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 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. Sie beschreibt Wissen und ist nützlich 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. Wir fühlen uns ein Stück sicherer, wenn eine der Welt innewohnende Ordnung in ein "Naturgesetz" gefasst werden konnte. 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 nahen 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 Materie nach dem Urknall sehr dicht beieinander versammelt gewesen sein muss, erscheinen die fernsten Galaxien überall am Himmel verteilt mit verbogenen Lichtstrahlen der damaligen Raumkrümmung folgend (genauer siehe "über Raum und Zeit").

Ähnliche Probleme haben wir, uns die Quanteneffekte im (sub)atomaren Bereich vorzustellen. 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. 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 zufriedenstellenden 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 Schwingungsformen ersetzen. Im mathematischen Modell der Strings können neben den 3 Raumdimensionen und der Zeit weitere 6 oder 7 Variable eingeführt werden, wodurch man zu supersymmetrischen Strings gelangt mit Schwingungszuständen, die Elementarteilchen repräsentieren. Offene Strings enden in Dirichlet-Branen, Objekten in der Raumzeit, die Eigenschaften von Teilchen aufweisen. Der experimentelle Nachweis des Gravitons als Träger der Massenanziehung würde diese Theorien stützen. Die allgemeine Relativitätstheorie ist jedoch nicht in ihr enthalten. Und sie liefert bisher keine neuen überprüfbaren Vorhersagen. Die Stringtheorie 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)

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. 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. 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 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. 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 erst 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 freilich 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 erweiterter Gültigkeit führen kann. 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 unendlich 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 kann man auf verschieden Wegen verstehen:

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, da die Massendichte und damit das Gravitationsfeld sich lokal nicht ändern.

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.

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 ein Alter der Welt mit 13,7 Milliarden Jahren. Jedenfalls an der Größenordnung von etwa 14 Milliarden Jahren besteht kein Zweifel. Wir wissen nun, dass das Universum nicht ewig existiert hat, dass Licht nur so viel Zeit hatte zu uns zu kommen, wir also gegenwärtig auch nur maximal so weit sehen können. Nach dieser Vorstellung ist die Anzahl der Sterne endlich und ihr Licht kann sich erstmals wenige 100 Millionen Jahre nach dem Urknall "entzündet" haben. Und schließlich wissen wir, dass Lichtstrahlen hin zu großen Massen gekrümmt werden, also besonders in der Frühphase des Universums und in der Nähe Schwarzer Löcher nicht geradlinig verlaufen können.

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. 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. 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 (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 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 bei einem Schwarzen Loch ist sehr verschieden von der des expandierenden Universums. Und doch muss eine neue Quantentheorie der Gravitation das umfassen.

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 oder auch, dass andere Universen in einem Multiversum existieren könnten, 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. Andere denkbare Universen - die vielleicht auch parallel existieren könnten - würden 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 bietet dafür die besten Voraussetzungen. Allein dass wir existieren ist ein Argument für ein flaches Universum - obgleich wir das durch Messungen noch nicht definitiv beweisen können.

Ungewohnte Folgen ergeben sich aus der Unbestimmtheitsbeziehung auch, etwa dass die Energie nicht einen völlig exakten Wert NULL annehmen kann: Mehrere Teilchen können nicht völlig bewegungslos sein, eben weil ihre Bewegungsenergie nicht exakt 0 sein kann. Auch im kältesten Vakuum kann "Wärmestrahlung" nicht völlig verschwinden und sich keine Temperatur von genau 0 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 dem nach der Idee von Hendrick Casimir benannten Casimir-Effekt 1997 experimentell bestätigt worden.

Die Materie - aus der unser Lebensraum und wir selbst bestehen - ist aus aus kleinsten (< 10-18m) fundamentalen Teilchen aufgebaut (den Fermionen mit halbzahligem "Spin", einer Eigenschaft, die in der Quantentheorie nur bestimmte Werte annehmen kann): den schweren up- und down-Quarks sowie den leichten Elektronen. Entsprechend ihrer Masse werden sie gern der Gruppe schwerer Teilchen (Baryonen) und der leichter Teilchen (Leptonen) zugeordnet. Man schätzt, das Universum beherberge etwa 1080 Baryonen und Elektronen. Ein weiterer Unterschied der Teilchen ist ihre Ladung. Nimmt man die des Elektrons als negative "Elementarladung", haben Quarks 1/3 positive Elementarladung. Versucht man diese Teilchen bei Kollisionsexperimenten in Teilchenbeschleunigern zu spalten, entsteht zunächst "reine Energie" aus der sich später wieder Teilchen bilden können. Bei solchen Experimenten beobachtet man weitere fundamentale Teilchen. Insgesamt sind 12 identifiziert worden, zusätzlich vier Quarks und weitere Leptonen - das Myon, das Tauon mit einer Elementarladung - und drei Neutrinos, leichte ungeladene Teilchen. Dieser Teilchenzoo wird noch um die gleiche Zahl symmetrischer Antiteilchen erweitert. Aus Kombinationen können alle anderen "Elementarteilchen" und davon aus den drei zuerst genannten auch alle Atome und Moleküle unserer Welt gebildet werden. Inwieweit  Antiteilchen vollständig symmetrische Eigenschaften (hinsichtlich CP-Symmetrie oder ihrer Gravitationswirkung) besitzen, wissen wir noch nicht genau. Experimente zur Untersuchung von Eigenschaften der Antimaterie sind 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? 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 aber unsere Welt erweist sich als außerordentlich stabil! Dieser Grundsatz scheint nicht für extreme Situationen zu gelten: bei sehr hoher Energie- und Massendichte, wie wir es im Universum beim Fall in ein Schwarzes Loch oder beim Urknall annehmen, verändern sich die Baryonen- und Leptonenzahl, anscheinend aber 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 (starke Kernkraft), 2. die schwache Wechselwirkung (schwache Kernkraft) und 3. der Elektromagnetismus sowie 4. die Gravitation. Die Reichweite der Kraftwirkung nimmt mit der Entfernung ab und zwar bei den beiden ersten extrem stark, bei den beiden letzten viel geringer, so dass sie prinzipiell im gesamten Universum wirken können. Im Bereich der Elementarteilchen kann man sich die Fernwirkungen mit zusätzlichen Austauschteilchen (Bosonen) vorstellen. Da Kraftwirkungen mit Energieaustausch verbunden sein können, 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.  Bose-Austauschteilchen können auch miteinander wechselwirken. Fermi-Teilchen verhalten sich in dieser Hinsicht unterschiedlich. Quarks etwa nehmen an allen Arten von Wechselwirkungen teil. Von den anderen Fermionen nehmen die Leptonen nicht an der starken Kernkraft teil, die ungeladenen von ihnen zusätzlich auch nicht an der elektromagnetischen Kraft. Neutrinos können nur durch die schwache Kraft und die Gravitation beeinflusst werden. Das Graviton wird sich schwer messen lassen, denn spürbare Massenanziehung ist mit großen Massen verbunden und die Ausbildung von Gravitationswellen (mit Energieaustausch) setzt deren rasche (innerhalb von Stunden bis zu einigen Sekunden) und ausreichend große Änderung voraus. Größere Chancen zu deren Nachweis bestehen in der Nähe einer Supernova oder eines Pulsars in einem Doppelsternsystem. Es gibt indirekte Hinweise auf Wirkungen von Gravitationswellen. Zwei einander umkreisende Neutronensterne (der Pulsar PSR 1913 und 16) nähern sich - die Umlauffrequenz erhöht sich, da Gravitationswellen Energie abstrahlen. Bei der Verschmelzung zweier massiver Schwarzer Löcher im Zentrum einer Galaxie verleihen die bevorzugt in einer Richtung abgestrahlten Gravitationswellen dem Gebilde einen Rückstoß, der an der Doppler-Verschiebung im Spektrum der umgebenden Akkretionscheibe erkannt wird. Das aus dem Galaxienkern driftende Schwarze Loch befindet sich irgendwann im intergalaktischen Raum.

Versucht man in der Zeit immer weit zurück zum vermeintlichen "Anfang" unseres Universums zu gelangen, trifft man auf Grenzen wie die Planck-Länge (10-35m, Länge eines Strings) oder die dazugehörige Planck-Zeit  (10-43s, die Licht benötigt, einen String weit zu kommen) und auf die Planck Energie (1019GeV oder 1032K, was einer Planck-Masse von 2,2*10-8kg entspricht), jenseits deren wir (zu noch kleineren Längen resp. größeren Werten der Energie hin) nichts wissen ("Epoche der Quantengravitation"). Es gelten dort uns unbekannte Gesetze der Physik, vermutlich herrschte nur eine einzige "vereinheitlichte" Kraft eingeschmolzen in ein Meer aus Dunkler Energie. Wegen unserer Unkenntnis der in diesem Zeitabschnitt 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 zu groß ist, so gewaltig ist, dass wir sie auch mit allen uns verfügbaren Energiequellen in der Zukunft nicht erreichen könnten. Die Natur hat uns offenbar wenig Chancen gelassen, ihr durch Beobachtung und Messung oder durch Experimente bestimmte Geheimnisse zu entreißen. Aus dem Blickwinkel unserer Welt scheinen Objekte kleiner als die Plank-Länge unerreichbar zu sein. Ereignisse bis in die Nähe der 3 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 - 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.

Verschiedene vorgeschlagene Hypothesen über die Entstehung des Universums liefern Szenarien seiner Entwicklung nach der Planck-Zeit. Aus dem Energie-Meer, in dem alle in unserer Zeit wirksamen Naturkräfte vereinheitlicht waren, trennt sich zuerst die gravitative Kraft ab. Die Raum-Zeit entstand und ein großer Teil der Energie bildete die Vakuumenergie, einem Kandidaten für die Dunkle Energie und die Expansion des Alls. 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). Außer der Gravitation sollen in diesem Zustand hoher Energiedichte alle uns sonst bekannten grundlegenden Kräfte - die starke Kernkraft und die elektroschwachen Kräfte - vereint gewesen sein. Einer Hypothese nach könnte in diesem symmetrischen Zustand schon ein skalares Feld (Higgs-Feld) und als Kennzeichen der Anregungszustände dieses Feldes ein Teilchen(typ) existiert haben: das Higgs-Boson. Die Dunkle Energie bewirkte wahrscheinlich die Expansion des Raums. Stellt man sich Energie als Welle vor, dehnt sich mit der Expansion die Wellenlänge oder - was gleichbedeutend damit ist - die Temperatur nimmt ab. Bei kritischen Temperaturen trat 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 unsymmetrisch. Ab 10-44s hatte sich die Gravitation abgekoppelt, 10-35s später - bei der Temperatur von 1028K - begann sich die starke Kernkraft abzukoppeln. Mit weiter fallender Temperatur konnte sich Energie in Materie umwandeln zunächst in Form grundlegender Bausteine, den Quarks ("Quark-Epoche"), den Gluonen und noch nicht bekannten Teilchen der Dunklen Materie sowie schließlich leichten Teilchen wie Elektronen und Neutrinos ("elektroschwache Epoche"). Diese Prozesse waren umkehrbar, ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Energie und Materie bestand jeweils für nur kurze 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 Stabilität der Neutronen zuständig ist. Energiedichten dieser Größe können in Teilchenbeschleunigern schon erzeugt werden, so dass sich dieser Prozess experimentell untersuchen lässt. Quarks schließen sich von 10-2s bis 1s im heißenQuark-Gluon-Plasma (1013K) zu Protonen (p) zusammen ("Leptonenepoche"). Durch Elektroneneinfang entsteht daraus die gleiche Anzahl Neutronen (n). Die baryonische Materie - aus der wir ja selbst bestehen - war damit entstanden. Innerhalb der Protonen und Neutronen laufen heftige Wechselwirkungen der Quarks untereinander vermittelt durch Gluonen ab. Diese gebundene Wechselwirkungsenergie stellt sich uns als hauptsächlicher Anteil der Masse der Protonen und Neutronen dar, die Masse der 3 beteiligten Quarks weit übertreffend. 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 sind sehr leicht und bei ihrer Entstehung sehr schnell. Sie vertreten eine bemerkenswerte Klasse von Teilchen, die mit "unserer" baryonischen Materie extrem wenig wechselwirkt und die einige Eigenschaften aus der Frühzeit des Universums bewahrt haben könnte. In jeder Minute durchdringen 100 Millionen Neutrinos unseren Körper ohne jede Reaktion. Zunächst war die Materiedichte einschließlich der Dunklen Materie so gewaltig, dass selbst Neutrinos mit ihrer schwachen Wechselwirkung gestreut wurden. Mit wachsender Ausdehnung und geringerer Materiedichte wurde das Universum für Neutrinos jedoch innerhalb der ersten Sekunde durchsichtig. Seither breiten sie sich "geradlinig" aus. Wenn die ungelöste Aufgabe gelingt, die Feinstruktur dieser Neutrinohintergrundstrahlung zu messen, könnte sie uns vielleicht etwas über das Universum im Alter von 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 schwache Wechselwirkung lässt sich in großen Wassertanks in der Bergwerken oder in Seen - geschützt vor anderen Strahlungsquellen - und auch tief im Eis der Antarktis verfolgen. Mit dem japanischen Kamiokande-Detektor etwa gelang der Nachweis von Neutrinos der Supernova 1987A aus der 150.000 Lichtjahre entfernten Großen Magellanschen Wolke.

Theoretisch wird als Folge einer hypothetisch angenommenen Supersymmetrie angenommen, dass der Teilchenzoo um supersymmetrische Partner erweitert werden könnte. Darunter befänden sich vielleicht Kandidaten für die Dunkle Materie. Interessant wären langsame Teilchen mit viel größerer Masse als Neutrinos (Neutralinos). Solche noch nicht nachgewiesene Teilchen WIMPs (weakly interacting massive particles) hofft man deshalb in Bergwerken und Gebirgstunneln aufzuspüren - wie gesagt extrem sorgsam abgeschirmt von anderen Strahlungsquellen. Schwingungen eines fast an den absoluten Nullpunkt gekühlten Germanium-Kristalls sollten gemessen werden können, wenn ein solches langsames Teilchen mit einem Atomkern des Kristalls kollidiert. Die Teilchen könnten sich innerhalb der ersten Sekunde des Universums gebildet haben. Aus (nichtbaryonischen) Relikten der ersten Sekunde besteht vielleicht die Dunkle Materie und damit der überwiegende Teil aller im Universum vorhandenen Masse. Wenn über die Natur der Dunklen Materie noch gestritten wird (eine hypothetische Variante der Neutrinos -"sterile Neutrinos"- wird dafür auch in Betracht gezogen), an der Existenz solcher Materie gibt es indes keine Zweifel. Unabhängige Beobachtungen beweisen ihre Wirkung: Die gemessenen Geschwindigkeiten der Sterne und Gaswolken in Galaxien und der Galaxien in Galaxienhaufen sowie die Gestalt der Galaxien können wir uns nur mit der Gravitationswirkung dieser Dunklen Materie auf die sichtbaren Massen erklären, wenn wir die Gültigkeit der Gravitationstheorie nicht bezweifeln wollen. 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 1937 die Idee, 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 wurden viele solche Gravitationslinseneffekte beobachtet. Der beobachtete 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 sondern nur mit einem viel höheren Anteil Dunkler Materie erklärt werden.

Ein anderer Weg, der Natur der dunklen Materie bzw. der WIMPs auf den Grund zu kommen, besteht in ihrer künstlichen Erzeugung. Man hofft, entsprechende Bedingungen in Beschleunigern - etwa am LHC des CERN-Forschungszentrums in Genf - erreichen zu können. Dafür werden hochenergetische Protonen (7 TeV/Proton) aufeinander geschossen und die zahlreich dabei entstehenden Teilchen analysiert. Da wir keine Vorstellung von der Masse der WIMPs haben, ist die für ihre Erzeugung nötige Energie nicht bekannt. Man verbindet mit solchen aufwändigen Experimenten noch viele andere Erwartungen - etwa könnten uns bislang noch ganz verborgene Seiten der Natur enthüllt werden. Vielleicht gelingt etwa der Nachweis des Higgs-Bosons. Dieses hypothetische Teilchen (man erwartet es mit einem Energieinhalt zwischen 100 und 200GeV) würde die Wechselwirkung aller Teilchen mit dem von Peter Ware Higgs postulierten Feld vermitteln und erklären helfen, weshalb Elementarteilchen ihre Masse haben. Aus dem hochsymmetrischen Higgs-Feld könnten sich die unter den jetzigen Bedingungen wirksamen Kräfte entwickelt haben. Die Wahrscheinlichkeit scheint sehr gering zu sein, nach dem Zusammenstoß von Protonen ein solches Teilchen identifizieren zu können. Deshalb werden zahllose Wiederholungen nötig sein und keine Mühen gescheut, aus riesigen Datenmengen mit (bekannten) Teilchenspuren eine Nadel im Heuhaufen zu finden.

Einige merkwürdige und noch ungenügend verstandene Annahmen sollen in der frühesten Entwicklung des Universums entscheidende Weichen gestellt haben: Nach der Inflationstheorie hat sich die Größe des Raums aller 10-35s verdoppelt und das Universum hat sich in der kurzen Zeit von 10-32s um den gewaltigen Faktor von 1054 auf (über-)astronomische Größe ausgedehnt (von 10-22m auf 1035m). Und es dehnt sich weiter aus. Dieses Verhalten bringt man in Zusammenhang mit der noch immer wirkenden freien oder Dunklen Energie oder versucht es mit dem negativen Druck eines Inflaton-Feldes zu erklären. Dieses erzeugt eine abstoßende Kraft, die eine Ausdehnung verursachen kann. Die Wirkung dieses Feldes kann man sich vorstellen, indem die Abkühlung so rasch erfolgt ist, dass der Phasenübergang mit der Symmetriebrechung zur starken Kraft zunächst nicht erfolgen konnte. Vielmehr trat eine "Unterkühlung" auf, bei der sich das System nicht im niedrigsten Energiezustand ("Vakuum") sondern in einem "falschen Vakuum" befand. In diesem Zustand übertraf ein starker negativer - nach außen gerichteter - Druck die Gravitation bis nach 10-32s der Phasenübergang schließlich erfolgt ist. Bei der Phasenumwandlung wird Energie frei, die das dann schon große Universum wieder auf 1028K aufgeheizt hat. 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 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 "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.

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 sollen. Ferner muss zunächst ein Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie bestanden haben, wenn Materie aus Energie gebildet wurde. Später gibt es in der Welt nur noch Materieteilchen (also auch keine Positronen) und viele Photonen - im Verhältnis 1:1010. Man spekuliert, dass das Ungleichgewicht Folge einer geringen Asymmetrie beim Zerfall von Teilchen und Antiteilchen ist (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. Vielleicht könnten CP-Symmetrie-Verletzungen eine kurze Zeit lang "allgemein üblich" gewesen sein. Bereits ein winziger Unterschied in der Lebensdauer zwischen Materieteilchen und Antimaterieteilchen kann das Verschwinden der Antimaterie qualitativ erklären. Von der CP-Verletzung gibt es bis jetzt kein vollständiges Bild. Würde sie ausschließlich bei Mesonen auftreten, entstünde im Rahmen des Standardmodells kein ausreichender Materieüberschuss. An Neutrinos kann die schwache Wechselwirkung studiert werden. Interessant ist, dass sich unterschiedliche Neutrinos ineinander umwandeln können. Dies geschieht etwa bei ihrem Weg vom Innern der Sonne bis zur Erde. Offen ist, ob sterile Neutrinos existieren, ob Neutrinos vielleicht doch ausreichen könnten, die Basis der Dunklen Materie zu bilden.

Das bisher skizzierte Modell enthält viele spekulative Elemente und es gibt 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 zentrale Rollen. Nur von den Endprodukten dieses Vorgangs  - unserer Welt aus stabilen Teilchen,  aus denen wir selbst ja bestehen - können wir uns etwas vorstellen. Allein innere Kongruenz und die Harmonie verschiedener Folgerungen stützen das Modell der Anfangsphase. Eine besser gesicherte Beschreibung bleibt künftiger Forschung vorbehalten. Von der noch vorangehenden Planck-Epoche bis 10-43s fehlt jede begründete Vorstellung. In ihr hat sich gewiss schon Wesentliches ereignet. Vermutlich hat sich ja die Gravitation von den anderen Kräften abgekoppelt. Besonders zu ihrem Verständnis könnte eine Theorie der Quantengravitation beitragen. 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? Die Superstring-Theorien bewegen sich in 10 resp. 11 Dimensionen. Diese vielen räumlichen Dimensionen spielen dabei nur bei der Gravitation und Abständen kleiner als die Planck-Länge eine Rolle. Sie sollen sich zur Planck-Zeit auf eine Planck-Länge so "eingerollt" haben, dass danach nur unsere 3 gewohnten Raumdimensionen übrig geblieben sind.

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. 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 weder Energie noch ihre Veränderung, weder Raum und 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 beim 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 kleinen Dimensionen wieder auf.

Kehren wir zum später folgenden Ablauf im kosmologisches Standardmodell zurück. Davon haben wir besser begründete Vorstellungen: 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 grundlegendes Erhaltungsgesetz zu offenbaren. Unsere Welt ist stabil und sie besteht nach dem Urknall aus einem konstanten Verhältnis leichter und schwerer Teilchen. 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, solchen 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 letzten 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 wird damit durchsichtig. Licht kann sich ungehindert ausbreiten und erreicht uns noch heute als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, als "Nachglühen des Urknalls". Wir sehen gegen eine 3000° K heiße Feuerwand der letzten Streuung der Photonen an freien Elektronen, die sich mit mehrfacher Lichtgeschwindigkeit von uns entfernt. Ursprünglich sichtbare Frequenzbereiche können wegen dieser Ausdehnung (und identischer Abkühlung des Universums) nun als unsichtbare Strahlung des Mikrowellenbereichs im Kosmos gemessen werden. 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 der Materie bei ihrer Entstehung. Diese älteste Botschaft in Form elektromagnetischer Strahlung wird besonders aufmerksam untersucht, denn mit der empfindlichen Messung winziger Intensitätsunterschiede im Muster der Hintergrundstrahlung hofft man Aussagen der Inflationstheorie und des Standardmodells prüfen zu können: winzige Temperatur- oder Dichtefluktuationen der Energie (mindestens 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 nicht mehr ausgleichen. Fluktuationen der Energiedichte (oder Temperatur) zum Zeitpunkt der Rekombination sind letztlich als Feinstruktur der Hintergrundstrahlung sozusagen eingefroren und in unserer Zeit messbar. Die Auswertung dieser Dichte-Schwingungszustände des Uruniversums erlaubt Aussagen zur Energiedichte und zum Anteil verschiedener Energiearten. Die elektromagnetische Strahlung ist nicht nur im sichtbaren Bereich als Licht sondern im gesamten Spektrum unsere wichtigste Informationsquelle über das Universum. Danach liegt die mittlere Energiedichte bei 1,02 +-0,02 anscheinend sehr genau bei der kritischen Dichte mit einem Anteil von 73% an Dunkler Energie, 23% Dunkler Materie, 4% "unserer" baryonische Materie, von welcher 1/10 in Sternen leuchtet. Die Dunkle Energie scheint die bestimmende Größe zu sein für die rasche Expansion des Universums bei seiner Geburt und auch für seine Zukunft.

Die anfangs sehr homogene Gaswolke dehnte sich aus und kühlte dabei weiter ab. Nach einer Million Jahren begann eine dunkle Periode ohne Licht. Die Abkühlung war eine Voraussetzung, dass aus den anfänglich geringen Dichteschwankungen lokale Materieverdichtungen bestehen bleiben und durch Massenanziehung anwachsen konnten. Rascher abgekühlte Dunkle Materie ordnete sich zu filamentartigem Schaum mit leeren Hohlräumen und zog baryonische Materie hinter sich her. Massenzuwachs und Erhöhung der Dichte in einzelnen Gravitationszentren - an den dreidimensionalen Kreuzungspunkten der Filamente - bildeten sich Zentren der späteren Galaxien. Mit wachsender Massenanziehung "erhitzt" sich das Gas. Wenn die Massenansammlung 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 Jahre erste 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 sein. Das hatte einen sehr kurzen Lebenslauf zur Folge. Sterne versammelten sich innerhalb von 800 Millionen Jahren in Galaxien entlang der Filamente. Das reiche Angebot an Wasserstoff-Brennmaterial dürfte viele kurzlebige sehr große Sterne und schließlich im galaktischen Zentrum ein gefräßiges Schwarzes Loch ermöglicht haben. Galaxien vergrößerten ihre Masse und zwar auch durch Hochzeiten untereinander. Schließlich bildeten sich komplexe 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 - 500 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. Die Suche nach älteren "außerweltlichen" Galaxien (außerhalb unseres Universums), war bisher erwartungsgemäß erfolglos. 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 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 auch sehr schwere Elemente erzeugt. Die Erde besteht vorwiegend aus dem inneren Material explodierter Sterne 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 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 einer uns unbekannten dichten Form der Materie oder Energie, vielleicht einem Superstring (mit der Ausdehnung einer Planck-Länge). Von außen betrachtet, können wir anscheinend vom inneren Zustand eines Schwarzen Lochs nur zwei physikalische Größen erfahren: seine Masse und seinen Drehimpuls.

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 erkalteten offenen Universum nicht ewig existieren könnten, sondern sich in einigen Billionen Jahren auflösen müssten. Ihre Abstrahlung wäre um so energiereicher, je geringer ihre Masse ist. Je kleiner ein Loch wäre, um so stärker würde es strahlen und sich weiter verkleinern, schließlich in einem Strahlungsblitz verschwinden. 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, müssen wohl immer Fragen offen bleiben und Objekt von Spekulationen. Nicht nur uns unbekannte dichte Materieformen wohnen dort, auch extreme Energiedichten dürften für einen heißen Empfang hinter dem 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 Massenansammlung auf kleinem Raum (also bei extrem hoher Dichte) übertrifft die Gravitationskraft alle uns bisher bekannten anderen Kräfte (wie die starke Kernkraft und die elektroschwachen Kräfte) und erzeugt einen Zustand höherer Symmetrie. Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, verschwindet aus der durch uns zugänglichen Welt. Die Anzahl von Baryonen und Leptonen könnte sich verringern, falls diese Materieformen innerhalb des Lochs nicht mehr existieren. Bei diesem Vorgang wird auch Ladung vernichtet, aber weder innerhalb noch außerhalb eines Schwarzen Lochs sammelt sich Ladung an, die Welt ist neutral. Schwarze Löcher weisen uns auf Grenzen unserer Erfahrungsmöglichkeiten und unseres Intellekts hin.

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