Ebben a könyvben Hawking a fizika számos elméletéről beszél. Néhány dolog, amiről beszél, a fizika története, a gravitáció, a fény mozgása a világegyetemben, a téridő, az elemi részecskék (nagyon kicsi tárgyak, amelyekből a világegyetemben lévő dolgok felépülnek), a fekete lyukak, a Nagy Bumm (az elmélet, hogy a világegyetem egy pontból indult) és az időutazás (az elképzelés, hogy a múltba és a jövőbe lehet utazni).
A könyv első részében Hawking a fizika történetéről beszél. Beszél az olyan filozófusok elképzeléseiről, mint Arisztotelész és Ptolemaiosz. Arisztotelész, korának sok más emberével ellentétben, úgy gondolta, hogy a Föld kerek. Azt is gondolta, hogy a Nap és a csillagok a Föld körül keringenek. Ptolemaiosz is úgy gondolta, hogy a Nap és a csillagok hogyan helyezkednek el a világegyetemben. Készített egy bolygómodellt, amely leírta Arisztotelész gondolkodását. Ma már tudjuk, hogy ennek az ellenkezője igaz; a Föld a Nap körül kering. Az Arisztotelész/Ptolemaiosz elképzeléseit a csillagok és a Nap helyzetéről 1609-ben cáfolták meg. Aki először gondolt arra, hogy a Föld a Nap körül kering, az Nikolausz Kopernikusz volt. Galileo Galilei és Johannes Kepler, két másik tudós segített bebizonyítani, hogy Kopernikusz elképzelése helyes volt. Megnézték, hogyan mozognak egyes bolygók holdjai az égbolton, és ezt használták fel Kopernikusz igazának bizonyítására. Isaac Newton is írt egy könyvet a gravitációról, ami szintén segített bebizonyítani Kopernikusz elképzelésének helyességét.
Tér és idő
Hawking leírja a Nap körül mozgó bolygók mozgását, és azt, hogyan működik a gravitáció a bolygók és a Nap között. Beszél az abszolút nyugalom és az abszolút helyzet fogalmáról is. Ezek az elképzelések arról szólnak, hogy az események egy bizonyos időn keresztül a helyükön maradnak. Ezt Newton gravitációs törvényei nem találták igaznak. Az abszolút nyugalom eszméje nem működött, amikor a tárgyak nagyon gyorsan mozognak (fénysebességgel, vagyis fénysebességgel).
A fény sebességét először 1676-ban Ole Christensen Roemer dán csillagász mérte meg. A fény sebességét nagyon gyorsnak, de véges sebességűnek találta. A tudósok azonban problémára bukkantak, amikor megpróbálták azt állítani, hogy a fény mindig ugyanolyan sebességgel halad. A tudósok létrehoztak egy új elképzelést, az éter nevet, amely megpróbálta megmagyarázni a fény sebességét.
Albert Einstein azt mondta, hogy az éter gondolatára nincs szükség, ha egy másik gondolatot, az abszolút idő (vagy a mindig azonos idő) gondolatát elvetjük. Einstein elképzelése megegyezett Henry Poincare elképzelésével is. Einstein elképzelését nevezik relativitáselméletnek.
Hawking a fényről is beszél. Azt mondja, hogy az események fénykúpokkal írhatók le. A fénykúp teteje mutatja meg, hogy az eseményből származó fény merre fog haladni. Az alsó rész azt mutatja meg, hogy a fény hol volt a múltban. A fénykúp középpontja az esemény. A fénykúpok mellett Hawking arról is beszél, hogy a fény hogyan képes elhajolni. Amikor a fény elhalad egy nagy tömeg, például egy csillag mellett, a fény iránya kissé megváltozik a tömeg felé.
Miután a fényről beszélt, Hawking az időről beszél Einstein relativitáselméletében. Einstein elméletének egyik előrejelzése az, hogy az idő lassabban telik, ha valami hatalmas tömegek közelében van. Amikor azonban valami távolabb van a tömegtől, az idő gyorsabban telik. Hawking két, különböző helyen élő ikerpár elképzelését használta elképzelése leírására. Ha az egyik iker egy hegyre költözött, a másik pedig a tenger közelébe, akkor az az iker, aki a hegyre költözött, egy kicsit idősebb lesz, mint az az iker, aki a tengerhez költözött.
A táguló univerzum
Hawking a táguló világegyetemről beszél. A világegyetem az idő múlásával egyre nagyobb lesz. Az egyik dolog, amivel elméletét magyarázza, a Doppler-eltolódás. A Doppler-eltolódás akkor következik be, amikor valami egy másik tárgy felé vagy távolodik tőle. A Doppler-eltolódásnak két fajtája van: a vöröseltolódás és a kékeltolódás. A vörös eltolódás akkor történik, amikor valami távolodik tőlünk. Ezt az okozza, hogy a hozzánk érkező látható fény hullámhossza megnő, a frekvenciája pedig csökken, ami a látható fényt az elektromágneses spektrum vörös/infravörös vége felé tolja el. A vöröseltolódás összefügg azzal a hiedelemmel, hogy a világegyetem tágul, mivel a fény hullámhossza növekszik, szinte mintha megnyúlna, ahogy a bolygók és galaxisok távolodnak tőlünk, ami hasonlóságot mutat a hanghullámokat érintő Doppler-effektussal. A kékeltolódás akkor következik be, amikor valami felénk mozog, ez a vöröseltolódás ellentétes folyamata, amikor a hullámhossz csökken, a frekvencia pedig nő, és a fény a spektrum kék vége felé tolódik. Egy Edwin Hubble nevű tudós megállapította, hogy sok csillag vöröseltolódik, és távolodik tőlünk. Hawking a Doppler-eltolódással magyarázza, hogy a világegyetem egyre nagyobb. Úgy gondolják, hogy a világegyetem kezdete az ősrobbanásnak nevezett valami által történt. Az ősrobbanás egy nagyon nagy robbanás volt, amely létrehozta a világegyetemet.
A bizonytalansági elv
A bizonytalansági elv szerint egy részecske sebességét és helyzetét nem lehet egyszerre meghatározni. Ahhoz, hogy megtudjuk, hol van egy részecske, a tudósok fényt irányítanak rá. Ha nagy frekvenciájú fényt használnak, a fény pontosabban meg tudja találni a helyzetet, de a részecske sebessége ismeretlen lesz (mert a fény megváltoztatja a részecske sebességét). Ha alacsonyabb frekvenciájú fényt használnak, a fény pontosabban meg tudja határozni a sebességet, de a részecske helyzete ismeretlen lesz. A bizonytalansági elv megcáfolta egy olyan elmélet elképzelését, amely determinisztikus, vagy olyasvalami, ami mindent megjósol a jövőben.
A fény viselkedéséről is többet beszélünk ebben a fejezetben. Egyes elméletek szerint a fény részecskeként viselkedik, holott valójában hullámokból áll; az egyik elmélet, amely ezt állítja, a Planck-féle kvantumhipotézis. Egy másik elmélet szerint a fényhullámok is részecskékként viselkednek; az egyik elmélet, amely ezt állítja, a Heisenberg-féle bizonytalansági elv.
A fényhullámoknak vannak hullámhegyei és hullámvölgyei. A hullám legmagasabb pontja a hullámhegy, a hullám legalacsonyabb pontja pedig a hullámvölgy. Néha több ilyen hullám is interferálhat egymással - a hullámhegyek és a hullámvölgyek egymás mellé kerülnek. Ezt hívják fényinterferenciának. Amikor a fényhullámok interferálnak egymással, ez sokféle színt eredményezhet. Erre példa a szappanbuborékok színei.
Elemi részecskék és természeti erők
A kvarkok nagyon apró dolgok, amelyekből minden, amit látunk (anyag) áll. A kvarkoknak hat különböző "íze" van: a felfelé irányuló kvark, a lefelé irányuló kvark, a furcsa kvark, a bűvös kvark, az alsó kvark és a felső kvark. A kvarkoknak három "színük" is van: piros, zöld és kék. Vannak antikvarkok is, amelyek a szabályos kvarkok ellentétei. Összesen 18 különböző típusú szabályos kvark és 18 különböző típusú antikvark létezik. A kvarkokat az "anyag építőköveiként" ismerik, mivel ezek a legkisebbek, amelyek az univerzumban lévő összes anyagot alkotják.
Minden elemi részecskének (például a kvarkoknak) van valami, amit spinnek hívnak. Egy részecske spinje megmutatja, hogy a részecske különböző irányokból hogyan néz ki. Például egy 0 spinű részecske minden irányból ugyanúgy néz ki. Egy 1 spinű részecske minden irányból másképp néz ki, kivéve, ha a részecske teljesen körbe van forgatva (360 fokban). Hawking példája az 1-es spinű részecskére egy nyíl. Egy kettes spinű részecskét félig (vagy 180 fokban) meg kell forgatni ahhoz, hogy ugyanúgy nézzen ki. A könyvben megadott példa egy kétfejű nyíl. A részecskéknek két csoportja van a világegyetemben: az 1/2-es spinű részecskék és a 0, 1 vagy 2 spinű részecskék. Mindegyik részecske a Pauli-féle kizárási elvet követi. A Pauli-féle kizárási elv szerint a részecskék nem lehetnek egy helyen, és nem lehet azonos sebességük. Ha a Pauli-féle kizárási elv nem létezne, akkor a világegyetemben minden ugyanúgy nézne ki, mint egy nagyjából egyforma és sűrű "leves".
A 0, 1 vagy 2 spinű részecskék erőt mozgatnak egyik részecskéről a másikra. Ilyen részecskék például a virtuális gravitonok és a virtuális fotonok. A virtuális gravitonok spinje 2, és a gravitációs erőt képviselik. Ez azt jelenti, hogy amikor a gravitáció két dologra hat, akkor a gravitonok a két dolog felé és a két dologból mozognak. A virtuális fotonok spinje 1, és az elektromágneses erőt (vagy az atomokat összetartó erőt) képviselik.
A gravitációs erő és az elektromágneses erők mellett létezik a gyenge és az erős magerő. A gyenge magerők azok az erők, amelyek radioaktivitást okoznak, vagy amikor az anyag energiát bocsát ki. A gyenge magerő az 1/2-es spinű részecskékre hat. Az erős magerők azok az erők, amelyek a neutronban és a protonban lévő kvarkokat összetartják, és amelyek a protonokat és a neutronokat egy atomban együtt tartják. Az erős magerőt hordozó részecskét gluonnak tartják. A gluon egy olyan részecske, amelynek spinje 1. A gluon tartja össze a kvarkokat, hogy protonokat és neutronokat alkossanak. A gluon azonban csak három különböző színű kvarkot tart össze. Így a végterméknek nincs színe. Ezt nevezzük bezártságnak.
Néhány tudós megpróbált egy olyan elméletet alkotni, amely egyesíti az elektromágneses erőt, a gyenge magerőt és az erős magerőt. Ezt az elméletet nagy egyesített elméletnek (vagy GUT-nak) nevezik. Ez az elmélet megpróbálja ezeket az erőket egyetlen nagy, egységes módon vagy elméletben megmagyarázni.
Fekete lyukak
A fekete lyukak olyan csillagok, amelyek egyetlen nagyon kis pontba omlottak össze. Ezt a kis pontot szingularitásnak nevezzük.Ez a szingularitás a téridő egy olyan pontja, amely nagy sebességgel forog.Ez az oka annak, hogy a fekete lyukaknak nincs idejük. A fekete lyukak a középpontjukba szívják a dolgokat, mert a gravitációjuk nagyon erős. Néhány dolog, amit magába tud szívni, a fény és a csillagok. Csak a nagyon nagy csillagok, az úgynevezett szuperóriások elég nagyok ahhoz, hogy fekete lyukká váljanak. A csillagnak másfélszer akkora vagy nagyobb tömegűnek kell lennie, mint a Nap, hogy fekete lyukká váljon. Ezt a számot Chandrasekhar-határnak nevezik. Ha egy csillag tömege kisebb, mint a Chandrasekhar-határ, akkor nem alakul át fekete lyukká, hanem egy másik, kisebb típusú csillaggá. A fekete lyuk határát eseményhorizontnak nevezzük. Ha valami az eseményhorizonton belül van, az soha nem jut ki a fekete lyukból.
A fekete lyukak különbözőképpen alakíthatók. Néhány fekete lyuk tökéletesen gömb alakú - mint egy gömb. Más fekete lyukak középen kidudorodnak. A fekete lyukak gömb alakúak, ha nem forognak. A fekete lyukak középen kidudorodnak, ha forognak.
A fekete lyukakat nehéz megtalálni, mert nem bocsátanak ki fényt. Akkor találhatók meg, ha a fekete lyukak más csillagokat szívnak magukba. Amikor a fekete lyukak más csillagokat szívnak magukba, a fekete lyuk röntgensugárzást bocsát ki, ami a távcsövekkel látható. Hawking egy másik tudóssal, Kip Thorne-nal kötött fogadásáról beszél. Hawking arra fogadott, hogy a fekete lyukak nem léteznek, mert nem akarta, hogy a fekete lyukakkal kapcsolatos munkája kárba vesszen. A fogadást elvesztette.
Hawking felismerte, hogy egy fekete lyuk eseményhorizontja csak nagyobb lehet, nem pedig kisebb. A fekete lyuk eseményhorizontjának területe akkor növekszik, amikor valami beleesik a fekete lyukba. Arra is rájött, hogy amikor két fekete lyuk egyesül, az új eseményhorizont mérete nagyobb vagy egyenlő a két másik fekete lyuk eseményhorizontjának összegével. Ez azt jelenti, hogy egy fekete lyuk eseményhorizontja soha nem lehet kisebb.
A rendezetlenség, más néven entrópia, a fekete lyukakhoz kapcsolódik. Van egy tudományos törvény, amelynek köze van az entrópiához. Ezt a törvényt a termodinamika második törvényének nevezik, és azt mondja ki, hogy az entrópia (vagy rendezetlenség) mindig növekedni fog egy elszigetelt rendszerben (például a világegyetemben). A fekete lyukban lévő entrópia mennyisége és a fekete lyuk eseményhorizontjának mérete közötti összefüggést először egy kutatóhallgató (Jacob Bekenstein) gondolta ki, és Hawking bizonyította be, akinek számításai szerint a fekete lyukak sugárzást bocsátanak ki. Ez azért volt furcsa, mert már korábban is azt mondták, hogy egy fekete lyuk eseményhorizontjából semmi sem tud kiszabadulni.
Ezt a problémát akkor oldották meg, amikor kitalálták a "virtuális részecskék" párjainak ötletét. Az egyik részecskepár beleesne a fekete lyukba, a másik pedig elmenekülne. Ez úgy nézne ki, mintha a fekete lyuk részecskéket bocsátana ki. Ez az ötlet először furcsának tűnt, de egy idő után sokan elfogadták.
Az Univerzum eredete és sorsa
A legtöbb tudós úgy véli, hogy a világegyetem egy ősrobbanásnak nevezett robbanással kezdődött. Az erre vonatkozó modellt "forró ősrobbanás modelljének" nevezik. Amikor a világegyetem egyre nagyobb lesz, a benne lévő dolgok is hűlni kezdenek. Az univerzum kezdetekor végtelenül forró volt. A világegyetem hőmérséklete lehűlt, és a benne lévő dolgok elkezdtek összecsomósodni.
Hawking arról is beszél, hogyan alakulhatott ki az univerzum. Ha például a világegyetem kialakult, majd gyorsan összeomlott, akkor nem lett volna elég idő az élet kialakulásához. Egy másik példa lenne egy túl gyorsan táguló univerzum. Ha egy univerzum túl gyorsan tágulna, akkor szinte üressé válna. A sok univerzum elképzelését sokvilág-értelmezésnek nevezik.
Ebben a fejezetben szó esik az inflációs modellekről is, valamint a kvantummechanikát és a gravitációt egyesítő elméletről.
Minden részecskének sok története van. Ezt az elképzelést Feynman történetek feletti összeg elméletének nevezik. Egy olyan elméletnek, amely egyesíti a kvantummechanikát és a gravitációt, tartalmaznia kell Feynman elméletét. Ahhoz, hogy megtaláljuk annak az esélyét, hogy egy részecske áthalad egy ponton, az egyes részecskék hullámait össze kell adni. Ezek a hullámok képzeletbeli időben történnek. A képzeletbeli számok önmagukkal megszorozva negatív számot adnak. Például 2i X 2i = -4.
