Wir bewerten und vergleichen konkurrierende kosmologische Modelle im Hinblick auf theoretische Konsistenz und empirische Kohärenz. Ferner finden wir neue Wege, aktuelle kosmologische Paradigmen des frühen Universums weiter zu entwickeln. Im ersten Teil der Arbeit zeigen wir, dass die empirischen Daten der Planck2013-Satellitenmission für eine spezielle Klasse inflationärer Modelle sprechen, nämlich sog. “plateauartige Modelle mit schmalem Feldbereich”; gleichsam werden die einfachsten inflationären Modelle von den Messdaten nicht gestärkt. Wir formulieren eine neuartige konzeptionelle Schwierigkeit für Plateau-Modelle. Diese besteht darin, dass in einer Energielandschaft, die sowohl plateauartige als auch einfachere Formen der inflationären Potenziale enthält, die plateauartigen weniger Inflation produzieren und es deshalb weniger wahrscheinlich ist, dass sie das observable Universum beschreiben. Wir zeigen ferner, dass dieselben Plateau-Modelle mit einem neuen Multiversumsproblem und einem neuen Anfangswertsproblem behaftet sind. Im zweiten Teil untersuchen wir die Implikationen einer einfachen und experimentell motivierten Zusatzbedingung, Skalenfreiheit. Wir zeigen, dass die uneingeschränkte Palette inflationärer Potenziale sich auf ein wohldefiniertes Bündel inflationärer Modelle reduziert. Dabei verwenden wir eine allgemeine hydrodynamische Beschreibung. Wir klassifizieren und bewerten diese skalenfreien inflationären Modelle im Licht von Planck2013. Anschließend wiederholen wir die Analyse, um ähnliche skalenfreie zyklische Modelle des Universums zu konstruieren. Diese Modelle vergleichen wir mit unseren Ergebnissen, die wir für die skalenfreie inflationäre Theorie gewonnen haben. Im dritten Teil der Arbeit führen wir eine neue Klasse stabiler zyklischer Modelle ein. Wir zeigen, dass diese Modelle weniger Feinabstimmung der Anfangswerte benötigen. Gleichsam generieren sie vernachlässigbare Nicht-Gaussianität in Übereinstimmung mit den Planck2013-Messdaten. / In this thesis we evaluate and compare competing cosmological models for empirical and theoretical consistency and identify new ways of improving current paradigms of early universe cosmology. In the first part, we show that the most recent experimental data from the Planck2013 satellite measuring fluctuations in the cosmic microwave background favors a special class of “small-field plateau-like” models of inflation and disfavors the simplest inflationary potentials. We then identify a new kind of conceptual difficulty for the plateau models that we call the unlikeliness problem – namely, in an energy landscape that includes both plateau-like and simpler potential shapes, the plateau-like produces less inflation and, hence, is less likely to explain our observable universe. In addition, we show that the very same plateau-like models suffer from a new multiverse problem and a new initial conditions problem because they require that inflation starts at energy densities well below the Planck scale. Third, we comment on the impact of these results on the standard view of inflation and more recent versions of the theory invoking the multiverse and complex energy landscapes. In the second part of this thesis, imposing a single, simple, well-motivated constraint – scale-freeness – and using a general hydrodynamic analysis, we show that the unrestricted range of inflationary potentials reduces to a well-defined bundle of inflationary models. We classify and evaluate the scale-free inflationary models in light of Planck2013. We then repeat the construction to produce analogous scale-free bouncing cyclic models of the universe and compare with the inflationary results. In the third part, we introduce a new class of stable ekpyrotic/cyclic models that require less fine-tuning and generate negligible non-Gaussianity consistent with Planck2013 data.

In dieser Arbeit untersuchen wir kosmologische Modelle des frühen Universums, insbesondere alternative Modelle zur Inflationstheorie. Im ersten Teil leiten wir mithilfe des kovarianten Formalismus die Bewegunsgleichungen für zwei Skalarfelder mit nicht-kanonischem Feldraum bis zur dritten Ordnung in der Störtheorie her. Diese Gleichungen können dazu verwendet werden, Vorhersagen für die Bi- und Trispektren von Multi-Feldmodellen zu treffen, z.B. nicht-minimale ekpyrotische Modelle. In diesen Modellen werden zuerst aufgrund der nicht-minimalen kinetischen Kopplung zwischen den beiden Skalarfeldern nahezu skaleninvariante Entropiefluktuationen erzeugt, die dann anschließend in adiabatische Fluktuationen umgewandelt werden. Das Bi- sowie das Trispektrum der Entropiefluktuationen ist genau null während der ekpyrotischen Phase. Damit die Amplitude der adiabatischen Fluktuationen und das Bispektrum kompatibel mit derzeitigen Messungen sind, muss der Umwandlungsprozess effizient sein, was zu einem signifikanten, negativen Trispektrum-Parameter führt. Als zweite Alternative zur Inflation konstruieren wir ein neues kosmologisches Modell, das im Rahmen der Skalar-Tensor-Gravitationstheorien Elemente der Inflation mit Elementen des ekpyrotischen Modells verbindet. Während einer Phase der Konflation expandiert das Universum beschleunigt, jedoch mit negativer potentieller Energie. Skalare und tensorielle Fluktuationen werden nicht verstärkt – die ewige Inflation und die damit einhergehenden Unendlichkeiten werden vermieden. Wir zeigen außerdem, wie Dichtefluktuationen in Übereinstimmung mit aktuellen Beobachtungen erzeugt werden können, indem wir mithilfe eines zweiten Skalarfeldes den entropischen Mechanismus einsetzen. Beide Modelle unterscheiden sich von “slow-roll” Inflationstheorien basierend auf einem Skalarfeld darin, dass keine primordialen Gravitationswellen produziert werden und sie folglich mit den aktuellen Daten des PLANCK-Satelliten übereinstimmen. / In this thesis we explore cosmological models of the early universe, in particular alternatives to the theory of inflation. In the first part of this thesis, we derive the evolution equations for two scalar fields with non-canonical field space metric up to third order in perturbation theory, employing the covariant formalism. These equations can be used to derive predictions for local bi- and trispectra of multi-field cosmological models, e.g. in non-minimal ekpyrotic models. In these models, nearly scale-invariant entropy perturbations are generated first due to a non-minimal kinetic coupling between two scalar fields, and subsequently converted into curvature perturbations. Remarkably, the entropy perturbations have vanishing bi- and trispectra during the ekpyrotic phase. However, in order to obtain a large enough amplitude and small enough bispectrum of the curvature perturbations, as seen in current measurements, the conversion process must be very efficient, leading to a significant, negative trispectrum parameter. As a second alternative to inflation, we construct a new kind of cosmological model that conflates inflation and ekpyrosis in the framework of scalar-tensor theories of gravity. During a phase of conflation, the universe undergoes accelerated expansion, but with negative potential energy. A distinguishing feature of the model is that it does not amplify adiabatic scalar and tensor fluctuations, and in particular does not lead to eternal inflation and the associated infinities. We also show how density fluctuations in accordance with current observations may be generated by adding a second scalar field to the model and making use of the entropic mechanism. The distinguishing observational feature of both models compared to single-field slow-roll inflation is an absence of primordial gravitational waves, in agreement with current data from the PLANCK satellite.