In dit boek vertelt Hawking over vele theorieën in de natuurkunde. Enkele van de dingen waar hij het over heeft zijn de geschiedenis van de natuurkunde, zwaartekracht, hoe licht beweegt in het heelal, ruimte-tijd, elementaire deeltjes (zeer kleine objecten waaruit dingen in het heelal bestaan), zwarte gaten, de oerknal (de theorie dat het heelal vanaf één punt is ontstaan), en tijdreizen (het idee dat er naar het verleden en de toekomst kan worden gereisd).
In het eerste deel van het boek vertelt Hawking over de geschiedenis van de natuurkunde. Hij vertelt over de ideeën van filosofen als Aristoteles en Ptolemaeus. Aristoteles dacht, in tegenstelling tot veel andere mensen uit zijn tijd, dat de aarde rond was. Hij dacht ook dat de zon en de sterren rond de aarde draaiden. Ptolemaeus dacht ook na over de plaats van de zon en de sterren in het heelal. Hij maakte een planetenmodel dat het denken van Aristoteles beschreef. Tegenwoordig is bekend dat het omgekeerde waar is; de aarde draait om de zon. De ideeën van Aristoteles/Ptolemaeus over de positie van de sterren en de zon werden in 1609 weerlegd. De persoon die als eerste op het idee kwam dat de aarde om de zon draait, was Nicolaas Copernicus. Galileo Galilei en Johannes Kepler, twee andere wetenschappers, hielpen te bewijzen dat het idee van Copernicus juist was. Zij keken hoe de manen van sommige planeten aan de hemel bewogen, en gebruikten dit om aan te tonen dat Copernicus gelijk had. Isaac Newton schreef ook een boek over de zwaartekracht, dat hielp om het idee van Copernicus te bewijzen.
Ruimte en tijd
Hawking beschrijft de beweging van planeten die rond de zon bewegen en hoe de zwaartekracht tussen de planeten en de zon werkt. Hij heeft het ook over de ideeën van absolute rust en absolute positie. Deze ideeën gaan over de gedachte dat gebeurtenissen over een bepaalde periode op hun plaats blijven. Dit bleek niet waar te zijn door de zwaartekrachtwetten van Newton. Het idee van absolute rust werkte niet wanneer voorwerpen zeer snel bewegen (met de lichtsnelheid, of lichtsnelheid).
De lichtsnelheid werd voor het eerst gemeten in 1676 door de Deense astronoom Ole Christensen Roemer. De lichtsnelheid bleek zeer snel te zijn, maar met een eindige snelheid. De wetenschappers ontdekten echter een probleem toen ze probeerden te zeggen dat licht altijd met dezelfde snelheid reisde. De wetenschappers creëerden een nieuw idee, de ether genaamd, dat de snelheid van het licht probeerde te verklaren.
Albert Einstein zei dat het idee van de ether niet nodig was als een ander idee, het idee van absolute tijd (of tijd die altijd hetzelfde is) werd geschrapt. Einsteins idee was ook hetzelfde als dat van Henry Poincare. Einsteins idee wordt de relativiteitstheorie genoemd.
Hawking heeft het ook over licht. Hij zegt dat gebeurtenissen kunnen worden beschreven door lichtkegels. De bovenkant van de lichtkegel vertelt waar het licht van de gebeurtenis naartoe reist. De onderkant vertelt waar het licht in het verleden was. Het centrum van de lichtkegel is de gebeurtenis. Naast lichtkegels heeft Hawking het ook over hoe licht kan buigen. Wanneer licht langs een grote massa gaat, zoals een ster, verandert het licht enigszins van richting in de richting van de massa.
Na het gesprek over licht heeft Hawking het over tijd in Einsteins relativiteitstheorie. Een voorspelling van Einsteins theorie is dat de tijd langzamer gaat wanneer iets zich in de buurt van een grote massa bevindt. Maar wanneer iets verder weg is van de massa, gaat de tijd sneller. Hawking gebruikte het idee van twee tweelingen die op verschillende plaatsen wonen om zijn idee te beschrijven. Als een van de tweelingen op een berg ging wonen, en een andere tweeling bij de zee, zou de tweeling die op de berg ging wonen iets ouder zijn dan de tweeling die aan zee ging wonen.
Het uitdijende heelal
Hawking heeft het over het uitdijende heelal. Het heelal wordt in de loop der tijd groter. Een van de dingen die hij gebruikt om zijn idee te verklaren is de dopplerverschuiving. De dopplerverschuiving treedt op wanneer iets naar een ander object toe of ervan weg beweegt. Er zijn twee soorten dingen die gebeuren bij Dopplerverschuiving - rode verschuiving en blauwe verschuiving. Rode verschuiving treedt op wanneer iets van ons af beweegt. Dit wordt veroorzaakt doordat de golflengte van het zichtbare licht dat ons bereikt toeneemt en de frequentie afneemt, waardoor het zichtbare licht verschuift naar het rode/infrarode uiteinde van het elektromagnetische spectrum. Roodverschuiving houdt verband met het geloof dat het heelal uitdijt naarmate de golflengte van het licht toeneemt, bijna alsof het wordt uitgerekt terwijl planeten en sterrenstelsels van ons af bewegen, wat overeenkomsten vertoont met het dopplereffect, waarbij geluidsgolven betrokken zijn. Blauwverschuiving treedt op wanneer iets naar ons toe beweegt, het tegenovergestelde proces van roodverschuiving, waarbij de golflengte afneemt en de frequentie toeneemt, waardoor het licht naar het blauwe uiteinde van het spectrum verschuift. De wetenschapper Edwin Hubble ontdekte dat veel sterren roodverschoven zijn en zich van ons verwijderen. Hawking gebruikt de dopplerverschuiving om te verklaren dat het heelal groter wordt. Het begin van het heelal zou hebben plaatsgevonden door iets dat de Oerknal wordt genoemd. De Big Bang was een zeer grote explosie waardoor het heelal ontstond.
Het onzekerheidsprincipe
Het onzekerheidsprincipe zegt dat de snelheid en de positie van een deeltje niet tegelijkertijd gevonden kunnen worden. Om te weten te komen waar een deeltje zich bevindt, schijnen wetenschappers licht op het deeltje. Met licht met een hoge frequentie kan de positie nauwkeuriger worden bepaald, maar de snelheid van het deeltje zal onbekend zijn (omdat het licht de snelheid van het deeltje verandert). Als een licht met een lagere frequentie wordt gebruikt, kan het licht de snelheid nauwkeuriger bepalen, maar zal de positie van het deeltje onbekend zijn. Het onzekerheidsprincipe ontkrachtte het idee van een deterministische theorie, of iets dat alles in de toekomst zou voorspellen.
Hoe licht zich gedraagt, wordt ook in dit hoofdstuk besproken. Sommige theorieën zeggen dat licht zich gedraagt als deeltjes, hoewel het eigenlijk uit golven bestaat; een theorie die dit zegt is de kwantumhypothese van Planck. Een andere theorie zegt ook dat lichtgolven zich als deeltjes gedragen; een theorie die dit zegt is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg.
Lichtgolven hebben kruinen en dalen. Het hoogste punt van een golf is de top, en het laagste deel van de golf is een trog. Soms kunnen meer dan één van deze golven met elkaar interfereren - de toppen en de dalen lopen dan in elkaar over. Dit wordt lichtinterferentie genoemd. Wanneer lichtgolven met elkaar interfereren, kan dit vele kleuren maken. Een voorbeeld hiervan zijn de kleuren in zeepbellen.
Elementaire deeltjes en natuurkrachten
Quarks zijn heel kleine dingen waaruit alles wat wij zien (materie) bestaat. Er zijn zes verschillende "smaken" quarks: de up quark, down quark, strange quark, charmed quark, bottom quark en top quark. Quarks hebben ook drie "kleuren": rood, groen en blauw. Er zijn ook anti-quarks, die het tegenovergestelde zijn van de gewone quarks. In totaal zijn er 18 verschillende soorten gewone quarks en 18 verschillende soorten anti-quarks. Quarks staan bekend als de "bouwstenen van de materie", omdat zij het kleinste zijn waaruit alle materie in het heelal bestaat.
Alle elementaire deeltjes (bijvoorbeeld de quarks) hebben iets dat spin wordt genoemd. De spin van een deeltje laat zien hoe een deeltje er vanuit verschillende richtingen uitziet. Een deeltje met spin 0 ziet er bijvoorbeeld vanuit elke richting hetzelfde uit. Een deeltje met spin 1 ziet er in elke richting anders uit, tenzij het deeltje volledig wordt rondgedraaid (360 graden). Hawking's voorbeeld van een deeltje met spin 1 is een pijl. Een deeltje met spin 2 moet half worden rondgedraaid (of 180 graden) om er hetzelfde uit te zien. Het voorbeeld in het boek is een pijl met twee koppen. Er zijn twee groepen deeltjes in het heelal: deeltjes met een spin van 1/2, en deeltjes met een spin van 0, 1, of 2. Al deze deeltjes volgen de principes van Pauli. Al deze deeltjes volgen het uitsluitingsprincipe van Pauli. Het uitsluitingsprincipe van Pauli zegt dat deeltjes niet op dezelfde plaats kunnen zijn of dezelfde snelheid kunnen hebben. Als het uitsluitingsprincipe van Pauli niet zou bestaan, dan zou alles in het heelal er hetzelfde uitzien, als een ongeveer uniforme en dichte "soep".
Deeltjes met een spin van 0, 1 of 2 verplaatsen kracht van het ene naar het andere deeltje. Enkele voorbeelden van deze deeltjes zijn virtuele gravitonen en virtuele fotonen. Virtuele gravitonen hebben een spin van 2 en vertegenwoordigen de zwaartekracht. Dit betekent dat wanneer de zwaartekracht twee dingen beïnvloedt, gravitonen naar en van de twee dingen bewegen. Virtuele fotonen hebben een spin van 1 en vertegenwoordigen elektromagnetische krachten (of de kracht die atomen bij elkaar houdt).
Naast de zwaartekracht en de elektromagnetische krachten zijn er zwakke en sterke kernkrachten. De zwakke kernkrachten zijn de krachten die radioactiviteit veroorzaken, of wanneer materie energie uitzendt. De zwakke kernkracht werkt op deeltjes met een spin van 1/2. Sterke kernkrachten zijn de krachten die de quarks in een neutron en een proton bij elkaar houden, en de protonen en neutronen in een atoom bij elkaar houden. Het deeltje dat de sterke kernkracht draagt, is vermoedelijk een gluon. Het gluon is een deeltje met een spin van 1. Het gluon houdt quarks bij elkaar om protonen en neutronen te vormen. Het gluon houdt echter alleen quarks bij elkaar die drie verschillende kleuren hebben. Hierdoor heeft het eindproduct geen kleur. Dit wordt opsluiting genoemd.
Sommige wetenschappers hebben geprobeerd een theorie te maken die de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht combineert. Deze theorie wordt een grand unified theory (of GUT) genoemd. Deze theorie probeert deze krachten te verklaren in één grote verenigde manier of theorie.
Zwarte gaten
Zwarte gaten zijn sterren die zijn ingestort in een heel klein puntje. Deze singulariteit is een punt in de ruimtetijd dat met een hoge snelheid ronddraait, waardoor zwarte gaten geen tijd hebben. Zwarte gaten zuigen dingen naar hun centrum omdat hun zwaartekracht zeer sterk is. Sommige dingen die het kan opzuigen zijn licht en sterren. Alleen zeer grote sterren, superreuzen genaamd, zijn groot genoeg om een zwart gat te worden. De ster moet anderhalf keer de massa van de zon of groter zijn om een zwart gat te worden. Dit getal wordt de Chandrasekhar-limiet genoemd. Als de massa van een ster kleiner is dan de Chandrasekhar-limiet, verandert hij niet in een zwart gat, maar in een ander, kleiner type ster. De grens van het zwarte gat wordt de waarnemingshorizon genoemd. Als iets zich in de waarnemingshorizon bevindt, komt het nooit meer uit het zwarte gat.
Zwarte gaten kunnen verschillende vormen hebben. Sommige zwarte gaten zijn perfect bolvormig - als een bal. Andere zwarte gaten puilen in het midden uit. Zwarte gaten zijn bolvormig als ze niet draaien. Zwarte gaten zullen in het midden uitpuilen als ze draaien.
Zwarte gaten zijn moeilijk te vinden omdat ze geen licht uitstralen. Ze kunnen worden gevonden wanneer zwarte gaten andere sterren opzuigen. Wanneer zwarte gaten andere sterren opzuigen, zendt het zwarte gat röntgenstraling uit, die door telescopen kan worden gezien. Hawking vertelt over zijn weddenschap met een andere wetenschapper, Kip Thorne. Hawking wedde dat zwarte gaten niet bestonden, omdat hij niet wilde dat zijn werk aan zwarte gaten verloren ging. Hij verloor de weddenschap.
Hawking besefte dat de waarnemingshorizon van een zwart gat alleen maar groter kon worden, niet kleiner. De oppervlakte van de waarnemingshorizon van een zwart gat wordt groter telkens als er iets in het zwarte gat valt. Hij besefte ook dat wanneer twee zwarte gaten combineren, de grootte van de nieuwe waarnemingshorizon groter of gelijk is aan de som van de waarnemingshorizon van de twee andere zwarte gaten. Dit betekent dat de waarnemingshorizon van een zwart gat nooit kleiner kan worden.
Wanorde, ook bekend als entropie, houdt verband met zwarte gaten. Er is een wetenschappelijke wet die te maken heeft met entropie. Deze wet heet de tweede wet van de thermodynamica en zegt dat entropie (of wanorde) altijd toeneemt in een geïsoleerd systeem (bijvoorbeeld het heelal). Het verband tussen de hoeveelheid entropie in een zwart gat en de grootte van de waarnemingshorizon van het zwarte gat werd voor het eerst bedacht door een student (Jacob Bekenstein) en bewezen door Hawking, wiens berekeningen zeiden dat zwarte gaten straling uitzenden. Dit was vreemd, want er werd al gezegd dat niets kan ontsnappen aan de waarnemingshorizon van een zwart gat.
Dit probleem werd opgelost toen het idee van paren "virtuele deeltjes" werd bedacht. Een van de deeltjesparen zou in het zwarte gat vallen, en de andere zou ontsnappen. Hierdoor zou het lijken alsof het zwarte gat deeltjes uitzond. Dit idee leek aanvankelijk vreemd, maar veel mensen accepteerden het na verloop van tijd.
De oorsprong en het lot van het heelal
De meeste wetenschappers geloven dat het heelal is begonnen in een explosie die de Oerknal wordt genoemd. Het model hiervoor wordt het "hete big bang model" genoemd. Wanneer het heelal groter begint te worden, beginnen de dingen erin ook koeler te worden. Toen het heelal begon, was het oneindig heet. De temperatuur van het heelal koelde af en de dingen in het heelal begonnen samen te klonteren.
Hawking heeft het ook over hoe het heelal had kunnen zijn. Als het heelal zich bijvoorbeeld zou hebben gevormd en vervolgens snel zou zijn ingestort, zou er niet genoeg tijd zijn voor de vorming van leven. Een ander voorbeeld is een heelal dat te snel uitdijt. Als een heelal te snel zou uitdijen, zou het bijna leeg worden. Het idee van vele universa wordt de interpretatie van vele werelden genoemd.
In dit hoofdstuk worden ook inflatiemodellen besproken, evenals het idee van een theorie die kwantummechanica en zwaartekracht verenigt.
Elk deeltje heeft vele geschiedenissen. Dit idee staat bekend als Feynmans theorie van de som over geschiedenissen. Een theorie die kwantummechanica en zwaartekracht verenigt, zou Feynmans theorie moeten bevatten. Om de kans te vinden dat een deeltje door een punt gaat, moeten de golven van elk deeltje worden opgeteld. Deze golven vinden plaats in denkbeeldige tijd. Imaginaire getallen vormen, wanneer zij met zichzelf worden vermenigvuldigd, een negatief getal. Bijvoorbeeld, 2i X 2i = -4.
