In questo libro, Hawking parla di molte teorie della fisica. Alcune delle cose di cui parla sono la storia della fisica, la gravità, come si muove la luce nell'universo, lo spazio-tempo, le particelle elementari (oggetti molto piccoli che compongono le cose nell'universo), i buchi neri, il Big Bang (la teoria che l'universo è partito da un punto) e i viaggi nel tempo (l'idea che si possa viaggiare nel passato e nel futuro).
Nella prima parte del libro, Hawking parla della storia della fisica. Parla delle idee di filosofi come Aristotele e Tolomeo. Aristotele, a differenza di molte altre persone del suo tempo, pensava che la Terra fosse rotonda. Pensava anche che il sole e le stelle girassero intorno alla Terra. Anche Tolomeo pensava a come il sole e le stelle si trovassero nell'universo. Fece un modello planetario che descriveva il pensiero di Aristotele. Oggi si sa che è vero il contrario: la terra gira intorno al sole. Le idee di Aristotele/Tolomeo sulla posizione delle stelle e del sole furono smentite nel 1609. La persona che per prima pensò all'idea della Terra che gira intorno al sole fu Niccolò Copernico. Galileo Galilei e Johannes Kepler, altri due scienziati, contribuirono a dimostrare che l'idea di Copernico era giusta. Osservarono come le lune di alcuni pianeti si muovevano nel cielo e lo usarono per dimostrare che Copernico aveva ragione. Anche Isaac Newton scrisse un libro sulla gravità, che contribuì a dimostrare che l'idea di Copernico era giusta.
Spazio e tempo
Hawking descrive il moto dei pianeti che si muovono intorno al sole e come funziona la gravità tra i pianeti e il sole. Parla anche delle idee di riposo assoluto e di posizione assoluta. Queste idee riguardano il pensiero che gli eventi rimangono al loro posto per un periodo di tempo. Questo è stato scoperto non essere vero dalle leggi di gravità di Newton. L'idea di riposo assoluto non funziona quando gli oggetti si muovono molto velocemente (alla velocità della luce, o velocità della luce).
La velocità della luce fu misurata per la prima volta nel 1676 dall'astronomo danese Ole Christensen Roemer. Si scoprì che la velocità della luce era molto veloce, ma ad una velocità finita. Tuttavia, gli scienziati trovarono un problema quando cercarono di dire che la luce viaggiava sempre alla stessa velocità. Gli scienziati crearono una nuova idea, chiamata etere, che cercava di spiegare la velocità della luce.
Albert Einstein disse che l'idea dell'etere non era necessaria se un'altra idea, quella del tempo assoluto (o del tempo che è sempre lo stesso) veniva abbandonata. L'idea di Einstein era anche la stessa di Henry Poincare. L'idea di Einstein è chiamata teoria della relatività.
Hawking parla anche della luce. Dice che gli eventi possono essere descritti da coni di luce. La parte superiore del cono di luce dice dove viaggerà la luce dell'evento. La parte inferiore dice dove la luce era nel passato. Il centro del cono di luce è l'evento. Oltre ai coni di luce, Hawking parla anche di come la luce possa piegarsi. Quando la luce supera una grande massa, come una stella, la luce cambia leggermente direzione verso la massa.
Dopo aver parlato della luce, Hawking parla del tempo nella teoria della relatività di Einstein. Una previsione che la teoria di Einstein fa è che il tempo passerà più lentamente quando qualcosa è vicino a masse enormi. Tuttavia, quando qualcosa è più lontano dalla massa, il tempo passerà più velocemente. Hawking ha usato l'idea di due gemelli che vivono in luoghi diversi per descrivere la sua idea. Se uno dei gemelli andasse a vivere su una montagna e un altro gemello andasse a vivere vicino al mare, il gemello che va a vivere sulla montagna sarebbe un po' più vecchio del gemello che va a vivere al mare.
L'universo in espansione
Hawking parla dell'universo in espansione. L'universo si sta ingrandendo nel tempo. Una delle cose che usa per spiegare la sua idea è lo spostamento Doppler. Lo spostamento Doppler avviene quando qualcosa si muove verso o lontano da un altro oggetto. Ci sono due tipi di cose che accadono nello spostamento Doppler - spostamento rosso e spostamento blu. Lo spostamento verso il rosso avviene quando qualcosa si sta allontanando da noi. Questo è causato dalla lunghezza d'onda della luce visibile che ci raggiunge aumentando, e la frequenza diminuendo, che sposta la luce visibile verso l'estremità rossa/infrarossa dello spettro elettromagnetico. Lo spostamento verso il rosso è legato alla convinzione che l'universo si stia espandendo in quanto la lunghezza d'onda della luce sta aumentando, quasi come se fosse allungata mentre i pianeti e le galassie si allontanano da noi, il che ha delle somiglianze con l'effetto Doppler, che coinvolge le onde sonore. Il blue shifting avviene quando qualcosa si muove verso di noi, il processo opposto al red-shift, in cui la lunghezza d'onda diminuisce e la frequenza aumenta, spostando la luce verso l'estremità blu dello spettro. Uno scienziato di nome Edwin Hubble ha scoperto che molte stelle sono spostate verso il rosso e si stanno allontanando da noi. Hawking usa lo spostamento Doppler per spiegare che l'universo si sta ingrandendo. Si pensa che l'inizio dell'universo sia avvenuto attraverso qualcosa chiamato Big Bang. Il Big Bang fu un'esplosione molto grande che creò l'universo.
Il principio di indeterminazione
Il principio di indeterminazione dice che la velocità e la posizione di una particella non possono essere trovate allo stesso tempo. Per trovare la posizione di una particella, gli scienziati puntano la luce sulla particella. Se viene usata una luce ad alta frequenza, la luce può trovare la posizione più accuratamente, ma la velocità della particella sarà sconosciuta (perché la luce cambierà la velocità della particella). Se viene usata una luce a frequenza più bassa, la luce può trovare la velocità in modo più accurato ma la posizione della particella sarà sconosciuta. Il principio di indeterminazione confutava l'idea di una teoria che fosse deterministica, o qualcosa che prevedesse tutto nel futuro.
In questo capitolo si parla anche di come si comporta la luce. Alcune teorie dicono che la luce si comporta come particelle anche se in realtà è fatta di onde; una teoria che dice questo è l'ipotesi quantistica di Planck. Un'altra teoria dice anche che le onde della luce si comportano come particelle; una teoria che dice questo è il principio di indeterminazione di Heisenberg.
Le onde luminose hanno creste e depressioni. Il punto più alto di un'onda è la cresta, e la parte più bassa dell'onda è un trogolo. A volte più di una di queste onde può interferire con l'altra - le creste e le depressioni si allineano. Questo è chiamato interferenza della luce. Quando le onde luminose interferiscono l'una con l'altra, questo può creare molti colori. Un esempio di questo è il colore delle bolle di sapone.
Particelle elementari e forze della natura
I quark sono cose molto piccole che compongono tutto ciò che vediamo (materia). Ci sono sei diversi "sapori" di quark: quark up, quark down, quark strange, quark charmed, quark bottom e quark top. I quark hanno anche tre "colori": rosso, verde e blu. Ci sono anche gli anti-quark, che sono l'opposto dei quark regolari. In totale, ci sono 18 tipi diversi di quark regolari e 18 tipi diversi di antiquark. I quark sono conosciuti come i "mattoni della materia" perché sono la cosa più piccola che compone tutta la materia dell'universo.
Tutte le particelle elementari (per esempio, i quark) hanno qualcosa chiamato spin. Lo spin di una particella ci mostra l'aspetto di una particella da diverse direzioni. Per esempio, una particella di spin 0 ha lo stesso aspetto da ogni direzione. Una particella di spin 1 appare diversa in ogni direzione, a meno che la particella non venga fatta girare completamente (360 gradi). L'esempio di Hawking di una particella di spin 1 è una freccia. Una particella di spin 2 deve essere girata a metà (o 180 gradi) per avere lo stesso aspetto. L'esempio dato nel libro è quello di una freccia a due punte. Ci sono due gruppi di particelle nell'universo: particelle con uno spin di 1/2 e particelle con uno spin di 0, 1 o 2. Tutte queste particelle seguono il principio di esclusione di Pauli. Il principio di esclusione di Pauli dice che le particelle non possono essere nello stesso posto o avere la stessa velocità. Se il principio di esclusione di Pauli non esistesse, allora tutto nell'universo avrebbe lo stesso aspetto, come una "zuppa" approssimativamente uniforme e densa.
Le particelle con uno spin di 0, 1 o 2 spostano la forza da una particella all'altra. Alcuni esempi di queste particelle sono i gravitoni virtuali e i fotoni virtuali. I gravitoni virtuali hanno uno spin di 2 e rappresentano la forza di gravità. Questo significa che quando la gravità colpisce due cose, i gravitoni si muovono da e verso le due cose. I fotoni virtuali hanno uno spin di 1 e rappresentano le forze elettromagnetiche (o la forza che tiene insieme gli atomi).
Oltre alla forza di gravità e alle forze elettromagnetiche, ci sono le forze nucleari deboli e forti. Le forze nucleari deboli sono le forze che causano la radioattività, o quando la materia emette energia. La forza nucleare debole funziona su particelle con uno spin di 1/2. Le forze nucleari forti sono le forze che tengono insieme i quark di un neutrone e di un protone, e tengono insieme i protoni e i neutroni in un atomo. Si pensa che la particella che porta la forza nucleare forte sia un gluone. Il gluone è una particella con uno spin di 1. Il gluone tiene insieme i quark per formare protoni e neutroni. Tuttavia, il gluone tiene insieme solo quark di tre colori diversi. Questo fa sì che il prodotto finale non abbia colore. Questo è chiamato confinamento.
Alcuni scienziati hanno cercato di fare una teoria che combina la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte. Questa teoria è chiamata una grande teoria unificata (o GUT). Questa teoria cerca di spiegare queste forze in un unico grande modo unificato o teoria.
Buchi neri
I buchi neri sono stelle che sono collassate in un punto molto piccolo. Questo piccolo punto è chiamato singolarità, che è un punto dello spazio-tempo che ruota ad alta velocità, per cui i buchi neri non hanno tempo. I buchi neri risucchiano le cose nel loro centro perché la loro gravità è molto forte. Alcune delle cose che può risucchiare sono la luce e le stelle. Solo le stelle molto grandi, chiamate supergiganti, sono abbastanza grandi da diventare un buco nero. La stella deve essere una volta e mezzo la massa del sole o più grande per trasformarsi in un buco nero. Questo numero è chiamato limite di Chandrasekhar. Se la massa di una stella è inferiore al limite di Chandrasekhar, non si trasformerà in un buco nero; invece, si trasformerà in un tipo di stella diversa, più piccola. Il confine del buco nero è chiamato orizzonte degli eventi. Se qualcosa si trova nell'orizzonte degli eventi, non uscirà mai dal buco nero.
I buchi neri possono avere forme diverse. Alcuni buchi neri sono perfettamente sferici, come una palla. Altri buchi neri si gonfiano al centro. I buchi neri saranno sferici se non ruotano. I buchi neri si gonfiano al centro se ruotano.
I buchi neri sono difficili da trovare perché non emettono luce. Possono essere trovati quando i buchi neri risucchiano altre stelle. Quando i buchi neri risucchiano altre stelle, il buco nero emette raggi X, che possono essere visti dai telescopi. Hawking parla della sua scommessa con un altro scienziato, Kip Thorne. Hawking scommise che i buchi neri non esistevano, perché non voleva che il suo lavoro sui buchi neri andasse sprecato. Ha perso la scommessa.
Hawking ha capito che l'orizzonte degli eventi di un buco nero può solo diventare più grande, non più piccolo. L'area dell'orizzonte degli eventi di un buco nero diventa più grande ogni volta che qualcosa cade nel buco nero. Ha anche capito che quando due buchi neri si combinano, la dimensione del nuovo orizzonte degli eventi è maggiore o uguale alla somma degli orizzonti degli eventi degli altri due buchi neri. Questo significa che l'orizzonte degli eventi di un buco nero non può mai diventare più piccolo.
Il disordine, noto anche come entropia, è legato ai buchi neri. C'è una legge scientifica che ha a che fare con l'entropia. Questa legge si chiama seconda legge della termodinamica, e dice che l'entropia (o disordine) aumenterà sempre in un sistema isolato (per esempio, l'universo). La relazione tra la quantità di entropia in un buco nero e la dimensione dell'orizzonte degli eventi del buco nero fu pensata per la prima volta da un ricercatore (Jacob Bekenstein) e dimostrata da Hawking, i cui calcoli dicevano che i buchi neri emettono radiazioni. Questo era strano, perché era già stato detto che nulla può sfuggire all'orizzonte degli eventi di un buco nero.
Questo problema fu risolto quando si pensò all'idea di coppie di "particelle virtuali". Una delle coppie di particelle sarebbe caduta nel buco nero e l'altra sarebbe fuggita. Questo sembrerebbe come se il buco nero stesse emettendo particelle. Questa idea sembrava strana all'inizio, ma molte persone l'hanno accettata dopo un po'.
L'origine e il destino dell'universo
La maggior parte degli scienziati crede che l'universo sia iniziato con un'esplosione chiamata Big Bang. Il modello per questo è chiamato "modello del big bang caldo". Quando l'universo comincia a diventare più grande, anche le cose al suo interno cominciano a raffreddarsi. Quando l'universo stava iniziando, era infinitamente caldo. La temperatura dell'universo si raffreddò e le cose all'interno dell'universo iniziarono a raggrupparsi.
Hawking parla anche di come l'universo avrebbe potuto essere. Per esempio, se l'universo si fosse formato e poi fosse collassato rapidamente, non ci sarebbe stato abbastanza tempo per la formazione della vita. Un altro esempio sarebbe un universo che si è espanso troppo velocemente. Se un universo si espandesse troppo velocemente, diventerebbe quasi vuoto. L'idea di molti universi è chiamata interpretazione dei molti mondi.
I modelli inflazionari sono anche discussi in questo capitolo, così come l'idea di una teoria che unifica la meccanica quantistica e la gravità.
Ogni particella ha molte storie. Questa idea è conosciuta come la teoria di Feynman della somma delle storie. Una teoria che unifica la meccanica quantistica e la gravità dovrebbe contenere la teoria di Feynman. Per trovare la probabilità che una particella passi attraverso un punto, bisogna sommare le onde di ogni particella. Queste onde avvengono in tempo immaginario. I numeri immaginari, se moltiplicati per se stessi, fanno un numero negativo. Per esempio, 2i X 2i = -4.
