W tej książce Hawking opowiada o wielu teoriach z dziedziny fizyki. Niektóre z nich to historia fizyki, grawitacja, ruch światła we wszechświecie, czasoprzestrzeń, cząstki elementarne (bardzo małe obiekty, które tworzą rzeczy we wszechświecie), czarne dziury, Wielki Wybuch (teoria, że wszechświat zaczął się od jednego punktu) i podróże w czasie (pomysł, że można podróżować do przeszłości i przyszłości).
W pierwszej części książki Hawking opowiada o historii fizyki. Mówi o ideach filozofów takich jak Arystoteles i Ptolemeusz. Arystoteles, w odrógnieniu od wielu innych ludzi swoich czasów, uwa "ał, "e Ziemia jest okrągła. Myślał również, że słońce i gwiazdy krążyły wokół Ziemi. Ptolemeusz również myślał o tym, jak słońce i gwiazdy są rozmieszczone we wszechświecie. Stworzył model planetarny, który opisywał sposób myślenia Arystotelesa. Dziś wiadomo, że jest odwrotnie - Ziemia krąży wokół Słońca. The Arystoteles/Ptolemeusz pomysł o the pozycja the gwiazda i słońce obalać w 1609. The osoba kto pierwszy myśleć the pomysł o the Ziemia wokoło the słońce być Mikołaj Kopernik. Galileo Galilei i Johannes Kepler, dwaj inni naukowcy, pomogli udowodnić, że pomysł Kopernika był słuszny. Przyjrzeli się oni, jak księżyce niektórych planet poruszają się na niebie, i wykorzystali to, aby udowodnić, że Kopernik miał rację. Isaac Newton również napisał książkę o grawitacji, która pomogła udowodnić słuszność idei Kopernika.
Przestrzeń i czas
Hawking opisuje ruch planet poruszających się wokół Słońca i działanie grawitacji pomiędzy planetami a Słońcem. Mówi równie" o ideach absolutnego spoczynku i absolutnego poło "enia. Idee te dotyczą przekonania, "e wydarzenia pozostają w miejscu przez pewien okres czasu. Okazało się, że nie jest to prawdą dzięki prawom grawitacji Newtona. Idea absolutnego spoczynku nie działa, gdy obiekty poruszają się bardzo szybko (z prędkością światła lub prędkością światła).
Prędkość światła została po raz pierwszy zmierzona w 1676 roku przez duńskiego astronoma Ole Christensena Roemera. Okazało się, że prędkość światła jest bardzo duża, ale skończona. Naukowcy znaleźli jednak problem, gdy próbowali stwierdzić, że światło zawsze porusza się z tą samą prędkością. Naukowcy stworzyli nową ideę, zwaną eterem, która próbowała wyjaśnić prędkość światła.
Albert Einstein powiedział, że idea eteru nie jest potrzebna, jeśli porzuci się inną ideę, ideę czasu absolutnego (lub czasu, który jest zawsze taki sam). Idea Einsteina była również tożsama z ideą Henry'ego Poincare. Pomysł Einsteina nazywany jest teorią względności.
Hawking mówi równie" o świetle. Mówi, "e wydarzenia mogą być opisane przez stożki świetlne. Górna część stożka świetlnego mówi, dokąd powędruje światło z danego zdarzenia. Dół mówi, gdzie światło było w przeszłości. Środek stożka świetlnego jest zdarzeniem. Poza stożkami świetlnymi Hawking mówi te" o tym, "e światło mo "e się uginać. Gdy światło przechodzi obok du "ej masy, takiej jak gwiazda, zmienia ono nieco kierunek w stronę masy.
Po omówieniu światła, Hawking mówi o czasie w teorii względności Einsteina. Jednym z przewidywań teorii Einsteina jest to, "e czas płynie wolniej, gdy coś znajduje się w pobli "u wielkich mas. Jednakże, gdy coś znajduje się dalej od masy, czas będzie płynął szybciej. Hawking u "ył idei dwóch bliźniaków mieszkających w ró "nych miejscach, aby opisać swoją ideę. Je "eli jedno z nich zamieszkało na górze, a drugie w pobli "u morza, to bliźniak, który zamieszkał na górze, będzie trochę starszy ni" bliźniak, który zamieszkał nad morzem.
Rozszerzający się Wszechświat
Hawking mówi o rozszerzającym się wszechświecie. Wszechświat z czasem staje się coraz większy. Jedną z rzeczy, których u "ywa do wyjaśnienia swojej idei, jest przesunięcie Dopplera. Przesunięcie Dopplera ma miejsce, gdy coś porusza się w kierunku lub z dala od innego obiektu. Istnieją dwa rodzaje rzeczy, które zdarzają się w przesunięciu Dopplera - przesunięcie ku czerwieni i przesunięcie ku błękitowi. Czerwone przesunięcie występuje, gdy coś się od nas oddala. Jest to spowodowane długością fali światła widzialnego docierającego do nas wzrasta, a częstotliwość maleje, co przesuwa światło widzialne w kierunku czerwonego / podczerwonego końca widma elektromagnetycznego. Red-shift jest związany z przekonaniem, że wszechświat rozszerza się, jak długość fali światła wzrasta, prawie jak rozciągnięty jak planety i galaktyki oddalają się od nas, które akcje podobieństwa do tego z efektem Dopplera, z udziałem fal dźwiękowych. Niebieskie przesunięcie ma miejsce, gdy coś porusza się w naszym kierunku, co jest procesem odwrotnym do przesunięcia ku czerwieni, w którym długość fali maleje, a częstotliwość wzrasta, przesuwając światło w kierunku niebieskiego końca widma. Naukowiec o nazwisku Edwin Hubble odkrył, "e wiele gwiazd jest przesuniętych ku czerwieni i oddala się od nas. Hawking wykorzystuje przesunięcie Dopplera, aby wyjaśnić, "e wszechświat staje się coraz większy. Uważa się, "e początek wszechświata nastąpił w wyniku czegoś, co nazywa się Wielkim Wybuchem. Wielki Wybuch był bardzo du "ą eksplozją, która stworzyła wszechświat.
Zasada niepewności
Zasada nieoznaczoności mówi, że prędkość i położenie cząstki nie mogą być znalezione w tym samym czasie. Aby stwierdzić, gdzie znajduje się cząstka, naukowcy świecą na nią światłem. Jeśli użyje się światła o wysokiej częstotliwości, może ono znaleźć położenie z większą dokładnością, ale prędkość cząstki będzie nieznana (ponieważ światło zmieni prędkość cząstki). Jeśli użyjemy światła o niższej częstotliwości, światło może znaleźć prędkość dokładniej, ale pozycja cząstki będzie nieznana. Zasada nieoznaczoności obaliła ideę teorii deterministycznej, czyli takiej, która przewidywałaby wszystko w przyszłości.
To, jak zachowuje się światło, jest również przedmiotem szerszego omówienia w tym rozdziale. Niektóre teorie mówią, że światło zachowuje się jak cząstki, mimo że tak naprawdę jest zbudowane z fal; jedną z teorii, która to głosi, jest hipoteza kwantowa Plancka. Inna teoria mówi, że fale świetlne również zachowują się jak cząstki; teoria, która mówi, że tak jest to zasada nieoznaczoności Heisenberga.
Fale świetlne mają grzbiety i koryta. Najwyższy punkt fali to grzbiet, a najniższa część fali to koryto. Czasami więcej niż jedna z tych fal może się wzajemnie zakłócać - grzbiety i koryta ustawiają się w jednej linii. Nazywa się to interferencją światła. Kiedy fale świetlne interferują ze sobą, może to spowodować powstanie wielu kolorów. Przykładem tego są kolory w bańkach mydlanych.
Cząstki elementarne i siły przyrody
Kwarki to bardzo małe obiekty, z których składa się wszystko, co widzimy (materia). Istnieje sześć różnych "smaków" kwarków: kwark górny, kwark dolny, kwark dziwny, kwark urzeczony, kwark dolny i kwark górny. Kwarki mają również trzy "kolory": czerwony, zielony i niebieski. Istnieją również antykwarki, które są przeciwieństwem zwykłych kwarków. W sumie istnieje 18 różnych rodzajów kwarków zwykłych i 18 różnych rodzajów antykwarków. Kwarki są znane jako "budulec materii", ponieważ są najmniejszymi elementami, z których składa się cała materia we wszechświecie.
Wszystkie cząstki elementarne (na przykład kwarki) mają coś, co nazywamy spinem. Spin cząstki pokazuje nam, jak dana cząstka wygląda z różnych kierunków. Na przykład, cząstka o spinie 0 wygląda tak samo z każdego kierunku. Cząstka o spinie 1 wygląda inaczej w ka "dym kierunku, chyba "e zostanie całkowicie obrócona (o 360 stopni). Hawking jako przykład cząstki o spinie 1 przedstawia strzałkę. Cząstka o spinie 2 musi być obrócona o połowę (lub 180 stopni), aby wyglądała tak samo. Przykład podany w książce to strzałka z dwoma grotami. We wszechświecie istnieją dwie grupy cząstek: cząstki o spinie 1/2 i cząstki o spinie 0, 1 lub 2. Wszystkie te cząstki działają zgodnie z zasadą wykluczania Pauliego. Zasada wykluczania Pauliego mówi, że cząstki nie mogą znajdować się w tym samym miejscu ani mieć tej samej prędkości. Gdyby zasada wykluczania Pauliego nie istniała, to wszystko we wszechświecie wyglądałoby tak samo, jak z grubsza jednolita i gęsta "zupa".
Cząstki o spinie 0, 1 lub 2 przenoszą siłę z jednej cząstki na drugą. Przykładami takich cząstek są wirtualne grawitony i wirtualne fotony. Wirtualne grawitony mają spin równy 2 i reprezentują siłę grawitacji. Oznacza to, że gdy grawitacja oddziałuje na dwie rzeczy, grawitony przemieszczają się do i od tych dwóch rzeczy. Wirtualne fotony mają spin 1 i reprezentują siły elektromagnetyczne (lub siłę, która trzyma atomy razem).
Oprócz siły grawitacji i sił elektromagnetycznych, istnieją słabe i silne siły jądrowe. Słabe siły jądrowe są siłami, które powodują radioaktywność, lub gdy materia emituje energię. Słabe siły jądrowe działają na cząstki o spinie 1/2. Silne siły jądrowe to siły, które utrzymują kwarki w neutronie i protonie razem, a także utrzymują protony i neutrony razem w atomie. Cząstka, która przenosi silne siły jądrowe to gluon. Gluon jest cząstką o spinie 1. Gluon utrzymuje razem kwarki, tworząc protony i neutrony. Jednak gluon łączy tylko kwarki, które mają trzy różne kolory. To sprawia, że produkt końcowy nie ma koloru. Nazywa się to ograniczeniem.
Niektórzy naukowcy próbowali stworzyć teorię, która łączyłaby siłę elektromagnetyczną, słabą siłę jądrową i silną siłę jądrową. Teoria ta nazywana jest wielką jednolitą teorią (lub GUT). Teoria ta próbuje wyjaśnić te siły w jeden wielki zunifikowany sposób lub teorię.
Czarne dziury
Czarne dziury to gwiazdy, które zapadły się w jeden bardzo mały punkt. Ten mały punkt nazywany jest osobliwością. Osobliwość ta jest punktem czasoprzestrzeni, który obraca się z dużą prędkością, dlatego czarne dziury nie mają czasu. Czarne dziury zasysają rzeczy do swojego centrum, ponieważ ich grawitacja jest bardzo silna. Niektóre z rzeczy, które może wessać to światło i gwiazdy. Tylko bardzo duże gwiazdy, zwane supergigantami, są wystarczająco duże, aby stać się czarną dziurą. Gwiazda musi być półtora raza większa od masy Słońca lub większa, aby zamienić się w czarną dziurę. Liczba ta nazywana jest granicą Chandrasekhara. Jeśli masa gwiazdy jest mniejsza niż granica Chandrasekhara, nie zamieni się ona w czarną dziurę, lecz w inny, mniejszy typ gwiazdy. Granica czarnej dziury nazywana jest horyzontem zdarzeń. Jeśli coś znajduje się w horyzoncie zdarzeń, to nigdy nie wydostanie się z czarnej dziury.
Czarne dziury mogą mieć różne kształty. Niektóre czarne dziury są idealnie kuliste - jak piłka. Inne czarne dziury wybrzuszają się w środku. Czarne dziury będą kuliste, jeśli nie będą się obracać. Czarne dziury będą wybrzuszone w środku, jeśli będą się obracać.
Czarne dziury są trudne do znalezienia, ponieważ nie wypuszczają żadnego światła. Można je znaleźć, gdy czarne dziury wessą inne gwiazdy. Kiedy czarne dziury wsysają inne gwiazdy, czarna dziura wypuszcza promieniowanie rentgenowskie, które mo "na zobaczyć przez teleskopy. Hawking opowiada o swoim zakładzie z innym naukowcem, Kipem Thorne'em. Hawking zało "ył się, "e czarne dziury nie istnieją, poniewa" nie chciał, aby jego praca nad czarnymi dziurami poszła na marne. Przegrał ten zakład.
Hawking zdał sobie sprawę, "e horyzont zdarzeń czarnej dziury mo "e się tylko powiększać, a nie zmniejszać. Obszar horyzontu zdarzeń czarnej dziury powiększa się za ka "dym razem, gdy coś wpada do czarnej dziury. Uświadomił sobie równie", "e gdy dwie czarne dziury łączą się, rozmiar nowego horyzontu zdarzeń jest większy lub równy sumie horyzontów zdarzeń dwóch pozostałych czarnych dziur. Oznacza to, że horyzont zdarzeń czarnej dziury nigdy nie może się zmniejszyć.
Nieporządek, znany również jako entropia, jest związany z czarnymi dziurami. Istnieje naukowe prawo, które ma związek z entropią. Nazywa się ono drugim prawem termodynamiki i mówi, że entropia (lub nieporządek) zawsze będzie wzrastać w izolowanym systemie (na przykład we wszechświecie). Związek pomiędzy ilością entropii w czarnej dziurze a rozmiarem jej horyzontu zdarzeń został po raz pierwszy wymyślony przez studenta (Jacoba Bekensteina) i udowodniony przez Hawkinga, którego obliczenia mówiły, że czarne dziury emitują promieniowanie. Było to dziwne, poniewa" ju" wcześniej twierdzono, "e nic nie mo "e uciec z horyzontu zdarzeń czarnej dziury.
Problem ten został rozwiązany, gdy wymyślono ideę par "cząstek wirtualnych". Jedna z par cząstek wpadałaby do czarnej dziury, a druga uciekałaby. Wyglądałoby to tak, jakby czarna dziura emitowała cząstki. Na początku pomysł ten wydawał się dziwny, ale po pewnym czasie wielu ludzi zaakceptowało go.
Pochodzenie i losy Wszechświata
Większość naukowców wierzy, że wszechświat rozpoczął się w eksplozji zwanej Wielkim Wybuchem. Model tego zjawiska nazywany jest "modelem gorącego wielkiego wybuchu". Kiedy wszechświat zaczyna się powiększać, rzeczy znajdujące się w jego wnętrzu również zaczynają się ochładzać. Kiedy wszechświat zaczynał swój początek, był nieskończenie gorący. Temperatura wszechświata ochłodziła się i rzeczy wewnątrz wszechświata zaczęły się zlepiać.
Hawking mówi równie o tym, jak mógł wyglądać wszechświat. Na przykład, gdyby wszechświat uformował się, a następnie szybko zapadł, nie byłoby wystarczająco dużo czasu na powstanie ycia. Innym przykładem jest wszechświat, który rozszerzałby się zbyt szybko. Jeśli wszechświat rozszerzałby się zbyt szybko, stałby się prawie pusty. Idea wielu wszechświatów jest nazywana interpretacją wielu światów.
Modele inflacyjne są również omawiane w tym rozdziale, podobnie jak idea teorii jednoczącej mechanikę kwantową i grawitację.
Każda cząstka ma wiele historii. Idea ta znana jest jako teoria Feynmana sumy nad historiami. Teoria, która jednoczy mechanikę kwantową i grawitację powinna zawierać teorię Feynmana. Aby znaleźć szansę, że cząstka przejdzie przez punkt, należy zsumować fale każdej cząstki. Fale te powstają w czasie urojonym. Liczby urojone, gdy są pomnożone przez siebie, tworzą liczbę ujemną. Na przykład, 2i X 2i = -4.
