În această carte, Hawking vorbește despre multe teorii din fizică. Printre lucrurile despre care vorbește se numără istoria fizicii, gravitația, modul în care lumina se mișcă în univers, spațiul-timp, particulele elementare (obiecte foarte mici care alcătuiesc lucrurile din univers), găurile negre, Big Bang-ul (teoria conform căreia universul a pornit dintr-un singur punct) și călătoria în timp (ideea că se poate călători în trecut și în viitor).
În prima parte a cărții, Hawking vorbește despre istoria fizicii. El vorbește despre ideile unor filosofi precum Aristotel și Ptolemeu. Aristotel, spre deosebire de mulți alți oameni din vremea sa, credea că Pământul este rotund. De asemenea, el credea că soarele și stelele se învârt în jurul Pământului. Ptolemeu s-a gândit, de asemenea, la modul în care soarele și stelele erau situate în univers. El a realizat un model planetar care descria gândirea lui Aristotel. Astăzi, se știe că este adevărat contrariul; Pământul se învârte în jurul Soarelui. Ideile lui Aristotel/Ptolemeu despre poziția stelelor și a soarelui au fost infirmate în 1609. Persoana care s-a gândit prima dată la ideea că Pământul se învârte în jurul soarelui a fost Nicholas Copernicus. Galileo Galilei și Johannes Kepler, alți doi oameni de știință, au contribuit la demonstrarea ideii lui Copernicus. Aceștia au observat modul în care lunile unor planete se mișcau pe cer și au folosit acest lucru pentru a dovedi că Copernic avea dreptate. Isaac Newton a scris, de asemenea, o carte despre gravitație, care a ajutat la demonstrarea ideii lui Copernicus.
Spațiu și timp
Hawking descrie mișcarea planetelor care se deplasează în jurul soarelui și modul în care funcționează gravitația între planete și soare. El vorbește, de asemenea, despre ideile de repaus absolut și poziție absolută. Aceste idei se referă la gândul că evenimentele rămân la locul lor pe o perioadă de timp. S-a constatat că acest lucru nu este adevărat prin legile gravitaționale ale lui Newton. Ideea de repaus absolut nu funcționa atunci când obiectele se mișcă foarte repede (la viteza luminii sau viteza luminii).
Viteza luminii a fost măsurată pentru prima dată în 1676 de către astronomul danez Ole Christensen Roemer. S-a constatat că viteza luminii este foarte mare, dar cu o viteză finită. Cu toate acestea, oamenii de știință au găsit o problemă atunci când au încercat să spună că lumina călătorește întotdeauna cu aceeași viteză. Oamenii de știință au creat o nouă idee, numită eter, care a încercat să explice viteza luminii.
Albert Einstein a spus că ideea eterului nu era necesară dacă se renunța la o altă idee, cea a timpului absolut (sau a timpului care este mereu același). Ideea lui Einstein era, de asemenea, aceeași cu cea a lui Henry Poincare. Ideea lui Einstein se numește teoria relativității.
Hawking vorbește, de asemenea, despre lumină. El spune că evenimentele pot fi descrise prin conuri de lumină. Vârful conului de lumină indică direcția în care va călători lumina de la eveniment. Partea de jos arată unde a fost lumina în trecut. Centrul conului de lumină reprezintă evenimentul. Pe lângă conurile de lumină, Hawking vorbește și despre cum se poate curba lumina. Atunci când lumina trece pe lângă o masă mare, cum ar fi o stea, lumina își schimbă ușor direcția spre masă.
După ce vorbește despre lumină, Hawking vorbește despre timp în teoria relativității a lui Einstein. O predicție pe care o face teoria lui Einstein este că timpul va trece mai încet atunci când ceva se află în apropierea unor mase uriașe. Cu toate acestea, atunci când ceva este mai departe de masă, timpul va trece mai repede. Hawking a folosit ideea a doi gemeni care trăiesc în locuri diferite pentru a-și descrie ideea. Dacă unul dintre gemeni ar locui pe un munte, iar celălalt lângă mare, geamănul care a locuit pe munte ar fi puțin mai bătrân decât cel care a locuit la mare.
Universul în expansiune
Hawking vorbește despre universul în expansiune. Universul se mărește în timp. Unul dintre lucrurile pe care le folosește pentru a-și explica ideea este deplasarea Doppler. Deplasarea Doppler are loc atunci când ceva se apropie sau se îndepărtează de un alt obiect. Există două tipuri de lucruri care se întâmplă în deplasarea Doppler - deplasarea în roșu și deplasarea în albastru. Deplasarea roșie are loc atunci când ceva se îndepărtează de noi. Acest lucru este cauzat de creșterea lungimii de undă a luminii vizibile care ajunge la noi și de scăderea frecvenței, ceea ce deplasează lumina vizibilă spre capătul roșu/infraroșu al spectrului electromagnetic. Deplasarea spre roșu este legată de convingerea că universul se extinde, deoarece lungimea de undă a luminii crește, aproape ca și cum s-ar întinde pe măsură ce planetele și galaxiile se îndepărtează de noi, ceea ce are asemănări cu efectul Doppler, care implică undele sonore. Deplasarea albastră are loc atunci când ceva se deplasează spre noi, procesul opus deplasării spre roșu, în care lungimea de undă scade și frecvența crește, deplasând lumina spre capătul albastru al spectrului. Un om de știință pe nume Edwin Hubble a descoperit că multe stele sunt deplasate spre roșu și se îndepărtează de noi. Hawking folosește deplasarea Doppler pentru a explica faptul că universul devine tot mai mare. Se crede că începutul universului a avut loc prin ceva numit Big Bang. Big Bang-ul a fost o explozie foarte mare care a creat universul.
Principiul Incertitudinii
Principiul incertitudinii spune că viteza și poziția unei particule nu pot fi găsite în același timp. Pentru a afla unde se află o particulă, oamenii de știință luminează particula. Dacă se utilizează o lumină de înaltă frecvență, lumina poate găsi poziția cu mai multă precizie, dar viteza particulei va fi necunoscută (deoarece lumina va modifica viteza particulei). Dacă se utilizează o lumină cu frecvență mai mică, lumina poate determina viteza cu mai multă precizie, dar poziția particulei va fi necunoscută. Principiul incertitudinii a infirmat ideea unei teorii deterministe sau ceva care ar putea prezice totul în viitor.
În acest capitol se vorbește mai mult și despre modul în care se comportă lumina. Unele teorii spun că lumina se comportă ca niște particule, deși în realitate este formată din unde; o teorie care susține acest lucru este ipoteza cuantică a lui Planck. O altă teorie spune, de asemenea, că undele de lumină se comportă și ele ca niște particule; o teorie care spune acest lucru este principiul incertitudinii lui Heisenberg.
Undele luminoase au creste și depresiuni. Cel mai înalt punct al unui val este creasta, iar cea mai joasă parte a valului este un depresor. Uneori, mai multe dintre aceste unde pot interfera între ele - crestele și depresiunile se aliniază. Acest lucru se numește interferență luminoasă. Atunci când undele de lumină interferează între ele, se pot obține mai multe culori. Un exemplu în acest sens sunt culorile din bulele de săpun.
Particule elementare și forțe ale naturii
Quarcii sunt lucruri foarte mici care alcătuiesc tot ceea ce vedem (materie). Există șase "arome" diferite de quarci: quarc up, quarc down, quarc ciudat, quarc fermecat, quarc bottom și quarc top. De asemenea, quarcii au trei "culori": roșu, verde și albastru. Există, de asemenea, anti-quarci, care sunt opusul quarcilor obișnuiți. În total, există 18 tipuri diferite de quarcuri obișnuite și 18 tipuri diferite de antiquarcuri. Quarcii sunt cunoscuți ca fiind "blocurile de construcție ale materiei", deoarece sunt cele mai mici lucruri care alcătuiesc toată materia din univers.
Toate particulele elementare (de exemplu, quarcii) au ceva numit spin. Spinul unei particule ne arată cum arată o particulă din diferite direcții. De exemplu, o particulă cu spin 0 arată la fel din orice direcție. O particulă cu spin 1 arată diferit din orice direcție, cu excepția cazului în care particula este rotită complet (360 de grade). Exemplul lui Hawking pentru o particulă cu spin 1 este o săgeată. O particulă de spin 2 trebuie să fie învârtită pe jumătate (sau la 180 de grade) pentru a arăta la fel. Exemplul dat în carte este cel al unei săgeți cu două capete. În univers există două grupuri de particule: particule cu spin 1/2 și particule cu spin 0, 1 sau 2. Toate aceste particule respectă principiul de excludere al lui Pauli. Principiul de excludere al lui Pauli spune că particulele nu se pot afla în același loc și nu pot avea aceeași viteză. Dacă principiul de excludere al lui Pauli nu ar exista, atunci totul în univers ar arăta la fel, ca o "supă" aproximativ uniformă și densă.
Particulele cu un spin de 0, 1 sau 2 deplasează forța de la o particulă la alta. Câteva exemple de astfel de particule sunt gravitonii virtuali și fotonii virtuali. Gravitonii virtuali au spinul 2 și reprezintă forța de gravitație. Acest lucru înseamnă că atunci când gravitația afectează două lucruri, gravitonii se deplasează către și de la cele două lucruri. Fotonii virtuali au un spin de 1 și reprezintă forțele electromagnetice (sau forța care ține atomii împreună).
Pe lângă forța de gravitație și forțele electromagnetice, mai există forțele nucleare slabe și puternice. Forțele nucleare slabe sunt forțele care cauzează radioactivitatea sau atunci când materia emite energie. Forța nucleară slabă acționează asupra particulelor cu un spin de 1/2. Forțele nucleare puternice sunt forțele care mențin împreună quarcii dintr-un neutron și un proton și care mențin împreună protonii și neutronii într-un atom. Particula care poartă forța nucleară puternică este considerată a fi un gluon. Gluonul este o particulă cu spinul 1. Gluonul ține împreună quarcii pentru a forma protoni și neutroni. Cu toate acestea, gluonul ține laolaltă doar quarcii care au trei culori diferite. Acest lucru face ca produsul final să nu aibă nicio culoare. Acest lucru se numește confinare.
Unii oameni de știință au încercat să elaboreze o teorie care să combine forța electromagnetică, forța nucleară slabă și forța nucleară puternică. Această teorie se numește marea teorie unificată (sau GUT). Această teorie încearcă să explice aceste forțe într-un singur mod sau teorie mare și unificată.
Găuri negre
Găurile negre sunt stele care s-au prăbușit într-un punct foarte mic. Acest punct mic se numește singularitate.Această singularitate este un punct din spațiu-timp care se rotește cu o viteză mare.Acesta este motivul pentru care găurile negre nu au timp. Găurile negre aspiră lucruri în centrul lor, deoarece gravitația este foarte puternică. Unele dintre lucrurile pe care le poate absorbi sunt lumina și stelele. Numai stelele foarte mari, numite super-gigante, sunt suficient de mari pentru a deveni o gaură neagră. Pentru a se transforma într-o gaură neagră, steaua trebuie să aibă o masă de o dată și jumătate sau mai mare decât cea a Soarelui. Acest număr se numește limita Chandrasekhar. În cazul în care masa unei stele este mai mică decât limita Chandrasekhar, aceasta nu se va transforma într-o gaură neagră, ci într-un alt tip de stea, mai mică. Limita găurii negre se numește orizontul evenimentelor. Dacă ceva se află în orizontul evenimentelor, nu va ieși niciodată din gaura neagră.
Găurile negre pot avea forme diferite. Unele găuri negre sunt perfect sferice - ca o minge. Alte găuri negre se umflă în mijloc. Găurile negre vor fi sferice dacă nu se rotesc. Găurile negre vor avea o umflătură la mijloc dacă se rotesc.
Găurile negre sunt greu de găsit, deoarece ele nu emit lumină. Ele pot fi descoperite atunci când găurile negre absorb alte stele. Atunci când găurile negre absorb alte stele, gaura neagră emite raze X, care pot fi observate cu ajutorul telescoapelor. Hawking vorbește despre pariul său cu un alt om de știință, Kip Thorne. Hawking a pariat că găurile negre nu există, pentru că nu dorea ca munca sa asupra găurilor negre să fie irosită. A pierdut pariul.
Hawking și-a dat seama că orizontul de evenimente al unei găuri negre poate doar să se mărească, nu să se micșoreze. Suprafața orizontului de evenimente al unei găuri negre se mărește de fiecare dată când ceva cade în gaura neagră. De asemenea, Hawking și-a dat seama că, atunci când două găuri negre se combină, dimensiunea noului orizont de evenimente este mai mare sau egală cu suma orizonturilor de evenimente ale celorlalte două găuri negre. Acest lucru înseamnă că orizontul de evenimente al unei găuri negre nu poate deveni niciodată mai mic.
Dezordinea, cunoscută și sub numele de entropie, este legată de găurile negre. Există o lege științifică care are legătură cu entropia. Această lege se numește a doua lege a termodinamicii și spune că entropia (sau dezordinea) va crește întotdeauna într-un sistem izolat (de exemplu, universul). Relația dintre cantitatea de entropie dintr-o gaură neagră și dimensiunea orizontului evenimentelor a fost gândită pentru prima dată de un student cercetător (Jacob Bekenstein) și dovedită de Hawking, ale cărui calcule au arătat că găurile negre emit radiații. Acest lucru era ciudat, deoarece se spunea deja că nimic nu poate scăpa din orizontul de evenimente al unei găuri negre.
Această problemă a fost rezolvată atunci când s-a gândit la ideea de perechi de "particule virtuale". Una dintre perechile de particule ar cădea în gaura neagră, iar cealaltă ar scăpa. Acest lucru ar arăta ca și cum gaura neagră ar emite particule. Această idee a părut ciudată la început, dar mulți oameni au acceptat-o după un timp.
Originea și soarta universului
Majoritatea oamenilor de știință cred că universul a început printr-o explozie numită Big Bang. Modelul pentru acest lucru se numește "modelul big bang fierbinte". Atunci când universul începe să se mărească, lucrurile din interiorul său încep să se răcească. Când universul a început, era infinit de fierbinte. Temperatura universului s-a răcit, iar lucrurile din univers au început să se aglomereze.
Hawking vorbește, de asemenea, despre cum ar fi putut fi universul. De exemplu, dacă universul s-a format și apoi s-a prăbușit rapid, nu ar fi existat suficient timp pentru ca viața să se formeze. Un alt exemplu ar fi un univers care s-ar fi extins prea repede. Dacă un univers s-ar fi extins prea repede, ar fi devenit aproape gol. Ideea existenței mai multor universuri se numește interpretarea cu multe lumi.
Modelele inflaționiste sunt, de asemenea, discutate în acest capitol, la fel ca și ideea unei teorii care să unifice mecanica cuantică și gravitația.
Fiecare particulă are mai multe istorii. Această idee este cunoscută sub numele de teoria lui Feynman a sumei peste istorii. O teorie care unifică mecanica cuantică și gravitația ar trebui să conțină teoria lui Feynman. Pentru a afla șansa ca o particulă să treacă printr-un punct, trebuie să se adune undele fiecărei particule. Aceste unde se produc în timp imaginar. Numerele imaginare, atunci când sunt înmulțite cu ele însele, formează un număr negativ. De exemplu, 2i X 2i = -4.
