der Südsternwarte nötig und fernste Objekte können nicht mit Details aufgelöst werden. Beim Hubble Weltraumteleskop im Bild rechts unten wurden die Deep Field - Aufnahmen effektiv 11 Tage lang "belichtet". Das ist eine Präzisionsleistung, wenn man bedenkt, dass das Teleskop dabei 400 Erdumläufe erlebt hat und bei jedem Umlauf nur eine maximale Belichtungszeit von 40 Minuten möglich war. Die Suche nach älteren "außerweltlichen" Galaxien (außerhalb unseres Universums), war bisher erwartungsgemäß erfolglos. Mit dem Objekt UDFj-39546284 wurde die bislang älteste Protogalaxie gefunden, ihr Licht wurde vor 13,4 Milliarden Jahren emittiert, 400 Millionen Jahre nach dem Urknall (entsprechend einer Rotverschiebung von z=11,9, wobei z das Verhältnis aus Vergrößerung der Wellenlänge bis zum Empfang zur Wellenlänge bei der Abstrahlung darstellt). Etwa im Alter von 4 Milliarden Jahren hatten sich Galaxien zu Haufen versammelt und ab 6 Milliarden Jahren scheint es große Ähnlichkeiten zur Jetztzeit zu geben: große leere Raumbereiche, flache Scheibengalaxien, Superhaufen - gebildet aus vielen gravitativ gekoppelten Galaxien.

Wie wir gesehen haben, sind uns bislang aus den frühen Entwicklungsstadien des Universums nur wenige überprüfbare Relikte bekannt. Auch seine ferne Zukunft ist ungewiss: Ein Schlüssel dazu wäre die genaue Kenntnis aller Energie- und Masseanteile. Mit dieser Kenntnis könnte man sein Schicksal als endlos expandierend oder wieder in einen "Endzustand" in sich zusammenstürzend vorhersagen. Es gibt einen Grenzfall des "offenen, flachen" Universums, bei dem es gerade nicht mehr zu einem Endkollaps zusammenstürzen wird. Dieser ergibt sich, wenn die mittlere Dichte (im jetzigen Entwicklungsstadium) einen bestimmten Wert hat: 5 Protonen bzw. Wasserstoffatome pro m3. Dieser Fall - bei dem es sich zwar endlos lange aber immer langsamer ausdehnen würde - wäre zutreffend, wenn die negative Gravitationsenergie gleich der Summe aller vorhandenen Energieformen ist wie Masse, Licht, Bewegungsenergie aller Teilchen einschließlich der Neutrinos und weiterer noch unbekannter Teilchen sowie der Dunklen Energie. Die Gesamtenergie NULL passt zu der These, dass das Universum aus dem Nichts entstanden ist. Die vorhandene Energie etwa in Form von Strahlung und Masse und Bewegung von Teilchen wäre dann vom Gravitationsfeld ausgeliehen. Neue Beobachtungen deuten auf eine sich beschleunigende Ausdehnung unseres flachen Universums hin, die wir noch nicht verstehen: Ratlosigkeit herrscht gegenwärtig deshalb auch hinsichtlich der fernen Zukunft des Universums.

Das sichtbare Universum besteht aus für uns anschaulichen Bestandteilen: aus Gaswolken überwiegend von Wasserstoff und Helium, daraus entstandenen Sternen und Resten von Sternmaterie, nachdem die Kernfusion aus Mangel an "Brennstoff" zum Erliegen gekommen ist. Die Kernfusion in Sternen erzeugt aus leichten Elementen - aus denen das Universum zunächst bestand - schwerere Elemente (darunter auch Kohlenstoff und Sauerstoff) bis hin zum Eisen. In der kurzen Zeit - bei der im jungen Universum ein heißes Plasma existierte - gelangten offenbar die primordialen Fusionsreaktionen nicht bis zu schweren Atomkernen. Insoweit waren alle schwereren Elemente als Lithium und Beryllium zunächst im heißen Inneren von Sternen gefangen.

Jeder Stern hat seinen Lebenszyklus, in dessen Verlauf in seinem Inneren schwerere Elemente durch Kernfusion gebildet werden. Massereiche Sterne beenden ihren Lebenslauf spektakulär mit einer gewaltigen Fusions-Explosion als Nova oder Supernova. Dabei treten sehr hohe Neutronendichten auf und es werden durch Neutroneneinfang weitere schwere Elemente erzeugt. Die Materie der Erde besteht vorwiegend aus Material, das dem Inneren explodierter Sterne entstammt, und letztlich verdanken wir Menschen wenigstens zwei vorangegangenen Stern-Zyklen mit jeweils einer solchen Katastrophe den Stoff, aus dem wir "gemacht" sind. Aus dem zentralen Rest einer Supernova kann sich ein weißer Zwerg bilden oder es entstehen mit fortschreitender Abkühlung uns fremde Gebilde mit extrem dichter Materie. Diese dichten Materieformen geben uns noch viele Rätsel auf. Offenbar gibt es mindestens zwei typische Verdichtungsstufen, die sich abhängig von der Stärke der wirkenden Gravitationskräfte und damit von der Masse entwickeln: Neutronensterne (oder Pulsare) und Schwarze Löcher.

Die Gravitationswirkung eines Schwarzen Lochs ist so extrem, dass es um sich einen "Ereignishorizont" ausbildet. Dieser Horizont ist eine reine Rechengröße. Er ergibt sich dadurch, dass ein Teilchen Lichtgeschwindigkeit aufweisen müsste, wollte es sich von ihm aus beliebig weit entfernen, dem Schwarzen Loch also entkommen. Da kein Teilchen mit von Null verschiedener Ruhemasse eine solche Geschwindigkeit besitzen kann und selbst ein Photon von innerhalb des Ereignishorizontes wieder zum Schwarzen Loch umgelenkt wird, nennen wir es "schwarz" - also ein Bereich, von dem nichts kommen kann. Man spricht von der "kosmischen Zensur", die Situation zu kennzeichnen, dass der gewohnte Weg verwehrt ist, uns durch den Empfang und Auswertung einer Strahlung über Dinge innerhalb des Ereignishorizonts zu informieren. Schwarze Löcher grenzen sich aus der Raumzeit unseres Universums aus, krümmen den Raum um sich vollständig, schließen sich damit ab und sind für uns unzugänglich. Ihr Innenleben besteht aus einem uns unbekannten dichten Zustand der Materie oder Energie, einem Superstring oder einem Quark-Gluonplasma - einem extrem dichten und heißen Materiezustand, in dem das Confinement der Quarks teilweise aufgehoben ist. Manche Forscher spekulieren sogar, die Kompression der Materie könnte im Zentrum Schwarzer Löcher bis zur Planck-Dichte vorangeschritten sein. Vielleicht kann im Zentrum von Neutronensternen bereits ein Quark-Gluonplasma auftreten. Von außen betrachtet, können wir vom inneren Zustand eines Schwarzen Lochs nur zwei physikalische Größen erfahren: seine Masse und seinen Drehimpuls. Kleine Schlüssellöcher immerhin können in Zukunft dazu dienen etwas mehr zu erfahren, ein wenig "hineinzuschauen": Die Gravitation wirkt über den Ereignishorizont hinaus. Etwa die Messung von Gravitationswellen von einander umkreisenden Schwarzen Löchern ist ein Ansatzpunkt. Man nimmt ja an, dass die damit verbundene Energieabstrahlung die Ursache ihrer Annäherung ist und letztlich deren Vereinigung bewirkt. Gravitationswellen zu erfassen ist schwierig, eine enorme Messempfindlichkeit für Längenmessung ist gefordert (Bruchteile des Durchmessers eines Protons). Sie aussendende Objekte sind wegen der Seltenheit eines solchen Ereignisses meist sehr weit entfernt und am Ort des Messsystems ist die Raumänderung verschwindend klein. Ein anderer Ansatz ist die Analyse von Gammastrahlen-Ausbrüchen, die bei massiven Schwarzen Löchern und der Vereinigung von Neutronensternen beobachtet werden.

Sind Schwarze Löcher der vorweggenommene "Endzustand" aller Materie? Ziemlich, aber anscheinend nicht ganz: Stephen Hawking hat als Konsequenz der Quantentheorie berechnet, dass Schwarze Löcher doch eine geringe Strahlung an ihrem Ereignishorizont abgeben sollten. Ein Teilchen eines virtuellen Paares mit einer Wellenlänge in der Größenordnung des Schwarzschildradius könnte in das Loch geraten, während das andere als Strahlung entkommt. Das würde bedeuten, dass sie in einem extrem erkalteten offenen Universum nicht ewig existieren könnten, sondern sich in einigen Billionen Jahren auflösen müssten. Ihre Abstrahlung wäre um so energiereicher, je geringer die Masse des Schwarzen Lochs ist. Je kleiner ein Loch wäre, um so stärker würde es strahlen und sich weiter verkleinern, schließlich in einem Strahlungsblitz verschwinden. Fragezeichen bleiben, etwa müsste die ursprüngliche Verschränkung des Teilchenpaares verloren gehen und weshalb darf sich die Entropie verringern, wenn das Schwarze Loch verschwindet? Jedenfalls weist die enorme Lebensdauer eines Schwarzen Lochs innerhalb einer umgebenden Raumzeit auf einen wesentlichen Unterschied zur Situation beim Urknall hin, der sich die Raumzeit erst selbst schaffen musste und bei dem die extreme Energiedichte ja nicht stabil geblieben sondern expandiert ist.

Das Thema reizt zu Phantasien. Da wir keine guten Karten haben, mehr über das Innenleben zu erfahren, werden wohl immer Fragen offen bleiben und Objekt von Spekulationen. Nicht nur uns unbekannte dichte Materieformen können dort wohnen, auch extreme Energiedichten dürften für einen heißen Empfang an einem inneren Horizont sorgen. Vielleicht existiert dort nur Energie in einer "vereinheitlichten" Form etwa wie wir es bei der Entstehung des Universums in der Plank-Zeit vermuten, als alle Naturkräfte noch vereinigt gewesen sein könnten. In dem Fall wäre die Gravitationskraft zu unserer Zeit und in unserer Welt der große "Gleichmacher": Unter der speziellen Konstellation einer sehr großen Materieansammlung auf kleinem Raum (also bei extrem hoher Dichte) summiert sich die Gravitationskraft und erzeugt einen Potentialkrater. Hineingeratene Teilchen könnten eine derart hohe kinetische Energie (oder Temperatur) gewinnen, die alle uns bisher bekannten anderen Kräfte überwindet (wie die starke Kernkraft und die elektroschwachen Kräfte) und in einen Zustand höherer Symmetrie gelangen. Oder zumindest befindet sich innerhalb eines inneren Horizonts die Materie in einem extrem dichten und heißen Quark-Gluonen-Plasma - 100000 fach heißer als im Zentrum der Sonne (was wir ja für einem Zeitabschnitt des Urknalls auch annehmen). Die Anzahl von Baryonen und Leptonen könnte sich beim Einfang in einem Schwarzen Loch verringern, wenn diese Materieformen innerhalb nicht mehr existieren. Bei einem solchen Vorgang würde auch Ladung vernichtet. Es gibt bisher keine Hinweise darauf, dass sich innerhalb oder außerhalb eines Schwarzen Lochs Ladung dauerhaft ansammelt, die Welt ist neutral.

Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, verschwindet aus der uns zugänglichen Welt. Schwarze Löcher weisen uns auf Grenzen unserer Erfahrungsmöglichkeiten hin und unser Intellekt wird auf Spekulationen angewiesen bleiben. Und - wie schon festgestellt wurde - verhalten sie sich anders als wir uns den Zustand des Universums am Beginn des Urknalls vorstellen: Dort ist die auf kleinen Raum beschränkte (noch viel gewaltigere Menge an Energie) erstaunlicherweise nicht durch ihre eigene Gravitation an ihrer Ausdehnung gehindert worden. Entweder ist die Gravitation erst nach einer initialen Expansion (nach einer zuvor bereits abgelaufene "inflationäre Ausdehnung des Raums") wirksam geworden oder in Verbindung mit dem Entstehen des Raums hat eine sie übertreffende Kraft gewirkt - in der Anfangsphase der Expansion gewaltig, in späterer Zeit winzig aber mit der heute riesigen Raumausdehnung für größte Distanzen wieder dominierend ("Dunkle Energie"). Ratlosigkeit herrscht derzeit wie Quantentheorie und Relativitätstheorie miteinander verbunden werden können, um solche Rätsel beantworten zu können.

Heute versuchen wir unsere Welt über die gewaltige Spanne von 10-35m (Planck-Länge) bis zur anzunehmenden Ausdehnung von mindestens 1027m zu "verstehen". Leider gelingt uns das nur mit sehr spekulativen Hypothesen, denn im Mikrokosmos trennen uns mehr als 15 Dezimalen - über die wir dafür extrapolieren müssen - von experimentell prüfbaren Messergebnissen. Im Makrokosmos haben wir es mit einer kosmischen Zensur zu tun: Wir können wegen der begrenzten Lichtgeschwindigkeit nur Ereignisse erforschen, die frühestens vor 13,8 Milliarden Jahre irgend eine Wirkung auf uns ausgeübt haben. Von weiter entfernten Teilen der Welt jenseits dieses Ereignishorizonts sind uns Informationen nicht zugänglich. Vielleicht war die Welt nie extrem klein oder sie hat sich nicht "inflationär" extrem ausgedehnt. Immerhin spricht viel dafür, dass sie inzwischen eine Größe von mindestens 70 bis 93 Milliarden Lichtjahren erreicht hat.

Neugier ist uns in die Wiege gelegt, unsere Neuronen verlangen nach neuen Informationen, weiter und weiter versuchen wir zu "verstehen", stellen neuartige Fragen. Zu unserer Zeit erleben wir im Mikrokosmos die Entdeckung merkwürdiger Teilchen, fragen uns allzu menschlich nach ihrem "Sinn". Und wir sehen Grenzen unserer Erkenntnisfähigkeiten, in Raum und Zeit, und auch prinzipiell. Manche Teilchen existieren nur für unvorstellbar kurze Zeit, andere durchdringen fast gänzlich unbeeinflusst "unsere" Welt. Zu jeder Zeit finden sich unüberwindlich scheinende Grenzen der Erkenntnis ein, immer neue Mysterien warten auf das vernunftbegabte Tier. Nur mit Phantasie kann es sich gegen Ratlosigkeit wehren.

                        Home                                               Impressum                                               Inhaltsübersicht