In diesem Buch spricht Hawking über viele Theorien in der Physik. Einige der Dinge, über die er spricht, sind die Geschichte der Physik, die Gravitation, wie sich das Licht im Universum bewegt, die Raumzeit, Elementarteilchen (sehr kleine Objekte, aus denen sich die Dinge im Universum zusammensetzen), Schwarze Löcher, der Urknall (die Theorie, dass das Universum von einem Punkt aus begann) und Zeitreisen (die Vorstellung, dass Reisen in die Vergangenheit und in die Zukunft möglich sind).
Im ersten Teil des Buches spricht Hawking über die Geschichte der Physik. Er spricht über die Ideen von Philosophen wie Aristoteles und Ptolemäus. Aristoteles dachte im Gegensatz zu vielen anderen Menschen seiner Zeit, dass die Erde rund sei. Er glaubte auch, dass die Sonne und die Sterne die Erde umkreisen. Ptolemäus dachte auch darüber nach, wie sich Sonne und Sterne im Universum befinden. Er fertigte ein Planetenmodell an, das das Denken des Aristoteles beschrieb. Heute weiß man, dass das Gegenteil der Fall ist: Die Erde dreht sich um die Sonne. Die Ideen von Aristoteles/Ptolemäus über die Position der Sterne und der Sonne wurden 1609 widerlegt. Die Person, die zum ersten Mal an die Idee dachte, dass sich die Erde um die Sonne dreht, war Nikolaus Kopernikus. Galileo Galilei und Johannes Kepler, zwei weitere Wissenschaftler, halfen mit zu beweisen, dass die Idee von Kopernikus richtig war. Sie untersuchten, wie sich die Monde einiger Planeten am Himmel bewegten, und sie nutzten dies, um Kopernikus Recht zu geben. Isaac Newton schrieb auch ein Buch über die Schwerkraft, das dazu beitrug, Kopernikus' Idee zu widerlegen.
Raum und Zeit
Hawking beschreibt die Bewegung von Planeten, die sich um die Sonne bewegen, und wie die Schwerkraft zwischen den Planeten und der Sonne wirkt. Er spricht auch über die Ideen der absoluten Ruhe und der absoluten Position. Bei diesen Ideen geht es um den Gedanken, dass Ereignisse über eine bestimmte Zeitspanne hinweg an Ort und Stelle bleiben. Dies wurde durch die Newtonschen Gravitationsgesetze als nicht zutreffend befunden. Die Idee der absoluten Ruhe funktionierte nicht, wenn sich Objekte sehr schnell bewegen (mit Lichtgeschwindigkeit, oder Lichtgeschwindigkeit).
Die Lichtgeschwindigkeit wurde erstmals 1676 von dem dänischen Astronomen Ole Christensen Roemer gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Lichtgeschwindigkeit sehr schnell ist, aber mit einer endlichen Geschwindigkeit. Die Wissenschaftler stießen jedoch auf ein Problem, als sie zu sagen versuchten, dass sich Licht immer mit derselben Geschwindigkeit bewegt. Die Wissenschaftler entwickelten eine neue Idee, den Äther, der versuchte, die Lichtgeschwindigkeit zu erklären.
Albert Einstein sagte, dass die Idee des Äthers nicht nötig sei, wenn eine andere Idee, die Idee der absoluten Zeit (oder der Zeit, die immer gleich ist), fallen gelassen wird. Einsteins Idee war auch die gleiche wie die Idee von Henry Poincare. Einsteins Idee wird Relativitätstheorie genannt.
Hawking spricht auch über Licht. Er sagt, dass Ereignisse durch Lichtkegel beschrieben werden können. Die Spitze des Lichtkegels sagt aus, wohin das Licht des Ereignisses reisen wird. Der untere Teil des Lichtkegels zeigt, wo das Licht in der Vergangenheit war. Das Zentrum des Lichtkegels ist das Ereignis. Neben Lichtkegeln spricht Hawking auch darüber, wie sich Licht biegen kann. Wenn Licht an einer großen Masse, wie einem Stern, vorbeigeht, ändert das Licht seine Richtung leicht in Richtung der Masse.
Nachdem er über Licht gesprochen hat, spricht Hawking über die Zeit in Einsteins Relativitätstheorie. Eine Vorhersage der Einsteinschen Relativitätstheorie besagt, dass die Zeit langsamer vergeht, wenn sich etwas in der Nähe von riesigen Massen befindet. Wenn etwas jedoch weiter von der Masse entfernt ist, vergeht die Zeit schneller. Hawking benutzte die Vorstellung von zwei Zwillingen, die an verschiedenen Orten leben, um seine Idee zu beschreiben. Wenn einer der Zwillinge auf einem Berg und ein anderer Zwilling in der Nähe des Meeres leben würde, wäre der Zwilling, der auf dem Berg leben würde, etwas älter als der Zwilling, der am Meer leben würde.
Das sich ausdehnende Universum
Hawking spricht über das expandierende Universum. Das Universum wird mit der Zeit immer größer. Eines der Dinge, mit denen er seine Idee erklärt, ist die Dopplerverschiebung. Die Dopplerverschiebung entsteht, wenn sich etwas auf ein anderes Objekt zu oder von ihm weg bewegt. Es gibt zwei Arten von Dingen, die bei der Dopplerverschiebung passieren - die Rotverschiebung und die Blauverschiebung. Die Rotverschiebung geschieht, wenn sich etwas von uns weg bewegt. Dies wird dadurch verursacht, dass die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, das uns erreicht, zunimmt und die Frequenz abnimmt, wodurch sich das sichtbare Licht zum rot/infraroten Ende des elektromagnetischen Spektrums hin verschiebt. Die Rotverschiebung hängt mit dem Glauben zusammen, dass sich das Universum ausdehnt, wenn die Wellenlänge des Lichts zunimmt, fast so, als ob es sich ausdehnt, wenn sich Planeten und Galaxien von uns wegbewegen, was Ähnlichkeiten mit dem Doppler-Effekt hat, bei dem Schallwellen involviert sind. Die Blauverschiebung geschieht, wenn sich etwas auf uns zubewegt, der umgekehrte Prozess der Rotverschiebung, bei dem die Wellenlänge abnimmt und die Frequenz zunimmt, wodurch das Licht zum blauen Ende des Spektrums hin verschoben wird. Ein Wissenschaftler namens Edwin Hubble fand heraus, dass viele Sterne rotverschoben sind und sich von uns weg bewegen. Hawking verwendet die Dopplerverschiebung, um zu erklären, dass das Universum größer wird. Man geht davon aus, dass der Beginn des Universums durch etwas geschehen ist, das man Urknall nennt. Der Urknall war eine sehr große Explosion, durch die das Universum entstand.
Das Unsicherheitsprinzip
Das Unschärferelationsprinzip besagt, dass die Geschwindigkeit und die Position eines Teilchens nicht gleichzeitig gefunden werden können. Um herauszufinden, wo sich ein Teilchen befindet, richten die Wissenschaftler Licht auf das Teilchen. Wenn ein hochfrequentes Licht verwendet wird, kann das Licht die Position genauer finden, aber die Geschwindigkeit des Teilchens wird unbekannt sein (weil das Licht die Geschwindigkeit des Teilchens verändert). Wenn ein Licht mit niedrigerer Frequenz verwendet wird, kann das Licht die Geschwindigkeit genauer finden, aber die Position des Teilchens ist unbekannt (weil das Licht die Geschwindigkeit des Teilchens ändert). Das Unschärfeprinzip widerlegte die Idee einer deterministischen Theorie oder einer Theorie, die alles in der Zukunft vorhersagen würde.
Wie sich das Licht verhält, wird ebenfalls in diesem Kapitel näher erläutert. Einige Theorien besagen, dass sich Licht wie Teilchen verhält, obwohl es in Wirklichkeit aus Wellen besteht; eine Theorie, die dies besagt, ist die Quantenhypothese von Planck. Eine andere Theorie besagt auch, dass sich Lichtwellen ebenfalls wie Teilchen verhalten; eine Theorie, die dies besagt, ist die Heisenbergsche Unschärferelation.
Lichtwellen haben Wellenberge und Wellentäler. Der höchste Punkt einer Welle ist der Wellenberg, und der tiefste Teil der Welle ist eine Mulde. Manchmal können sich mehrere dieser Wellen gegenseitig stören - die Wellenberge und die Wellentäler reihen sich aneinander. Dies wird als Lichtinterferenz bezeichnet. Wenn Lichtwellen miteinander interferieren, können daraus viele Farben entstehen. Ein Beispiel dafür sind die Farben in Seifenblasen.
Elementarteilchen und Naturgewalten
Quarks sind sehr kleine Dinge, die alles ausmachen, was wir sehen (Materie). Es gibt sechs verschiedene "Geschmacksrichtungen" von Quarks: das up-Quark, das down-Quark, das strange-Quark, das charmierte Quark, das bottom-Quark und das top-Quark. Quarks haben auch drei "Farben": rot, grün und blau. Es gibt auch Anti-Quarks, die das Gegenteil der regulären Quarks sind. Insgesamt gibt es 18 verschiedene Arten von regulären Quarks und 18 verschiedene Arten von Anti-Quarks. Quarks werden als die "Bausteine der Materie" bezeichnet, weil sie das kleinste Ding sind, aus dem die gesamte Materie im Universum besteht.
Alle Elementarteilchen (zum Beispiel die Quarks) haben etwas, das Spin genannt wird. Der Spin eines Teilchens zeigt uns, wie ein Teilchen aus verschiedenen Richtungen aussieht. Zum Beispiel sieht ein Teilchen mit Spin 0 aus jeder Richtung gleich aus. Ein Teilchen mit Spin 1 sieht in jeder Richtung anders aus, es sei denn, das Teilchen wird vollständig um (360 Grad) gedreht. Hawkings Beispiel für ein Teilchen mit Spin 1 ist ein Pfeil. Ein Teilchen mit Spin 2 muss um die Hälfte (oder 180 Grad) gedreht werden, damit es gleich aussieht. Das im Buch angeführte Beispiel ist ein Pfeil mit doppelter Spitze. Es gibt zwei Gruppen von Teilchen im Universum: Teilchen mit einem Spin von 1/2 und Teilchen mit einem Spin von 0, 1 oder 2. Alle diese Teilchen folgen Paulis Ausschlussprinzip. Das Ausschlussprinzip von Pauli besagt, dass sich Teilchen nicht am selben Ort befinden und nicht die gleiche Geschwindigkeit haben können. Wenn es das Paul'sche Ausschlussprinzip nicht gäbe, dann sähe alles im Universum gleich aus, wie eine etwa gleichförmige und dichte "Suppe".
Partikel mit einem Spin von 0, 1 oder 2 bewegen sich mit Kraft von einem Partikel zum anderen. Einige Beispiele für diese Teilchen sind virtuelle Gravitonen und virtuelle Photonen. Virtuelle Gravitonen haben einen Spin von 2 und repräsentieren die Kraft der Schwerkraft. Das bedeutet, wenn die Schwerkraft auf zwei Dinge wirkt, bewegen sich die Gravitonen zu und von den beiden Dingen weg. Virtuelle Photonen haben einen Spin von 1 und repräsentieren elektromagnetische Kräfte (oder die Kraft, die Atome zusammenhält).
Neben der Schwerkraft und den elektromagnetischen Kräften gibt es schwache und starke nukleare Kräfte. Schwache Kernkräfte sind die Kräfte, die Radioaktivität verursachen, oder wenn Materie Energie ausstrahlt. Die schwache Kernkraft wirkt auf Teilchen mit einem Spin von 1/2. Starke Kernkräfte sind die Kräfte, die die Quarks in einem Neutron und einem Proton zusammenhalten und die Protonen und Neutronen in einem Atom zusammenhalten. Man nimmt an, dass das Teilchen, das die starke Kernkraft trägt, ein Gluon ist. Das Gluon ist ein Teilchen mit einem Spin von 1. Das Gluon hält die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammen. Das Gluon hält jedoch nur Quarks zusammen, die drei verschiedene Farben haben. Dadurch hat das Endprodukt keine Farbe. Dies wird als Confinement bezeichnet.
Einige Wissenschaftler haben versucht, eine Theorie aufzustellen, die die elektromagnetische Kraft, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft kombiniert. Diese Theorie wird als große einheitliche Theorie (oder GUT) bezeichnet. Diese Theorie versucht, diese Kräfte auf eine einzige große einheitliche Weise oder Theorie zu erklären.
Schwarze Löcher
Schwarze Löcher sind Sterne, die zu einem sehr kleinen Punkt kollabiert sind. Dieser kleine Punkt wird Singularität genannt. Diese Singularität ist ein Punkt der Raumzeit, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, weshalb Schwarze Löcher keine Zeit haben. Schwarze Löcher saugen Dinge in ihr Zentrum, weil ihre Gravitation sehr stark ist. Einige der Dinge, die sie einsaugen können, sind Licht und Sterne. Nur sehr große Sterne, so genannte Superriesen, sind groß genug, um zu einem Schwarzen Loch zu werden. Der Stern muss mindestens die anderthalbfache Masse der Sonne oder größer sein, um sich in ein Schwarzes Loch zu verwandeln. Diese Zahl wird als Chandrasekhar-Grenze bezeichnet. Wenn die Masse eines Sterns kleiner als die Chandrasekhar-Grenze ist, wird er sich nicht in ein Schwarzes Loch verwandeln, sondern in eine andere, kleinere Art von Stern. Die Grenze des Schwarzen Lochs wird als Ereignishorizont bezeichnet. Wenn sich etwas im Ereignishorizont befindet, wird es nie aus dem Schwarzen Loch herauskommen.
Schwarze Löcher können unterschiedlich geformt sein. Einige Schwarze Löcher sind perfekt kugelförmig - wie eine Kugel. Andere Schwarze Löcher wölben sich in der Mitte. Schwarze Löcher sind kugelförmig, wenn sie sich nicht drehen. Schwarze Löcher wölben sich in der Mitte, wenn sie sich drehen.
Schwarze Löcher sind schwer zu finden, weil sie kein Licht aussenden. Sie können gefunden werden, wenn Schwarze Löcher andere Sterne einsaugen. Wenn Schwarze Löcher andere Sterne einsaugen, gibt das Schwarze Loch Röntgenstrahlung ab, die mit Teleskopen gesehen werden kann. Hawking spricht über seine Wette mit einem anderen Wissenschaftler, Kip Thorne. Hawking wettete, dass Schwarze Löcher nicht existieren, weil er nicht wollte, dass seine Arbeit an Schwarzen Löchern umsonst war. Er verlor die Wette.
Hawking erkannte, dass der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs nur größer, nicht kleiner werden konnte. Die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs wird immer dann größer, wenn etwas in das Schwarze Loch fällt. Er erkannte auch, dass, wenn sich zwei Schwarze Löcher vereinigen, die Größe des neuen Ereignishorizonts größer oder gleich der Summe der Ereignishorizonte der beiden anderen Schwarzen Löcher ist. Das bedeutet, dass der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs niemals kleiner werden kann.
Unordnung, auch als Entropie bekannt, hängt mit Schwarzen Löchern zusammen. Es gibt ein wissenschaftliches Gesetz, das mit Entropie zu tun hat. Dieses Gesetz wird als zweiter Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet und besagt, dass die Entropie (oder Unordnung) in einem isolierten System (zum Beispiel im Universum) immer zunehmen wird. Die Beziehung zwischen der Menge der Entropie in einem Schwarzen Loch und der Größe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs wurde zuerst von einem Forschungsstudenten (Jacob Bekenstein) erdacht und von Hawking bewiesen, dessen Berechnungen besagen, dass Schwarze Löcher Strahlung aussenden. Das war merkwürdig, denn es wurde bereits gesagt, dass aus dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs nichts entweichen kann.
Dieses Problem wurde gelöst, als man an die Idee von Paaren "virtueller Teilchen" dachte. Eines der Teilchenpaare würde in das Schwarze Loch fallen und das andere würde entkommen. Dies würde so aussehen, als würde das Schwarze Loch Teilchen aussenden. Diese Idee erschien anfangs seltsam, aber nach einer Weile akzeptierten sie viele Leute.
Ursprung und Schicksal des Universums
Die meisten Wissenschaftler glauben, dass das Universum durch eine Explosion namens Urknall entstanden ist. Das Modell dafür wird als "heisses Urknallmodell" bezeichnet. Wenn das Universum anfängt, größer zu werden, beginnen auch die Dinge in seinem Inneren kühler zu werden. Als das Universum seinen Anfang nahm, war es unendlich heiß. Die Temperatur des Universums kühlte ab, und die Dinge im Inneren des Universums begannen zu verklumpen.
Hawking spricht auch darüber, wie das Universum hätte sein können. Wenn sich das Universum zum Beispiel schnell gebildet hätte und dann kollabiert wäre, gäbe es nicht genug Zeit für die Entstehung von Leben. Ein anderes Beispiel wäre ein Universum, das sich zu schnell ausdehnt. Wenn sich ein Universum zu schnell ausdehnen würde, würde es fast leer werden. Die Idee der vielen Universen wird als Vielwelten-Interpretation bezeichnet.
Inflationsmodelle werden in diesem Kapitel ebenso diskutiert wie die Idee einer Theorie, die Quantenmechanik und Gravitation vereinigt.
Jedes Partikel hat viele Geschichten. Diese Idee ist als Feynmans Theorie der Summe über Geschichten bekannt. Eine Theorie, die Quantenmechanik und Gravitation vereint, sollte die Feynman'sche Theorie enthalten. Um die Chance zu finden, dass ein Teilchen einen Punkt durchläuft, müssen die Wellen jedes Teilchens addiert werden. Diese Wellen geschehen in einer imaginären Zeit. Imaginäre Zahlen ergeben, wenn sie mit sich selbst multipliziert werden, eine negative Zahl. Zum Beispiel: 2i X 2i = -4.
