V této knize Hawking hovoří o mnoha fyzikálních teoriích. Některé z nich se týkají historie fyziky, gravitace, pohybu světla ve vesmíru, časoprostoru, elementárních částic (velmi malých objektů, z nichž se skládají věci ve vesmíru), černých děr, velkého třesku (teorie, že vesmír vznikl z jednoho bodu) a cestování v čase (myšlenka, že lze cestovat do minulosti i budoucnosti).
V první části knihy Hawking hovoří o historii fyziky. Hovoří o myšlenkách filozofů, jako byli Aristoteles a Ptolemaios. Aristoteles si na rozdíl od mnoha jiných lidí své doby myslel, že Země je kulatá. Domníval se také, že Slunce a hvězdy obíhají kolem Země. Ptolemaios také uvažoval o tom, jak se Slunce a hvězdy ve vesmíru nacházejí. Sestavil planetární model, který popisoval Aristotelovy myšlenky. Dnes je známo, že opak je pravdou; Země obíhá kolem Slunce. Aristotelovy/Ptolemaiovy představy o poloze hvězd a Slunce byly vyvráceny v roce 1609. Osobou, která jako první přišla s myšlenkou o tom, že Země obíhá kolem Slunce, byl Mikuláš Koperník. Galileo Galilei a Johannes Kepler, další dva vědci, pomohli dokázat, že Koperníkova myšlenka byla správná. Sledovali, jak se na obloze pohybují měsíce některých planet, a na základě toho dokázali, že Koperník měl pravdu. Isaac Newton také napsal knihu o gravitaci, která pomohla dokázat správnost Koperníkovy myšlenky.
Prostor a čas
Hawking popisuje pohyb planet kolem Slunce a fungování gravitace mezi planetami a Sluncem. Hovoří také o myšlenkách absolutního klidu a absolutní polohy. Tyto myšlenky se týkají myšlenky, že události zůstávají na svém místě po určitou dobu. Newtonovy gravitační zákony zjistily, že to není pravda. Myšlenka absolutního klidu nefungovala, když se objekty pohybovaly velmi rychle (rychlostí světla neboli rychlostí světla).
Rychlost světla poprvé změřil v roce 1676 dánský astronom Ole Christensen Roemer. Zjistil, že rychlost světla je velmi vysoká, ale konečná. Vědci však narazili na problém, když se snažili tvrdit, že světlo se pohybuje stále stejnou rychlostí. Vědci vytvořili novou myšlenku zvanou éter, která se snažila vysvětlit rychlost světla.
Albert Einstein řekl, že myšlenka éteru není nutná, pokud se upustí od jiné myšlenky, a to od myšlenky absolutního času (neboli času, který je stále stejný). Einsteinova myšlenka byla také stejná jako myšlenka Henryho Poincareho. Einsteinova myšlenka se nazývá teorie relativity.
Hawking hovoří také o světle. Říká, že události lze popsat pomocí světelných kuželů. Vrchol světelného kužele udává, kam se světlo z události dostane. Spodní část říká, kde se světlo nacházelo v minulosti. Střed světelného kužele je událost. Kromě světelných kuželů hovoří Hawking také o tom, jak se světlo může ohýbat. Když světlo prochází kolem velké hmoty, například hvězdy, změní mírně směr směrem k této hmotě.
Poté, co hovoří o světle, Hawking hovoří o čase v Einsteinově teorii relativity. Jednou z předpovědí Einsteinovy teorie je, že čas plyne pomaleji, když se něco nachází v blízkosti obrovských hmot. Když je však něco od hmoty vzdálenější, čas plyne rychleji. Hawking použil k popisu své myšlenky představu dvou dvojčat žijících na různých místech. Pokud by jedno z dvojčat odešlo žít na horu a druhé dvojče by odešlo žít k moři, bylo by dvojče, které odešlo žít na horu, o něco starší než dvojče, které odešlo žít k moři.
Rozšiřující se vesmír
Hawking hovoří o rozpínajícím se vesmíru. Vesmír se postupem času zvětšuje. Jednou z věcí, kterou používá k vysvětlení své myšlenky, je Dopplerův posun. K Dopplerovu posunu dochází, když se něco pohybuje směrem k jinému objektu nebo od něj. Při Dopplerově posunu dochází ke dvěma typům jevů - k červenému a modrému posunu. K červenému posunu dochází, když se od nás něco vzdaluje. Je to způsobeno tím, že se zvětšuje vlnová délka viditelného světla, které k nám dopadá, a snižuje se jeho frekvence, což posouvá viditelné světlo směrem k červenému/infračervenému konci elektromagnetického spektra. Červený posuv souvisí s názorem, že vesmír se rozpíná, protože vlnová délka světla se zvětšuje, téměř jako by se natahovala, jak se od nás vzdalují planety a galaxie, což je podobné Dopplerovu jevu, který se týká zvukových vln. K modrému posuvu dochází, když se něco pohybuje směrem k nám, což je opačný proces než červený posuv, při kterém se vlnová délka snižuje a frekvence zvyšuje, čímž se světlo posouvá k modrému konci spektra. Vědec Edwin Hubble zjistil, že mnoho hvězd má červený posuv a vzdaluje se od nás. Hawking používá Dopplerův posun k vysvětlení toho, že se vesmír zvětšuje. Předpokládá se, že k počátku vesmíru došlo v důsledku něčeho, čemu se říká velký třesk. Velký třesk byl velmi velký výbuch, který vytvořil vesmír.
Princip neurčitosti
Princip neurčitosti říká, že rychlost a polohu částice nelze zjistit současně. Aby vědci zjistili, kde se částice nachází, svítí na ni světlem. Pokud se použije vysokofrekvenční světlo, lze polohu zjistit přesněji, ale rychlost částice nebude známa (protože světlo změní rychlost částice). Pokud se použije světlo s nižší frekvencí, může světlo zjistit rychlost přesněji, ale poloha částice bude neznámá. Princip neurčitosti vyvrátil myšlenku teorie, která by byla deterministická, neboli něčeho, co by v budoucnu předpovědělo vše.
O tom, jak se chová světlo, se více dozvíte v této kapitole. Některé teorie tvrdí, že světlo se chová jako částice, i když je ve skutečnosti tvořeno vlněním; jednou z teorií, která to tvrdí, je Planckova kvantová hypotéza. Jiná teorie také říká, že světelné vlny se také chovají jako částice; teorií, která to říká, je Heisenbergův princip neurčitosti.
Světelné vlny mají hřebeny a dna. Nejvyšší bod vlny je hřeben a nejnižší část vlny je koryto. Někdy se může více těchto vln navzájem rušit - hřebeny a koryta se řadí do jedné linie. Tomu se říká světelná interference. Když spolu světelné vlny interferují, může to vytvořit mnoho barev. Příkladem jsou barvy mýdlových bublin.
Elementární částice a přírodní síly
Kvarky jsou velmi malé věci, které tvoří vše, co vidíme (hmotu). Existuje šest různých "chutí" kvarků: up kvark, down kvark, strange kvark, charmed kvark, bottom kvark a top kvark. Kvarky mají také tři "barvy": červenou, zelenou a modrou. Existují také antikvarky, které jsou opakem běžných kvarků. Celkem existuje 18 různých typů regulárních kvarků a 18 různých typů antikvarků. Kvarky jsou známé jako "stavební kameny hmoty", protože jsou to nejmenší, z čeho se skládá veškerá hmota ve vesmíru.
Všechny elementární částice (například kvarky) mají něco, čemu se říká spin. Spin částice nám ukazuje, jak částice vypadá z různých směrů. Například částice se spinem 0 vypadá z každého směru stejně. Částice se spinem 1 vypadá z každého směru jinak, pokud se neotáčí úplně dokola (o 360 stupňů). Hawkingovým příkladem částice se spinem 1 je šipka. Částici se spinem 2 je třeba otočit o polovinu (neboli o 180 stupňů), aby vypadala stejně. Příklad uvedený v knize je dvouhlavý šíp. Ve vesmíru existují dvě skupiny částic: částice se spinem 1/2 a částice se spinem 0, 1 nebo 2. V tomto případě se jedná o částice se spinem 0, 1 nebo 2. Všechny tyto částice se řídí Pauliho vylučovacím principem. Pauliho vylučovací princip říká, že částice nemohou být na stejném místě ani mít stejnou rychlost. Kdyby Pauliho vylučovací princip neexistoval, pak by všechno ve vesmíru vypadalo stejně, jako přibližně stejnorodá a hustá "polévka".
Částice se spinem 0, 1 nebo 2 se pohybují silou od jedné částice k druhé. Příkladem těchto částic jsou virtuální gravitony a virtuální fotony. Virtuální gravitony mají spin 2 a představují gravitační sílu. To znamená, že když gravitace působí na dvě věci, gravitony se pohybují k těmto dvěma věcem a od nich. Virtuální fotony mají spin 1 a představují elektromagnetické síly (neboli sílu, která drží atomy pohromadě).
Kromě gravitační a elektromagnetické síly existují také slabé a silné jaderné síly. Slabé jaderné síly jsou síly, které způsobují radioaktivitu, nebo když hmota vyzařuje energii. Slabá jaderná síla působí na částice se spinem 1/2. Silné jaderné síly jsou síly, které udržují pohromadě kvarky v neutronu a protonu a udržují pohromadě protony a neutrony v atomu. Částice, která je nositelem silné jaderné síly, je považována za gluon. Gluon je částice se spinem 1. Gluon drží pohromadě kvarky, které tvoří protony a neutrony. Gluon však drží pohromadě pouze kvarky, které mají tři různé barvy. Výsledný produkt tak nemá žádnou barvu. Tomuto jevu se říká zadržení.
Někteří vědci se pokusili vytvořit teorii, která by kombinovala elektromagnetickou sílu, slabou jadernou sílu a silnou jadernou sílu. Tato teorie se nazývá velká sjednocená teorie (nebo GUT). Tato teorie se snaží vysvětlit tyto síly jedním velkým jednotným způsobem nebo teorií.
Černé díry
Černé díry jsou hvězdy, které se zhroutily do jednoho velmi malého bodu. Tento malý bod se nazývá singularita.Tato singularita je bodem časoprostoru, který rotuje vysokou rychlostí.To je důvod, proč černé díry nemají čas. Černé díry nasávají věci do svého středu, protože jejich gravitace je velmi silná. Mezi věci, které dokáže vcucnout, patří světlo a hvězdy. Pouze velmi velké hvězdy, tzv. superobři, jsou dostatečně velké na to, aby se staly černou dírou. Aby se hvězda změnila v černou díru, musí mít jedenapůlkrát větší hmotnost než Slunce nebo větší. Toto číslo se nazývá Chandrasekharova mez. Pokud je hmotnost hvězdy menší než Chandrasekharova mez, nepromění se v černou díru; místo toho se promění v jiný, menší typ hvězdy. Hranice černé díry se nazývá horizont událostí. Pokud se něco nachází v horizontu událostí, nikdy se to z černé díry nedostane.
Černé díry mohou mít různý tvar. Některé černé díry jsou dokonale kulovité - jako koule. Jiné černé díry jsou uprostřed vypouklé. Černé díry budou kulovité, pokud nebudou rotovat. Pokud černé díry rotují, budou uprostřed vypouklé.
Černé díry je obtížné najít, protože nepropouštějí žádné světlo. Lze je nalézt, když černé díry nasají jiné hvězdy. Když černá díra nasaje jiné hvězdy, vypouští rentgenové záření, které lze pozorovat dalekohledem. Hawking hovoří o své sázce s jiným vědcem, Kipem Thornem. Hawking se vsadil, že černé díry neexistují, protože nechtěl, aby jeho práce na černých dírách přišla vniveč. Sázku prohrál.
Hawking si uvědomil, že horizont událostí černé díry se může pouze zvětšovat, nikoli zmenšovat. Plocha horizontu událostí černé díry se zvětšuje, kdykoli do černé díry něco spadne. Uvědomil si také, že když se dvě černé díry spojí, je velikost nového horizontu událostí větší nebo rovna součtu horizontů událostí obou ostatních černých děr. To znamená, že horizont událostí černé díry se nikdy nemůže zmenšit.
Nepořádek, známý také jako entropie, souvisí s černými dírami. Existuje vědecký zákon, který souvisí s entropií. Tento zákon se nazývá druhý termodynamický zákon a říká, že entropie (neboli neuspořádanost) bude v izolovaném systému (například ve vesmíru) vždy narůstat. Vztah mezi množstvím entropie v černé díře a velikostí horizontu událostí černé díry poprvé napadl studenta (Jacoba Bekensteina) a dokázal ho Hawking, podle jehož výpočtů černé díry vyzařují záření. To bylo zvláštní, protože již dříve se říkalo, že z horizontu událostí černé díry nemůže nic uniknout.
Tento problém byl vyřešen, když se objevila myšlenka dvojic "virtuálních částic". Jedna z dvojice částic by spadla do černé díry a druhá by unikla. Vypadalo by to, jako by černá díra částice vysílala. Tato myšlenka se zpočátku zdála podivná, ale mnoho lidí ji po nějaké době přijalo.
Vznik a osud vesmíru
Většina vědců se domnívá, že vesmír vznikl explozí zvanou velký třesk. Tento model se nazývá "model horkého velkého třesku". Když se vesmír začne zvětšovat, začnou se ochlazovat i věci v něm. Když vesmír začínal, byl nekonečně horký. Teplota vesmíru se ochladila a věci uvnitř vesmíru se začaly shlukovat.
Hawking také hovoří o tom, jak mohl vesmír vzniknout. Pokud by například vesmír vznikl a poté se rychle zhroutil, nebyl by dostatek času na vznik života. Dalším příkladem by byl vesmír, který by se rozpínal příliš rychle. Pokud by se vesmír rozpínal příliš rychle, stal by se téměř prázdným. Myšlenka mnoha vesmírů se nazývá výklad mnoha světů.
V této kapitole jsou také diskutovány inflační modely a myšlenka teorie, která sjednocuje kvantovou mechaniku a gravitaci.
Každá částice má mnoho historií. Tato myšlenka je známá jako Feynmanova teorie součtu historií. Teorie, která sjednocuje kvantovou mechaniku a gravitaci, by měla Feynmanovu teorii obsahovat. Abychom zjistili pravděpodobnost, že částice projde bodem, je třeba sečíst vlny každé částice. Tyto vlny probíhají v imaginárním čase. Imaginární čísla, když se vynásobí sama sebou, tvoří záporné číslo. Například 2i X 2i = -4.
