В этой книге Хокинг рассказывает о многих теориях в физике. Среди них - история физики, гравитация, движение света во Вселенной, пространство-время, элементарные частицы (очень маленькие объекты, из которых состоит Вселенная), черные дыры, Большой взрыв (теория о том, что Вселенная началась из одной точки) и путешествия во времени (идея о том, что можно путешествовать в прошлое и будущее).
В первой части книги Хокинг рассказывает об истории физики. Он рассказывает об идеях таких философов, как Аристотель и Птолемей. Аристотель, в отличие от многих других людей своего времени, считал, что Земля круглая. Он также считал, что Солнце и звезды обращаются вокруг Земли. Птолемей также думал о том, как солнце и звезды расположены во Вселенной. Он создал планетарную модель, которая описывала мышление Аристотеля. Сегодня известно, что верно обратное: Земля обращается вокруг Солнца. Идеи Аристотеля/Птолемея о расположении звезд и солнца были опровергнуты в 1609 году. Человеком, которому впервые пришла в голову идея о том, что Земля движется вокруг Солнца, был Николай Коперник. Галилео Галилей и Иоганн Кеплер, два других ученых, помогли доказать, что идея Коперника была правильной. Они посмотрели, как луны некоторых планет движутся в небе, и использовали это, чтобы доказать правоту Коперника. Исаак Ньютон также написал книгу о гравитации, которая помогла доказать правоту идеи Коперника.
Пространство и время
Хокинг описывает движение планет вокруг Солнца и то, как действует гравитация между планетами и Солнцем. Он также рассказывает об идеях абсолютного покоя и абсолютного положения. Эти идеи связаны с мыслью о том, что события остаются на месте в течение определенного периода времени. Законы гравитации Ньютона показали, что это не так. Идея абсолютного покоя не работает, когда объекты движутся очень быстро (со скоростью света, или скоростью света).
Скорость света была впервые измерена в 1676 году датским астрономом Оле Кристенсеном Рёмером. Было установлено, что скорость света очень быстрая, но конечная. Однако ученые столкнулись с проблемой, когда попытались утверждать, что свет всегда движется с одной и той же скоростью. Ученые создали новую идею, названную эфиром, которая пыталась объяснить скорость света.
Альберт Эйнштейн сказал, что идея эфира не нужна, если отказаться от другой идеи - идеи абсолютного времени (или времени, которое всегда одно и то же). Идея Эйнштейна также совпадала с идеей Генри Пуанкаре. Идея Эйнштейна называется теорией относительности.
Хокинг также говорит о свете. Он говорит, что события могут быть описаны световыми конусами. Верхняя часть светового конуса говорит о том, куда направится свет от события. Нижняя часть говорит о том, где свет был в прошлом. Центр светового конуса - это событие. Помимо световых конусов, Хокинг также рассказывает о том, как свет может изгибаться. Когда свет проходит мимо большой массы, например, звезды, свет немного меняет направление в сторону массы.
После разговора о свете Хокинг рассказывает о времени в теории относительности Эйнштейна. Одно из предсказаний теории Эйнштейна заключается в том, что время будет идти медленнее, когда что-то находится вблизи огромных масс. Однако, когда что-то находится дальше от массы, время идет быстрее. Хокинг использовал идею двух близнецов, живущих в разных местах, чтобы описать свою идею. Если один из близнецов будет жить на горе, а другой - у моря, то близнец, живущий на горе, будет немного старше, чем близнец, живущий у моря.
Расширяющаяся Вселенная
Хокинг говорит о расширяющейся Вселенной. Вселенная становится больше с течением времени. Одна из вещей, которую он использует для объяснения своей идеи, - это доплеровский сдвиг. Доплеровский сдвиг происходит, когда что-то движется к другому объекту или от него. Доплеровский сдвиг бывает двух типов - красный сдвиг и синий сдвиг. Красное смещение происходит, когда что-то движется от нас. Это вызвано тем, что длина волны видимого света, достигающего нас, увеличивается, а частота уменьшается, что смещает видимый свет в сторону красного/инфракрасного конца электромагнитного спектра. Красное смещение связано с верой в то, что Вселенная расширяется, поскольку длина волны света увеличивается, почти как бы растягиваясь по мере удаления от нас планет и галактик, что имеет сходство с эффектом Доплера, связанным со звуковыми волнами. Синее смещение происходит, когда что-то движется к нам, что является противоположным процессом красному смещению, при котором длина волны уменьшается, а частота увеличивается, смещая свет в синюю часть спектра. Ученый по имени Эдвин Хаббл обнаружил, что многие звезды имеют красное смещение и удаляются от нас. Хокинг использует доплеровский сдвиг, чтобы объяснить, что Вселенная становится больше. Считается, что начало Вселенной было положено в результате так называемого Большого взрыва. Большой взрыв был очень большим взрывом, в результате которого возникла Вселенная.
Принцип неопределенности
Принцип неопределенности гласит, что скорость и положение частицы не могут быть определены одновременно. Чтобы определить, где находится частица, ученые светят на нее светом. Если используется высокочастотный свет, он может определить положение более точно, но скорость частицы будет неизвестна (потому что свет изменит скорость частицы). Если используется свет более низкой частоты, свет может определить скорость более точно, но положение частицы будет неизвестно. Принцип неопределенности опроверг идею детерминистской теории, которая могла бы предсказать все в будущем.
О том, как ведет себя свет, мы также поговорим в этой главе. Некоторые теории утверждают, что свет ведет себя как частицы, хотя на самом деле он состоит из волн; одна из теорий, утверждающих это, - квантовая гипотеза Планка. Другая теория также утверждает, что световые волны также ведут себя как частицы; теория, утверждающая это, - принцип неопределенности Гейзенберга.
Световые волны имеют гребни и впадины. Самая высокая точка волны - это гребень, а самая низкая часть волны - впадина. Иногда несколько таких волн могут интерферировать друг с другом - гребни и впадины выстраиваются в одну линию. Это называется интерференцией света. Когда световые волны интерферируют друг с другом, это может привести к появлению множества цветов. Примером этого могут служить цвета мыльных пузырей.
Элементарные частицы и силы природы
Кварки - это очень маленькие частицы, из которых состоит все, что мы видим (материя). Существует шесть различных "ароматов" кварков: восходящий кварк, нисходящий кварк, странный кварк, очарованный кварк, нижний кварк и верхний кварк. Кварки также имеют три "цвета": красный, зеленый и синий. Существуют также антикварки, которые являются противоположностью обычных кварков. Всего существует 18 различных типов обычных кварков и 18 различных типов антикварков. Кварки известны как "строительные блоки материи", потому что они - самое маленькое, из чего состоит вся материя во Вселенной.
Все элементарные частицы (например, кварки) обладают тем, что называется спином. Спин частицы показывает нам, как частица выглядит с разных сторон. Например, частица со спином 0 выглядит одинаково с любого направления. Частица со спином 1 выглядит по-разному в каждом направлении, если только частица не вращается полностью вокруг себя (на 360 градусов). Пример Хокинга для частицы со спином 1 - это стрелка. Частица со спином 2 должна быть повернута наполовину (или на 180 градусов), чтобы выглядеть одинаково. Пример, приведенный в книге, - это стрела с двойным наконечником. Во Вселенной существуют две группы частиц: частицы со спином 1/2 и частицы со спином 0, 1 или 2. Все эти частицы подчиняются принципу исключения Паули. Принцип исключения Паули гласит, что частицы не могут находиться в одном и том же месте или иметь одинаковую скорость. Если бы принцип исключения Паули не существовал, то все во Вселенной выглядело бы одинаково, как примерно однородный и плотный "суп".
Частицы со спином 0, 1 или 2 переносят силу от одной частицы к другой. Примерами таких частиц являются виртуальные гравитоны и виртуальные фотоны. Виртуальные гравитоны имеют спин 2 и представляют собой силу гравитации. Это означает, что когда гравитация воздействует на два объекта, гравитоны перемещаются к ним и от них. Виртуальные фотоны имеют спин 1 и представляют электромагнитные силы (или силы, удерживающие атомы вместе).
Помимо силы тяжести и электромагнитных сил, существуют слабые и сильные ядерные силы. Слабые ядерные силы - это силы, которые вызывают радиоактивность, или когда материя излучает энергию. Слабые ядерные силы действуют на частицы со спином 1/2. Сильные ядерные силы - это силы, которые удерживают кварки в нейтроне и протоне вместе, а также удерживают протоны и нейтроны вместе в атоме. Частица, которая переносит сильные ядерные силы, считается глюоном. Глюон - это частица со спином 1. Глюон удерживает вместе кварки, образуя протоны и нейтроны. Однако глюон объединяет только кварки трех разных цветов. В результате конечный продукт не имеет цвета. Это называется ограничением.
Некоторые ученые пытались создать теорию, объединяющую электромагнитные силы, слабые ядерные силы и сильные ядерные силы. Эта теория называется большой единой теорией (или GUT). Эта теория пытается объяснить эти силы одним большим единым способом или теорией.
Черные дыры
Черные дыры - это звезды, которые сколлапсировали в одну очень маленькую точку. Эта маленькая точка называется сингулярностью. Эта сингулярность - точка пространства-времени, которая вращается с большой скоростью. Именно поэтому у черных дыр нет времени. Черные дыры всасывают все в свой центр, потому что их гравитация очень сильна. Некоторые из вещей, которые они могут всасывать, - это свет и звезды. Только очень крупные звезды, называемые сверхгигантами, достаточно велики, чтобы стать черной дырой. Чтобы превратиться в черную дыру, масса звезды должна быть в полтора раза больше массы Солнца или больше. Это число называется пределом Чандрасекхара. Если масса звезды меньше, чем предел Чандрасекхара, она не превратится в черную дыру; вместо этого она превратится в звезду другого, меньшего типа. Граница черной дыры называется горизонтом событий. Если что-то находится в горизонте событий, оно никогда не сможет выбраться из черной дыры.
Черные дыры могут иметь разную форму. Некоторые черные дыры идеально сферические - как шар. Другие черные дыры выпуклые в центре. Черные дыры будут сферическими, если они не вращаются. Черные дыры будут выпуклыми посередине, если они вращаются.
Черные дыры трудно обнаружить, поскольку они не испускают свет. Их можно обнаружить, когда черные дыры всасывают другие звезды. Когда черные дыры засасывают другие звезды, черная дыра испускает рентгеновские лучи, которые можно увидеть в телескопы. Хокинг рассказывает о своем пари с другим ученым, Кипом Торном. Хокинг поспорил, что черных дыр не существует, потому что не хотел, чтобы его работа над черными дырами пропала даром. Он проиграл пари.
Хокинг понял, что горизонт событий черной дыры может становиться только больше, а не меньше. Площадь горизонта событий черной дыры увеличивается всякий раз, когда что-то падает в черную дыру. Он также понял, что когда две черные дыры объединяются, размер нового горизонта событий больше или равен сумме горизонтов событий двух других черных дыр. Это означает, что горизонт событий черной дыры никогда не может стать меньше.
Беспорядок, также известный как энтропия, связан с черными дырами. Существует научный закон, связанный с энтропией. Этот закон называется вторым законом термодинамики, и он гласит, что энтропия (или беспорядок) всегда будет возрастать в изолированной системе (например, во Вселенной). Связь между количеством энтропии в черной дыре и размером горизонта событий черной дыры впервые была обнаружена студентом-исследователем (Якобом Бекенштейном) и доказана Хокингом, чьи расчеты показали, что черные дыры испускают излучение. Это было странно, поскольку уже было сказано, что ничто не может покинуть горизонт событий черной дыры.
Эта проблема была решена, когда возникла идея о парах "виртуальных частиц". Одна из пары частиц падает в черную дыру, а другая вылетает. Это будет выглядеть так, как будто черная дыра испускает частицы. Сначала эта идея казалась странной, но через некоторое время многие люди приняли ее.
Происхождение и судьба Вселенной
Большинство ученых считают, что Вселенная возникла в результате взрыва, называемого Большим взрывом. Эта модель называется "моделью горячего большого взрыва". Когда Вселенная начинает становиться больше, вещи внутри нее также начинают становиться холоднее. Когда Вселенная только зарождалась, она была бесконечно горячей. Температура Вселенной охладилась, и вещи внутри Вселенной начали слипаться друг с другом.
Хокинг также рассказывает о том, какой могла бы быть Вселенная. Например, если бы Вселенная сформировалась, а затем быстро разрушилась, то для формирования жизни не хватило бы времени. Другим примером может быть Вселенная, которая расширяется слишком быстро. Если бы Вселенная расширялась слишком быстро, она стала бы почти пустой. Идея о множестве вселенных называется интерпретацией множества миров.
Инфляционные модели также обсуждаются в этой главе, как и идея теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию.
Каждая частица имеет множество историй. Эта идея известна как теория Фейнмана о сумме над историями. Теория, объединяющая квантовую механику и гравитацию, должна содержать теорию Фейнмана. Чтобы найти вероятность того, что частица пройдет через точку, необходимо сложить волны каждой частицы. Эти волны происходят в мнимом времени. Мнимые числа, при умножении на себя, дают отрицательное число. Например, 2i X 2i = -4.
