Nach dem naturwissenschaftlich meist akzeptierten Modell (Standardmodell) ist das Universum vor ca. 13 Milliarden Jahren in einem Urknall entstanden (sog. Urknalltheorie). Diese Vorstellung beruht auf drei empirischen Grundpfeilern: Der erste ist die Hubble-Konstante.[119] Edwin Hubble fand 1923 Hinweise darauf, dass sich alle Galaxien von der Milchstraße mit einer Geschwindigkeit, die linear mit der Entfernung dieser Galaxien anwächst, fortbewegen. Ist also eine Galaxie A doppelt so weit von unserer Milchstraße entfernt, wie eine andere Galaxie B, so ist auch die Geschwindigkeit vA, womit Galaxie A von uns fortbewegt, doppelt so groß wie die Geschwindigkeit vB der Galaxie B (Hubblesche Gesetz). Den Quotienten aus Fluchtgeschwindigkeit und Abstand wird als Hubble-Konstante H bezeichnet.[120] Man kann daraus schließen, dass sich das Universum ausdehnt, was bedeutet, dass das Universum vor sehr langer Zeit stark komprimiert gewesen sein muss bzw. es in einer Art Explosion („Big Bang“) hervorgegangen sein muss. Als im Augenblick des Urknalls alle Materie in einem Punkt zu unendlicher Dichte zusammengedrängt war, galten die uns bekannten Gesetze der Physik nicht. Aus diesem Grund wird der Urknall auch als Anfangssingularität bezeichnet. Da mit dem Urknall Raum und Zeit selbst entstanden sind, kann kein „Ort“ des Urknalls genannt werden, vielmehr fand der Urknall „überall und nirgendwo“ statt (anders als bei einer normalen Explosion, bei der Materie durch einen bereits existierenden Raum fliegt).[121] Die beiden anderen Grundpfeiler des Urknallbildes (also die Annahme eines heißen, dichten Anfangszustandes) sind die so genannte kosmische Hintergrundstrahlung und die Häufigkeitsverteilung der leichten chemischen Elemente: Die kosmische Hintergrundstrahlung, entdeckt von Arnow A. Penzias und Robert W. Wilson (1985), erreicht uns aus allen Richtungen des Universums mit einer Temperatur von 2,7 K. Sie kann nach der Mehrheitsmeinung der Kosmologen nicht von einzelnen strahlenden Objekten stammen, u. a. weil sie richtungsunabhängig ist, weshalb sie als Wärmestrahlung der gesamten Materieverteilung im Kosmos vor einer früheren Zeit, als die Materie noch stärker komprimiert war, interpretiert wird. Als dritte Säule für das Urknallbild gilt die Häufigkeitsverteilung der Elemente.[122] Modellrechnungen für die Synthese von verschiedenen Atomkernen im Urknall liefern für die relative Häufigkeit der Isotope des Wasserstoffs und Heliums Werte, die sehr gut mit den beobachteten Verhältnissen übereinstimmen.[123]
Nach dem Standardmodell ist die erste Phase des Kosmos nach dem Urknall durch unbekannte Quantenphänomene gekennzeichnet. Aussagen können erst nach rund 5 * 10-44 Sekunden (sog. Planck-Zeit) gemacht werden. Zu dieser Zeit betrug die Temperatur etwa 1032 K. Das Universum begann sich räumlich auszudehnen, wodurch sich die Gravitation und die starke Wechselwirkung von der sog. Urkraft abspaltete. Eine vorübergehend stark abstoßende Kraft, die Gegengravitation, bewirkte eine überlichtschnelle Ausdehnung des Raumes (nur eine überlichtschnelle Ausdehnung im Raum würde der Relativitätstheorie widersprechen!). Aus sog. Urteilchen entstanden bald Photonen, Neutrinos, Quarks, Elektronen und X-Teilchen sowie deren Antiteilchen. Die X-Teilchen zerfielen jedoch restlos in Quarks, Elektronen und Photonen. Mit fallenden Temperaturen entstanden aus den Quarks die Neutronen und Protonen, welche sich wiederum zu Atomkernen zusammenschlossen. Nachdem die Elektronen die elektromagnetische Wechselwirkung mit sinkender Temperatur nicht mehr überwinden konnten, wurden diese eingefangen und es bildeten sich Atome. Atomare Materie ballte sich mithilfe der Gravitation zu großen Strukturen zusammen. Das lässt ca. 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall erste Galaxien entstehen, nach weiteren 3 Milliarden Jahren bilden sich Planeten wie unsere Erde. Ebenfalls entstehen komplexe Molekularstrukturen aus den Atomen, welche Voraussetzung von Leben sind.[124]
Offen lässt die Urknalltheorie etwa Fragen nach der Herkunft der Urteilchen und Urkräfte.[125]
Das Urknallmodell des Universums beruht sowohl auf der Allgemeinen Relativitätstheorie als auch auf der Quantentheorie. Die Quantentheorie wird zur Beschreibung der Entstehung der Materie benutzt, kann aber nicht die Entstehung von Raum und Zeit erklären. Letzteres ist die Domäne der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das bedeutet, man kann damit sowohl die Entstehung der Makrowelt (Sterne, Galaxien, Kosmos) als auch der Mikrowelt (Atome, Moleküle subatomare Teilchen) nachvollziehen, jedoch nur unabhängig voneinander. Werden die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie gemeinsam verwendet, um ein Modell des zeitlichen Verlaufes des Universums zu bestimmen, erhält man einen Zeitpunkt, die sog. Urknall-Singularität, zu dem die Dichte des Universums unendlich groß war. An einem solchen Punkt verlieren sämtliche Gleichungen ihren Sinn.
Eine erfolgreiche Kombination aus Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie könnte erklären, was an dem Unendlichkeitspunkt der Urknall - Singularität passierte.
Nach Meinung vieler Physiker ist die Superstringtheorie ein solcher Ansatz. Dieser Ansatz der „Superfäden“ geht von der Vorstellung aus, dass die kleinsten Bausteine der Welt nicht punktförmige Elementarteilchen sind, sondern dass diesen Teilchen eine noch tiefere Struktur zu Grunde liegt. Demnach ist eigentlich jedes Teilchen aus einer fadenförmigen, schwingenden Energiekonzentration aufgebaut, die 1020 mal kleiner als ein Atomkern ist:
Abb. 5: Strings gelten in der Stringtheorie als die fundamentalen Bausteine der Materie. Man kann sie sich als schwingende Saiten vorstellen, die je nach Art der Schwingung unterschiedliche Elementarteilchen repräsentieren. Aus diesen wiederum sind die Atome und schließlich die Gegenstände der makroskopischen Welt aufgebaut. Die Ausdehnung eines Strings entspricht 10 "35 Metern.
(Quelle: Lüst, Stringtheorie, S.36)
Wie eine Geigensaite, die in verschiedenen Mustern (Tonhöhen) vibriert, bringt auch dieser String verschiedene Schwingungen hervor. Die Schwingungen sollen, so die Theorie, verschiedene Eigenschaften der Elementarteilchen hervorbringen. Vibriert ein String (Saite) in einer bestimmten Weise, so würde etwa ein Objekt mit der Masse und elektrische Ladung des Elektrons erscheinen bzw. was man traditionsgemäß als Elektron bezeichnen würde. Schwingungen in anderen Mustern hätten entsprechende Eigenschaften, die erforderlich sind, sie als andere Teilchen zu bezeichnen. Das Zurückführen aller Erscheinungen der Elementarteilchen auf ein einzelnes Objekt (Strings) würde außerdem eine Vereinigung aller bekannten Kräfte (Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung) zulassen. Es gäbe dann nicht unterschiedliche Konzepte, wie die Raumzeit als Trägerin der Gravitationskraft oder das elektromagnetische Feld als Träger der elektrischen Kraft, sondern nur ein einziges Objekt, aus dessen Schwingungen alle Kräfte und Materieteilchen hervorgehen. Für die Stringtheorie müsste jedoch ein hochdimensionaler Raum mit mindestens zehn Raumdimensionen (also elf Raum-Zeitdimensionen) vorhanden sein. Um diese in den üblichen dreidimensionalen Raum zu überführen, stellt man sich diese als nicht nachweisbar klein, sie werden auch als „aufgewickelt“ bezeichnet, vor. Außerdem lässt dieses Modell die Existenz vieler Universen zu bzw. fordert sie geradezu.[126]
Kritik wird an der Theorie laut, da sie weder eindeutige noch nachprüfbare und falsifizierbare Vorhersagen macht. Am heftigsten wird sie dafür kritisiert, dass sie unüberprüfbare Aussagen über eine Anzahl von Universen macht und auch nicht erklären kann, warum Naturkonstanten und Kraftgesetzte in unserem Universum gerade so sind, wie wir sie kennen.[127]
Eine weitere Variante, die für eine Kombination aus Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantentheorie gehandelt wird, ist die Schleifen - Quantengravitation. Es handelt sich dabei um einen Ansatz für eine nichtsinguläre Beschreibung des Urknalls, wobei in dieser Theorie das Universum schon vor dem Urknall existierte.[128]
Die Schleifen- Quantengravitation kommt mit den uns bekannten drei Dimensionen aus, sie versucht die Raumzeit aus eindimensionalen „Schleifen“ aufzubauen. Räumliche Abstände, Flächeninhalte und Volumina werden erzeugt, indem aus den „Schleifen“ ein Art Gitterwerk als Raum erbaut wird. Ihren Ausgangspunkt fand die Theorie durch eine Umformulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Diese gerät nämlich in Schwierigkeiten, da sie annimmt, der Raum sei ein Kontinuum. Die Schleifen - Quantengravitation hingegen besagt, dass der Raum eigentlich ein Gewebe winziger Raumzeitatome ist, deren Durchmesser der Planck-Länge entspricht, wodurch Gravitations- und Quanteneffekte vergleichbar sind und die Allgemeine Relativitätstheorie (=Erklärung der Entstehung der Makrowelt) und die Quantentheorie (=Erklärung der Entstehung der Mikrowelt) miteinander vereinbar wären[129].
In diesem Modell kann niemals eine Singularität, also ein Zustand...
