Tässä kirjassa Hawking puhuu monista fysiikan teorioista. Hän puhuu muun muassa fysiikan historiasta, painovoimasta, valon liikkumisesta maailmankaikkeudessa, aika-avaruudesta, alkeishiukkasista (hyvin pienistä kappaleista, joista maailmankaikkeuden asiat koostuvat), mustista aukoista, alkuräjähdyksestä (teoria, jonka mukaan maailmankaikkeus alkoi yhdestä pisteestä) ja aikamatkailusta (ajatus siitä, että menneisyyteen ja tulevaisuuteen voi matkustaa).
Kirjan ensimmäisessä osassa Hawking kertoo fysiikan historiasta. Hän puhuu filosofien, kuten Aristoteleen ja Ptolemaioksen, ajatuksista. Aristoteles, toisin kuin monet muut aikansa ihmiset, ajatteli, että maapallo oli pyöreä. Hän uskoi myös, että aurinko ja tähdet kiertävät maapalloa. Myös Ptolemaios ajatteli, miten aurinko ja tähdet sijaitsivat maailmankaikkeudessa. Hän laati planeettamallin, joka kuvasi Aristoteleen ajattelua. Nykyään tiedetään, että asia on päinvastoin: Maa kiertää aurinkoa. Aristoteleen ja Ptolemaioksen ajatukset tähtien ja auringon sijainnista kumottiin vuonna 1609. Henkilö, joka ensimmäisenä keksi ajatuksen siitä, että maa kiertää aurinkoa, oli Nikolai Kopernikus. Galileo Galilei ja Johannes Kepler, kaksi muuta tiedemiestä, auttoivat osoittamaan, että Kopernikuksen ajatus oli oikea. He tarkastelivat, miten joidenkin planeettojen kuut liikkuivat taivaalla, ja he käyttivät tätä todistaakseen, että Kopernikus oli oikeassa. Isaac Newton kirjoitti myös kirjan painovoimasta, joka auttoi todistamaan Kopernikuksen ajatuksen oikeaksi.
Avaruus ja aika
Hawking kuvaa aurinkoa kiertävien planeettojen liikettä ja sitä, miten painovoima toimii planeettojen ja auringon välillä. Hän puhuu myös absoluuttisen levon ja absoluuttisen sijainnin käsitteistä. Näissä ajatuksissa on kyse ajatuksesta, että tapahtumat pysyvät paikallaan tietyn ajanjakson ajan. Newtonin painovoiman lait osoittivat, että tämä ei pidä paikkaansa. Ajatus absoluuttisesta levosta ei toiminut, kun esineet liikkuvat hyvin nopeasti (valonnopeudella eli valonnopeudella).
Tanskalainen tähtitieteilijä Ole Christensen Roemer mittasi valon nopeuden ensimmäisen kerran vuonna 1676. Valon nopeuden todettiin olevan hyvin nopea, mutta rajallinen. Tutkijat havaitsivat kuitenkin ongelman, kun he yrittivät sanoa, että valo kulkee aina samalla nopeudella. Tutkijat loivat uuden idean, jota kutsuttiin eetteriksi ja jolla pyrittiin selittämään valon nopeus.
Albert Einstein sanoi, että ajatusta eetteristä ei tarvita, jos toinen ajatus, ajatus absoluuttisesta ajasta (eli ajasta, joka on aina sama), jätetään pois. Einsteinin ajatus oli myös sama kuin Henry Poincaren ajatus. Einsteinin ideaa kutsutaan suhteellisuusteoriaksi.
Hawking puhuu myös valosta. Hän sanoo, että tapahtumia voidaan kuvata valokartioilla. Valokartion huippu kertoo, mihin tapahtuman valo kulkee. Alaosa kertoo, missä valo oli menneisyydessä. Valokartion keskipiste on tapahtuma. Valokartioiden lisäksi Hawking puhuu myös siitä, miten valo voi taipua. Kun valo kulkee suuren massan, kuten tähden, ohi, valo muuttaa hieman suuntaa kohti massaa.
Puhuttuaan valosta Hawking puhuu ajasta Einsteinin suhteellisuusteoriassa. Einsteinin teoria ennustaa muun muassa, että aika kuluu hitaammin, kun jokin on lähellä valtavia massoja. Kuitenkin kun jokin on kauempana massasta, aika kuluu nopeammin. Hawking käytti ajatustaan kuvaamaan ajatusta kahdesta eri paikassa asuvasta kaksosesta. Jos toinen kaksosista menisi asumaan vuorelle ja toinen lähelle merta, vuorella asuva kaksonen olisi hieman vanhempi kuin meren rannalla asuva kaksonen.
Laajeneva maailmankaikkeus
Hawking puhuu laajenevasta maailmankaikkeudesta. Maailmankaikkeus laajenee ajan myötä. Yksi asia, jolla hän selittää ajatustaan, on Dopplerin siirtymä. Doppler-siirtymä tapahtuu, kun jokin liikkuu toista kohdetta kohti tai siitä poispäin. Doppler-siirtymässä tapahtuu kahdenlaisia asioita - punaista siirtymää ja sinistä siirtymää. Punasiirtymä tapahtuu, kun jokin liikkuu meistä poispäin. Tämä johtuu siitä, että meihin saapuvan näkyvän valon aallonpituus kasvaa ja taajuus pienenee, mikä siirtää näkyvää valoa kohti sähkömagneettisen spektrin punaista/punaista ääripäätä. Punasiirtymä liittyy uskomukseen, jonka mukaan maailmankaikkeus laajenee valon aallonpituuden kasvaessa, melkein kuin venytettynä planeettojen ja galaksien siirtyessä meistä poispäin, mikä on samankaltaista kuin ääniaaltoihin liittyvä Doppler-ilmiö. Sinisiirtymä tapahtuu, kun jokin liikkuu meitä kohti, ja se on päinvastainen prosessi kuin punasiirtymä, jossa aallonpituus pienenee ja taajuus kasvaa, jolloin valo siirtyy kohti spektrin sinistä päätä. Edwin Hubble -niminen tutkija havaitsi, että monet tähdet ovat punasiirtyneitä ja liikkuvat meistä poispäin. Hawking käyttää Doppler-siirtymää selittääkseen, että maailmankaikkeus kasvaa. Maailmankaikkeuden alun uskotaan tapahtuneen alkuräjähdykseksi kutsutun tapahtuman kautta. Alkuräjähdys oli hyvin suuri räjähdys, joka loi maailmankaikkeuden.
Epävarmuusperiaate
Epävarmuusperiaatteen mukaan hiukkasen nopeutta ja sijaintia ei voida määrittää samanaikaisesti. Hiukkasen sijainnin selvittämiseksi tutkijat valaisevat hiukkasta. Jos käytetään korkeataajuista valoa, valon avulla voidaan löytää sijainti tarkemmin, mutta hiukkasen nopeus jää tuntemattomaksi (koska valo muuttaa hiukkasen nopeutta). Jos käytetään matalataajuista valoa, valolla voidaan määrittää nopeus tarkemmin, mutta hiukkasen sijainti jää tuntemattomaksi. Epävarmuusperiaate kumosi ajatuksen deterministisestä teoriasta tai jostain, joka ennustaisi kaiken tulevaisuudessa.
Tässä luvussa käsitellään myös valon käyttäytymistä. Joidenkin teorioiden mukaan valo käyttäytyy hiukkasten tavoin, vaikka se todellisuudessa koostuu aalloista; yksi teoria, joka sanoo näin, on Planckin kvanttiteoria. Erään toisen teorian mukaan valoaallot käyttäytyvät myös hiukkasten tavoin; eräs teoria, joka sanoo näin, on Heisenbergin epävarmuusperiaate.
Valoaalloilla on harjuja ja syvänteitä. Aallon korkein kohta on aallonharja, ja aallon matalin kohta on aallon laakso. Joskus useampi kuin yksi näistä aalloista voi häiritä toisiaan - aallonharjut ja aallonpohjat asettuvat samalle viivalle. Tätä kutsutaan valon interferenssiksi. Kun valoaallot interferoivat keskenään, syntyy monia värejä. Esimerkkinä tästä ovat saippuakuplien värit.
Alkeishiukkaset ja luonnonvoimat
Kvarkit ovat hyvin pieniä asioita, jotka muodostavat kaiken näkemämme (aineen). Kvarkkeja on kuutta eri makua: up-kvarkki, down-kvarkki, strange-kvarkki, viehättynyt kvarkki, bottom-kvarkki ja top-kvarkki. Kvarkkeilla on myös kolme "väriä": punainen, vihreä ja sininen. On olemassa myös antikvarkkeja, jotka ovat tavallisten kvarkkien vastakohtia. Kaikkiaan tavallisia kvarkkeja on 18 erilaista ja antikvarkkeja 18 erilaista. Kvarkkeja kutsutaan "aineen rakennuspalikoiksi", koska ne ovat pienimpiä asioita, joista kaikki maailmankaikkeuden aine koostuu.
Kaikilla alkeishiukkasilla (esimerkiksi kvarkkeilla) on jotain, jota kutsutaan spiniksi. Hiukkasen spin osoittaa, miltä hiukkanen näyttää eri suunnista katsottuna. Esimerkiksi hiukkanen, jonka spin on 0, näyttää samalta joka suunnasta. Hiukkanen, jonka spin on 1, näyttää erilaiselta joka suunnasta, ellei hiukkasta pyöritetä täysin ympäri (360 astetta). Hawkingin esimerkki hiukkasesta, jonka spin on 1, on nuoli. Hiukkanen, jonka spin on kaksi, on käännettävä puoliksi ympäri (tai 180 astetta), jotta se näyttäisi samalta. Kirjassa annettu esimerkki on kaksipäinen nuoli. Maailmankaikkeudessa on kaksi hiukkasryhmää: hiukkaset, joiden spin on 1/2, ja hiukkaset, joiden spin on 0, 1 tai 2. Kaikki nämä hiukkaset noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta. Paulin poissulkemisperiaate sanoo, että hiukkaset eivät voi olla samassa paikassa tai olla yhtä nopeita. Jos Paulin poissulkemisperiaatetta ei olisi olemassa, kaikki maailmankaikkeudessa näyttäisi samalta, suunnilleen yhtenäiseltä ja tiheältä "keitolta".
Hiukkaset, joiden spin on 0, 1 tai 2, siirtävät voimaa hiukkasesta toiseen. Esimerkkejä tällaisista hiukkasista ovat virtuaaliset gravitonit ja virtuaaliset fotonit. Virtuaalisten gravitonien spin on 2, ja ne edustavat painovoimaa. Tämä tarkoittaa, että kun painovoima vaikuttaa kahteen asiaan, gravitonit liikkuvat näihin kahteen asiaan ja niistä pois. Virtuaalisten fotonien spin on 1, ja ne edustavat sähkömagneettisia voimia (tai voimaa, joka pitää atomit yhdessä).
Painovoiman ja sähkömagneettisten voimien lisäksi on olemassa heikko ja vahva ydinvoima. Heikot ydinvoimat ovat voimia, jotka aiheuttavat radioaktiivisuutta tai kun aine säteilee energiaa. Heikko ydinvoima vaikuttaa hiukkasiin, joiden spin on 1/2. Vahvat ydinvoimat ovat voimia, jotka pitävät neutronin ja protonin kvarkit yhdessä ja protonit ja neutronit yhdessä atomissa. Vahvaa ydinvoimaa kantavan hiukkasen ajatellaan olevan gluoni. Gluoni on hiukkanen, jonka spin on 1. Gluoni pitää kvarkit yhdessä muodostaen protonit ja neutronit. Gluoni pitää kuitenkin koossa vain kolmivärisiä kvarkkeja. Tämän vuoksi lopputuotteella ei ole väriä. Tätä kutsutaan sulkeutumiseksi.
Jotkut tiedemiehet ovat yrittäneet luoda teorian, jossa yhdistyvät sähkömagneettinen voima, heikko ydinvoima ja vahva ydinvoima. Tätä teoriaa kutsutaan suureksi yhtenäisteoriaksi (grand unified theory, GUT). Tämä teoria yrittää selittää nämä voimat yhdellä suurella yhtenäisellä tavalla tai teorialla.
Mustat aukot
Mustat aukot ovat tähtiä, jotka ovat luhistuneet yhdeksi hyvin pieneksi pisteeksi. Tätä pientä pistettä kutsutaan singulariteetiksi.Tämä singulariteetti on aika-avaruuden piste, joka pyörii suurella nopeudella.Tästä syystä mustilla aukoilla ei ole aikaa. Mustat aukot imevät asioita keskipisteeseensä, koska niiden painovoima on hyvin voimakas. Se voi imaista sisäänsä muun muassa valoa ja tähtiä. Vain hyvin suuret tähdet, joita kutsutaan superjättiläisiksi, ovat tarpeeksi suuria muuttuakseen mustaksi aukoksi. Tähden on oltava puolitoistakertainen tai suurempi kuin auringon massa, jotta se voi muuttua mustaksi aukoksi. Tätä lukua kutsutaan Chandrasekharin rajaksi. Jos tähden massa on pienempi kuin Chandrasekhar-raja, se ei muutu mustaksi aukoksi, vaan muuttuu toisenlaiseksi, pienemmäksi tähdeksi. Mustan aukon rajaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Jos jokin on tapahtumahorisontissa, se ei pääse koskaan ulos mustasta aukosta.
Mustat aukot voivat olla erimuotoisia. Jotkut mustat aukot ovat täysin pallonmuotoisia - kuin pallo. Toiset mustat aukot pullistuvat keskeltä. Mustat aukot ovat pallomaisia, jos ne eivät pyöri. Mustat aukot pullistuvat keskeltä, jos ne pyörivät.
Mustia aukkoja on vaikea löytää, koska ne eivät päästä valoa ulos. Ne löytyvät, kun mustat aukot imevät sisäänsä muita tähtiä. Kun mustat aukot imevät sisäänsä muita tähtiä, musta aukko lähettää röntgensäteilyä, jonka voi nähdä kaukoputkilla. Hawking puhuu vedosta toisen tiedemiehen, Kip Thornen, kanssa. Hawking löi vetoa, ettei mustia aukkoja ole olemassa, koska hän ei halunnut, että hänen työnsä mustien aukkojen parissa menisi hukkaan. Hän hävisi vedon.
Hawking tajusi, että mustan aukon tapahtumahorisontti voi vain kasvaa, ei pienentyä. Mustan aukon tapahtumahorisontin pinta-ala kasvaa aina, kun jotain putoaa mustaan aukkoon. Hän tajusi myös, että kun kaksi mustaa aukkoa yhdistyy, uuden tapahtumahorisontin koko on suurempi tai yhtä suuri kuin kahden muun mustan aukon tapahtumahorisonttien summa. Tämä tarkoittaa, että mustan aukon tapahtumahorisontti ei voi koskaan pienentyä.
Epäjärjestys, joka tunnetaan myös nimellä entropia, liittyy mustiin aukkoihin. On olemassa tieteellinen laki, joka liittyy entropiaan. Tätä lakia kutsutaan termodynamiikan toiseksi laiksi, ja sen mukaan entropia (eli epäjärjestys) kasvaa aina eristetyssä järjestelmässä (esimerkiksi maailmankaikkeudessa). Mustan aukon entropian määrän ja mustan aukon tapahtumahorisontin koon välisen suhteen keksi ensimmäisenä eräs tutkijaopiskelija (Jacob Bekenstein), ja sen todisti Hawking, jonka laskelmien mukaan mustat aukot säteilevät. Tämä oli outoa, koska jo aiemmin sanottiin, että mikään ei voi paeta mustan aukon tapahtumahorisontista.
Tämä ongelma ratkaistiin, kun keksittiin ajatus "virtuaalihiukkaspareista". Toinen hiukkasparista putoaisi mustaan aukkoon ja toinen pakenisi. Tämä näyttäisi siltä, että musta aukko säteilee hiukkasia. Tämä ajatus vaikutti aluksi oudolta, mutta monet ihmiset hyväksyivät sen jonkin ajan kuluttua.
Maailmankaikkeuden alkuperä ja kohtalo
Useimmat tiedemiehet uskovat, että maailmankaikkeus sai alkunsa alkuräjähdyksestä, jota kutsutaan alkuräjähdykseksi. Tätä mallia kutsutaan "kuumaksi alkuräjähdysmalliksi". Kun maailmankaikkeus alkaa kasvaa, myös sen sisällä olevat asiat alkavat jäähtyä. Kun maailmankaikkeus oli alussa, se oli äärettömän kuuma. Maailmankaikkeuden lämpötila viileni, ja maailmankaikkeuden sisällä olevat asiat alkoivat kasaantua yhteen.
Hawking puhuu myös siitä, miten maailmankaikkeus olisi voinut syntyä. Jos maailmankaikkeus olisi esimerkiksi muodostunut ja sitten romahtanut nopeasti, elämän muodostumiselle ei olisi ollut riittävästi aikaa. Toinen esimerkki olisi universumi, joka laajeni liian nopeasti. Jos maailmankaikkeus laajenisi liian nopeasti, siitä tulisi lähes tyhjä. Ajatusta monista universumeista kutsutaan monimaailmatulkinnaksi.
Tässä luvussa käsitellään myös inflaatiomalleja ja ajatusta teoriasta, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja gravitaation.
Jokaisella hiukkasella on monta historiaa. Tämä ajatus tunnetaan nimellä Feynmanin teoria historioiden summasta. Kvanttimekaniikan ja gravitaation yhdistävässä teoriassa pitäisi olla Feynmanin teoria. Jos halutaan löytää mahdollisuus, että hiukkanen kulkee pisteen läpi, jokaisen hiukkasen aallot on laskettava yhteen. Nämä aallot tapahtuvat kuvitteellisessa ajassa. Kun imaginääriluvut kerrotaan itsellään, ne muodostavat negatiivisen luvun. Esimerkiksi 2i X 2i = -4.
