Kosmologie

kleiner Überblick

Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Ursprung, der Entwicklung und der grundlegenden Struktur des Universums (Kosmos) als Ganzem und ist ein Teilgebiet der Astronomie
http://de.wikipedia.org/wiki/Kosmologie

Der Urknall bezeichnet keine Explosion in einem bestehenden Raum, sondern die gemeinsame Entstehung von Materie, Raum und Zeit aus einer ursprünglichen Singularität.
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall

Diese Singularität nun macht uns Kopfzerbrechen.

Den Friedmann-Gleichungen zufolge war die Energiedichte des Universums in seiner Frühphase sehr hoch. Das bedeutet, dass auch die Energien der Teilchen im Mittel sehr hoch waren. Die sehr frühe Phase des Universums ist daher Gegenstand von Theorien, die nicht mit Laborexperimenten überprüft werden können.
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Das_fr.C3.BChe_Universum

Da das direkte Messen nicht möglich ist, bleibt nur die rückwärts gerichtete Beobachtung und vorallem aber die Bestätigung des Beobachtbaren.

Die Urknall-Modelle mit den oben beschriebenen Charakteristika sind die anerkanntesten Modelle zur Erklärung des heutigen Zustandes des Universums. Der Grund dafür ist, dass sie einige zentrale Vorhersagen machen, die sich gut mit dem beobachteten Zustand des Universums decken. Die wichtigsten Vorhersagen sind die Expansion des Universums, die kosmische Hintergrundstrahlung und die Elementverteilung, insbesondere der Anteil an Helium an der Gesamtmasse der Atome. Auch die wichtigsten Eigenschaften der Temperaturfluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung werden im Rahmen der Urknall-Modelle mittels kosmologischer Störungstheorie sehr erfolgreich erklärt. Die Theorie der Temperaturfluktuationen bietet außerdem ein Modell zur Entstehung großräumiger Strukturen, nämlich der Filamente und Voids, die die zuvor beschriebene Wabenstruktur bilden.
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Vorhersagen_der_Urknall-Modelle

Es gibt also beobachtbare Dinge, die mittels der Theorien erklärbar sein müssen.

Die kosmische Mikrowellenstrahlung gilt als Beleg für die Urknalltheorie (Standardmodell) und stammt aus der Zeit etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. Vor diesem Zeitpunkt standen Strahlung und Materie im thermischen Gleichgewicht. Infolge der Expansion des Universums sanken die Temperatur und die Dichte des gekoppelten Strahlungs-Materie-Gemisches mit der Zeit, bis schließlich bei einer Temperatur von etwa 3000 Kelvin Protonen und Elektronen elektrisch neutralen Wasserstoff bilden konnten, was in der Physik als Rekombination bezeichnet wird.
http://de.wikipedia.org/wiki/Kosmischer_Mikrowellenhintergrund

Laut der heute gängigsten Theorie ist die kosmologische Rotverschiebung kein Dopplereffekt im eigentlichen Sinne, sondern beruht auf der allgemeinen zeitlichen Zunahme von Abständen im Universum. Dies führt zu der Annahme des Urknalls, da die Abstände zwischen den Galaxien in diesem Modell zu einem endlichen Zeitpunkt in der Vergangenheit verschwinden und daher ein Zustand unendlich hoher Dichte vorliegt.
http://de.wikipedia.org/wiki/Expansion_des_Universums

Als kosmologische Inflation wird eine Phase extrem rascher Expansion des Universums bezeichnet, von der man annimmt, dass sie unmittelbar nach dem Urknall stattgefunden hat.
Je nach zugrunde liegenden Annahmen begann sie zwischen 10 hoch -43 s, d. h. der Planck-Zeit, und damit dem Beginn des Urknalls selbst, und 10 hoch -35 s und dauerte bis zu einem Zeitpunkt zwischen 10 hoch -33 s und 10 hoch -30 s nach dem Urknall.
http://de.wikipedia.org/wiki/Inflation_%28Kosmologie%29

anders ausgedrückt:

Als primordiale Nukleosynthese bezeichnet man eine physikalische Theorie, die die Bildung der ersten Atomkerne kurz nach dem Urknall beschreibt.
Nach der heute akzeptierten Theorie konnten die Prozesse zur Bildung der ersten Atomkerne etwa eine Hundertstelsekunde nach dem Urknall beginnen. Das Universum hatte sich nun so weit abgekühlt, dass die bisher als Plasma vorliegenden Quarks zu Protonen und Neutronen im Verhältnis 1:1 kondensierten. Die Temperatur betrug zu diesem Zeitpunkt noch ca. 10 Mrd. Kelvin
http://de.wikipedia.org/wiki/Primordiale_Nukleosynthese

Als primordiale Nukleosynthese wird die Entstehung von Atomkernen im frühen Universum bezeichnet. Nach Ende der Inflation, also nach etwa "10 hoch -30" s sank die Temperatur auf "10 hoch 25" K ab. Es bildeten sich Quarks und Anti-Quarks, die Bausteine der heutigen schweren Teilchen (Baryogenese). Die Temperatur war aber so hoch und die Zeiten zwischen zwei Teilchenstößen so kurz, dass sich noch keine stabilen Protonen oder Neutronen bildeten, sondern ein so genanntes Quark-Gluonen-Plasma aus annähernd freien Teilchen entstand.
Nach "10 hoch -6" s lag eine Temperatur von "10 hoch 13" K vor. Quarks konnten nicht mehr als freie Teilchen existieren, sondern vereinigten sich zu Hadronen, den Bausteinen der Atomkerne. Nach "10 hoch -4" s war die Temperatur auf "10 hoch 12" K gesunken, so dass keine Proton-Antiproton- oder Neutron-Antineutron-Paare mehr gebildet wurden. Die meisten Protonen und Neutronen wurden bei Stößen mit ihren Antiteilchen vernichtet – bis auf einen kleinen Überschuss von einem Milliardstel. Die Dichte sank auf "10 hoch 13" g/cm3. Mit abnehmender Temperatur zerfielen die schwereren Hadronen und es blieben schließlich Protonen und Neutronen sowie ihre Antiteilchen übrig.
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Primordiale_Nukleosynthese

Aber schon tauchen auch Probleme auf, für die man wiederum neue, nicht leichter beweisbare, Theorien braucht:

Ohne Dunkle Materie würde die Entstehung großräumiger Strukturen, wie der Wabenstruktur aus Voids und Filamenten, ebenso wie die Entstehung eher kleinerer Strukturen, wie Galaxien, viel länger dauern als das Alter des Universums, das sich aus den Urknall-Modellen ergibt.
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Bildung_gro.C3.9Fr.C3.A4umiger_Strukturen

Dennoch zeigt uns das Urknallmodell Aussagen auf, die präzise mit der Beobachtung übereinstimmen. Das Universum, wie wir es sehen, lässt sich (bisher) am naheliegendsten mit diesem Model beschreiben.
Wichtig dabei: Das Urknallmodell zeigt uns die Entfaltung des Universums auf, nicht aber die Entstehung, oder das da vor liegende.

Schauen wir weiter:

Die Branenkosmologie ist eine häufig (aber nicht nur) im Zusammenhang mit der Stringtheorie diskutierte Theorie, die davon ausgeht, dass neben den vier in der Kosmologie üblichen Raumzeitdimensionen noch eine oder mehrere zusätzliche Dimensionen (Extradimensionen) existieren. Die vierdimensionale Raumzeit ist somit eine Hyperebene, die sogenannte Bran, die in eine höherdimensionale Raumzeit, den sogenannten Bulk, eingebettet ist. Gewöhnliche Materie ist auf der Bran gefangen, das heißt, sie kann nicht in die Extradimension(en) entweichen. Die zusätzlichen Dimensionen sind deshalb im Alltag nicht wahrnehmbar. Sie haben allerdings Einfluss auf das Expansionsverhalten des Universums, was eine Möglichkeit zur experimentellen Überprüfung der Branenkosmologie liefert.
http://de.wikipedia.org/wiki/Branenkosmologie

jedoch:

Die moderne Behandlung dieser Theorie ging vom 1999 entwickelten Randall-Sundrum-Modell aus. In diesem soll eine Brane das beobachtbare Universum modellieren. Es liefert ein Erklärungsmodell dafür, warum die Gravitation viel schwächer ist als die anderen Grundkräfte, beschreibt aber keine Evolution des Universums. Es enthält also keine Expansion des Universums und daher auch weder Rotverschiebung noch Hintergrundstrahlung. Es ist damit kein realistisches Modell des beobachtbaren Universums
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Branenkosmologie

daher:

Ein weiterentwickeltes Modell der Branenkosmologie ist das zyklische ekpyrotische Universum von Paul Steinhardt und Neil Turok, das ebenfalls auf der Stringtheorie basiert und 2002 entwickelt wurde. In diesem Modell kollidieren zwei vierdimensionale Branen in einer fünfdimensionalen Raumzeit periodisch, wobei sie jedes Mal einen Zustand erzeugen, wie er nach dem Urknallmodell im sehr frühen Universum geherrscht hat. Sie bilden insbesondere eine Alternative zur Inflationstheorie, indem sie im Rahmen der heutigen (2011) Messgenauigkeit dieselben Vorhersagen machen. Allerdings macht das ekpyrotische Modell abweichende Vorhersagen zur Polarisierung der Fluktuationen der Hintergrundstrahlung, dadurch ist es durch zukünftige Messungen im Prinzip möglich, eines der beiden Modelle zu falsifizieren.
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Branenkosmologie

Ein weitere Hypothese:

Die Loop Quantum Cosmology gibt eine Erklärung für die kosmische Inflation und bietet mit dem Big Bounce ein kosmologisches Modell ohne Urknallsingularität. In diesem Modell kollabiert ein Vorgänger-Universum in einem Big Crunch, allerdings sorgen Effekte der Quantengravitation dafür, dass es nicht zu einer Singularität kollabiert, sondern nur bis zu einer maximalen Dichte. Dann setzt wieder eine Expansion ein, aus der das heutige Universum hervorgeht. Dieses Modell ist aktuell (2011) Forschungsgegenstand und viele Fragen sind noch ungeklärt. Unter anderem ist nicht klar, ob sich die Geschichte des zyklischen Universums bei jedem Durchlauf identisch wiederholt oder variiert.
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Loop_Quantum_Cosmology

Eine weitere interessante Theorie, im Bezug auf die Hawking-Strahlung, ist, das Information (ähnlich wie Energie) nicht "vernichtbar" ist, sondern dauerhaft besteht. Hawkins ging erst davon aus, das die in Schwarze Löcher eingezogene Materie für unser Universum verloren sei und zwangsläufig daher wohl in einem anderem Universum heraus kommen müsste. diese Theorie veränderte er, in dem er das andere Universum wegließ und den Energieerhaltungssatz auf Informationen ummünzte. Im Resultat heißt das:
Zustand "A" (das frühe Universum) verändert sich über den Zeitraum "t" zum Zustand "B" (das heutige Universum). Sofern die Information erhalten bleibt, kann man von Zustand B zurückrechnen, um auf Zustand A zu kommen. Ggf. muss man dabei jeoch quantenmechanische Einwirkung außer acht lassen, was ggf. wieder Komplikationen aufwirft. Gleichsam passt diese Theorie von der Informationserhaltung zum Modell des Hologrammes, was eben aus den Theorien über Schwarze Löcher erarbeitet wird. Alle Information der hinein gezogenen Materieobjekte wären wohl auf dem Ereignisshorizont des Schwarzen Loches gespeichert (und daher theoretisch vielleicht abrufbar und somit klonbar).

weiterführend:

Wie aus dem Nichts etwas wird Mittlerweile aber ersinnen Physiker und Kosmologen dazu einige Szenarien. Sie beruhen auf sogenannten Quantenfluktuationen, also spontanen und nicht berechenbaren Ereignissen in der zufallsbestimmten Welt der Quanten. In seinem Buch „A Universe from Nothing“ (Ein Universum aus dem Nichts) fasst der US-Kosmologe Lawrence Krauss jetzt den Stand der Diskussion zusammen.
http://www.fr-online.de/raumfahrt/universum-kosmologie-wie-aus-dem-nichts-etwas-wird-,1473248,20641232.html

Ein kosmischer String (engl. "Faden", "Saite") ist ein hypothetischer, beinahe eindimensionaler topologischer Defekt im Raum. Bis jetzt sind kosmische Strings nur in der Theorie bekannt, es gibt keine Beobachtungen, die ihre Existenz beweisen. Aus den Theorien über die Entwicklung des Universums kann man jedoch zumindest die Möglichkeit ihrer Existenz folgern.
http://de.wikipedia.org/wiki/Kosmischer_String

Als Stringtheorie bezeichnet man eine Sammlung eng verwandter hypothetischer physikalischer Modelle, die anstelle der Elementarteilchen – das sind Objekte der Dimension Null – sogenannte Strings (englisch für Fäden oder Saiten) als fundamentale Objekte mit eindimensionaler räumlicher Ausdehnung verwenden. Das steht im Gegensatz zu den gewohnten Modellen der Quantenfeldtheorie, die von nulldimensionalen Teilchen ausgehen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Stringtheorie

Hin und her in neun Dimensionen: die Stringtheorie ...
http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/05/25/hin-und-her-in-neun-dimensionen-die-stringtheorie/

wie der renommierte franko-kanadische Astrophysiker Hubert Reeves: "Obwohl das Urknallmodell zahlreiche Schwächen und Unklarheiten aufweist, ist es auf dem Markt der kosmologischen Theorien bei weitem die beste Wahl."
http://www.astronomie.de/bibliothek/artikel-und-beitraege/universum/der-ur-knall/

Nochmal Urknall, etwas ausführlicher:
http://www.bertramkoehler.de/Kos1.htm

(Das DN-Modell)
Die Erklärung des Phänomens besteht im Nachweis, dass das Phänomen den bekannten allgemeinen Gesetzen gehorcht, die auf die speziellen Gegebenheiten anzuwenden sind.
https://de.wikipedia.org/wiki/Deduktiv-nomologisches_Modell

Das DN-Modell genügt dem Rahmen unserer Frage also nicht. Wie aber können wir die Frage nun besser beantworten? Eine erste Möglichkeit besteht in der Akzeptanz der Instanz Gott. In diesem Falle würden wir jedoch unsere Diskussionsbereitschaft aufgeben. Als zweite Möglichkeit ergibt sich die Zufälligkeit der Naturgesetze. Sind sie vielleicht gar nicht erklärungsbedürftig?
...
(mögliche weitere Antworten:)
a) Das Gesetz gilt aus statistischen Gründen
b)Anthropisches Prinzip: Wir existieren, daher muss die Welt so geformt sein
c) Das Gesetz gilt a priori
d) Das Gesetz ist durch Evolution entstanden
e) Zusammentreffen mehrerer solcher Erklärungen
http://pauli.uni-muenster.de/tp/fileadmin/lehre/Seminar_Philosophie/Flock.pdf

Von Zufall spricht man dann, wenn für ein einzelnes Ereignis oder das Zusammentreffen mehrerer Ereignisse keine kausale Erklärung gegeben werden kann.

- Ein Ereignis geschieht objektiv ohne Ursache.
- Ein Ereignis geschieht, ohne dass eine Ursache erkennbar wäre.
- Ein Ereignis geschieht, bei dem man zwar die Einflussfaktoren kennt, sie aber nicht messen oder steuern kann, so dass das Ergebnis nicht vorhersehbar ist („empirisch-pragmatischer Zufall“).
- Zwei Ereignisse stehen in keinem (bekannten) kausalen Zusammenhang.
http://de.wikipedia.org/wiki/Zufall

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Eine neue Ära der Astrophysik hat begonnen: Erstmals wurden Gravitationswellen von der Annäherung und dem brachialen Zusammenprall zweier Neutronensterne gemessen – und zudem das elektromagnetische Spektakel, das sich anschloss. Dieser Meilenstein in der Erforschung des Universums ist eine Bestätigung von teils Jahrzehnte alten Vorstellungen. Die neuen Erkenntnisse zeigen auch, woher die schwersten Elemente stammen – etwa Gold, Platin und Uran. Und sie erlauben es auf neue Weise, die Allgemeine Relativitätstheorie zu testen und die Ausdehnung des Weltraums zu messen.

https://hpd.de/artikel/kollision-sternruinen-gravitationswellen-und-gammablitz-14894