Šioje knygoje Hawkingas kalba apie daugybę fizikos teorijų. Jis kalba apie fizikos istoriją, gravitaciją, šviesos judėjimą visatoje, erdvėlaikį, elementariąsias daleles (labai maži objektai, iš kurių sudarytos visatos dalys), juodąsias skyles, Didįjį sprogimą (teorija, kad visata prasidėjo iš vieno taško) ir keliones laiku (idėja, kad galima keliauti į praeitį ir ateitį).
Pirmoje knygos dalyje Hawkingas pasakoja apie fizikos istoriją. Jis kalba apie tokių filosofų kaip Aristotelis ir Ptolemėjas idėjas. Aristotelis, kitaip nei daugelis kitų to meto žmonių, manė, kad Žemė yra apvali. Jis taip pat manė, kad Saulė ir žvaigždės skrieja aplink Žemę. Ptolemėjas taip pat galvojo, kaip Saulė ir žvaigždės išsidėsčiusios visatoje. Jis sudarė planetų modelį, kuris apibūdino Aristotelio mąstymą. Šiandien žinoma, kad yra priešingai - Žemė skrieja aplink Saulę. Aristotelio ir Ptolemėjaus idėjos apie žvaigždžių ir saulės padėtį buvo paneigtos 1609 metais. Asmuo, kuris pirmasis sugalvojo idėją, kad Žemė skrieja aplink Saulę, buvo Mikalojus Kopernikas. Kiti du mokslininkai - Galileo Galilėjus ir Johanesas Kepleris - padėjo įrodyti, kad Koperniko idėja buvo teisinga. Jie stebėjo, kaip danguje juda kai kurių planetų mėnuliukai, ir tuo pasinaudodami įrodė, kad Kopernikas buvo teisus. Izaokas Niutonas taip pat parašė knygą apie gravitaciją, kuri padėjo įrodyti, kad Koperniko idėja teisinga.
Erdvė ir laikas
Hawkingas aprašo aplink Saulę skriejančių planetų judėjimą ir tai, kaip veikia gravitacija tarp planetų ir Saulės. Jis taip pat kalba apie absoliučios ramybės ir absoliučios padėties idėjas. Šios idėjos susijusios su mintimi, kad įvykiai tam tikrą laiką išlieka savo vietoje. Niutono gravitacijos dėsniai nustatė, kad tai netiesa. Absoliučios ramybės idėja nepasiteisino, kai objektai juda labai greitai (šviesos greičiu, arba šviesos greičiu).
Pirmą kartą šviesos greitį 1676 m. išmatavo danų astronomas Ole Christensenas Römeris. Buvo nustatyta, kad šviesos greitis yra labai didelis, tačiau baigtinis. Tačiau mokslininkai susidūrė su problema, kai bandė teigti, kad šviesa visada sklinda tuo pačiu greičiu. Mokslininkai sukūrė naują idėją, pavadintą eteriu, kuria bandė paaiškinti šviesos greitį.
Albertas Einšteinas teigė, kad eterio idėjos nereikėjo, jei būtų atsisakyta kitos idėjos - absoliutaus laiko (arba laiko, kuris visada toks pat) idėjos. Einšteino idėja taip pat sutapo su Henrio Poincare'o idėja. Einšteino idėja vadinama reliatyvumo teorija.
Hawkingas taip pat kalba apie šviesą. Jis sako, kad įvykius galima apibūdinti šviesos kūgiais. Šviesos kūgio viršūnė nurodo, kur keliaus įvykio šviesa. Apatinė dalis nurodo, kur šviesa buvo praeityje. Šviesos kūgio centras yra įvykis. Be šviesos kūgių, Hawkingas taip pat kalba apie tai, kaip šviesa gali lenktis. Kai šviesa praeina pro didelę masę, pavyzdžiui, žvaigždę, ji šiek tiek pakeičia kryptį masės link.
Pakalbėjęs apie šviesą, Hawkingas pasakoja apie laiką Einšteino reliatyvumo teorijoje. Viena iš Einšteino teorijos prognozių yra ta, kad laikas eina lėčiau, kai kažkas yra šalia didžiulių masių. Tačiau kai daiktas yra toliau nuo masės, laikas bėga greičiau. Savo minčiai apibūdinti Hawkingas pasitelkė dviejų dvynių, gyvenančių skirtingose vietose, idėją. Jei vienas iš dvynių gyventų ant kalno, o kitas - prie jūros, tai dvynys, gyvenantis ant kalno, būtų šiek tiek vyresnis už dvynį, gyvenantį prie jūros.
Besiplečianti visata
Hawkingas kalba apie besiplečiančią visatą. Visata laikui bėgant didėja. Vienas iš dalykų, kuriais jis aiškina savo idėją, yra Doplerio poslinkis. Doplerio poslinkis atsiranda, kai koks nors objektas juda link kito objekto arba tolyn nuo jo. Doplerio poslinkio metu vyksta dviejų tipų reiškiniai - raudonasis ir mėlynasis poslinkis. Raudonasis poslinkis vyksta, kai kažkas nuo mūsų tolsta. Taip atsitinka dėl to, kad mus pasiekiančios matomos šviesos bangos ilgis didėja, o dažnis mažėja, todėl matoma šviesa pasislenka į raudonąją / infraraudonąją elektromagnetinio spektro dalį. Raudonasis poslinkis susijęs su įsitikinimu, kad visata plečiasi, nes šviesos bangos ilgis didėja, ji tarsi išsitempia, planetoms ir galaktikoms tolstant nuo mūsų, o tai panašu į Doplerio efektą, susijusį su garso bangomis. Mėlynasis poslinkis įvyksta, kai kažkas juda link mūsų - tai priešingas procesas raudonajam poslinkiui, kai bangos ilgis mažėja, o dažnis didėja, todėl šviesa pasislenka į mėlynąją spektro dalį. Mokslininkas Edvinas Hubble'as nustatė, kad daugelis žvaigždžių yra raudonai pasislinkusios ir tolsta nuo mūsų. Hawkingas naudoja Doplerio poslinkį, norėdamas paaiškinti, kad visata didėja. Manoma, kad visatos pradžia įvyko per vadinamąjį Didįjį sprogimą. Didysis sprogimas buvo labai didelis sprogimas, sukūręs visatą.
Neapibrėžtumo principas
Neapibrėžtumo principas teigia, kad dalelės greičio ir padėties negalima nustatyti vienu metu. Norėdami nustatyti dalelės buvimo vietą, mokslininkai šviečia į ją šviesa. Jei naudojama didelio dažnio šviesa, šviesa gali tiksliau nustatyti padėtį, tačiau dalelės greitis bus nežinomas (nes šviesa pakeis dalelės greitį). Jei naudojama žemesnio dažnio šviesa, šviesa gali tiksliau nustatyti greitį, tačiau dalelės padėtis bus nežinoma. Neapibrėžtumo principas paneigė idėją, kad teorija yra deterministinė arba tokia, kuri viską numatytų ateityje.
Šiame skyriuje taip pat plačiau aptariama, kaip elgiasi šviesa. Kai kuriose teorijose teigiama, kad šviesa elgiasi kaip dalelės, nors iš tikrųjų yra sudaryta iš bangų; viena iš tai teigiančių teorijų yra Planko kvantinė hipotezė. Kita teorija taip pat teigia, kad šviesos bangos taip pat elgiasi kaip dalelės; tai teigianti teorija yra Heizenbergo neapibrėžtumo principas.
Šviesos bangoms būdingi keteros ir apačios. Aukščiausias bangos taškas yra keteros, o žemiausia bangos dalis - įduba. Kartais kelios tokios bangos gali interferuoti tarpusavyje - keteros ir įdubos išsidėsto vienoje linijoje. Tai vadinama šviesos interferencija. Kai šviesos bangos interferuoja viena su kita, tai gali sudaryti daugybę spalvų. To pavyzdys - muilo burbulų spalvos.
Elementariosios dalelės ir gamtos jėgos
Kvarkai yra labai maži dalykai, iš kurių sudaryta viskas, ką matome (materija). Yra šeši skirtingi kvarkų "skoniai": aukštesnysis kvarkas, žemesnysis kvarkas, keistasis kvarkas, užburtasis kvarkas, apatinis kvarkas ir viršutinis kvarkas. Kvarkai taip pat turi tris "spalvas": raudoną, žalią ir mėlyną. Taip pat yra antikvarkai, kurie yra įprastinių kvarkų priešingybė. Iš viso yra 18 skirtingų įprastinių kvarkų tipų ir 18 skirtingų antikvarkų tipų. Kvarkai vadinami "materijos sudedamosiomis dalimis", nes jie yra mažiausias dalykas, iš kurio sudaryta visa visatoje esanti materija.
Visos elementariosios dalelės (pvz., kvarkai) turi vadinamąjį sukinį. Dalelės sukinys parodo, kaip dalelė atrodo žiūrint skirtingomis kryptimis. Pavyzdžiui, 0 sukinio dalelė iš visų pusių atrodo vienodai. 1 sukinio dalelė iš visų pusių atrodo skirtingai, nebent dalelė būtų visiškai apsukta (360 laipsnių kampu). Hawkingo pateiktas 1 sukinio dalelės pavyzdys yra rodyklė. Kad dviejų sukinių dalelė atrodytų vienodai, ją reikia apsukti iki pusės (arba 180 laipsnių). Knygoje pateikiamas pavyzdys yra dvigalvė rodyklė. Visatoje yra dvi dalelių grupės: dalelės, kurių sukinys lygus 1/2, ir dalelės, kurių sukinys lygus 0, 1 arba 2. Visos šios dalelės vadovaujasi Pauli'o atskirties principu. Paulio atskirties principas sako, kad dalelės negali būti toje pačioje vietoje ir turėti to paties greičio. Jei Pauli'o atskirties principo nebūtų, tuomet viskas visatoje atrodytų vienodai, kaip maždaug vienalytė ir tiršta "sriuba".
Dalelės, kurių sukinys lygus 0, 1 arba 2, juda jėga nuo vienos dalelės prie kitos. Tokių dalelių pavyzdžiai yra virtualieji gravitonai ir virtualieji fotonai. Virtualiųjų gravitonų sukinys lygus 2 ir jie reiškia gravitacijos jėgą. Tai reiškia, kad kai gravitacija veikia du daiktus, gravitonai juda į tuos du daiktus ir iš jų. Virtualių fotonų sukinys lygus 1 ir jie atspindi elektromagnetines jėgas (arba jėgą, kuri sulaiko atomus).
Be gravitacijos jėgos ir elektromagnetinių jėgų, egzistuoja silpnosios ir stipriosios branduolinės jėgos. Silpnosios branduolinės jėgos - tai jėgos, sukeliančios radioaktyvumą, arba kai materija išspinduliuoja energiją. Silpnoji branduolinė jėga veikia daleles, kurių sukinys lygus 1/2. Stipriosios branduolinės jėgos - tai jėgos, kurios išlaiko neutrono ir protono kvarkus kartu, o atome - protonus ir neutronus. Manoma, kad stipriąją branduolinę jėgą perteikianti dalelė yra gluonas. Gliuonas yra dalelė, kurios sukinys lygus 1. Gliuonas sulaiko kvarkus, iš kurių susidaro protonai ir neutronai. Tačiau gliuonas sujungia tik trijų skirtingų spalvų kvarkus. Dėl to galutinis produktas neturi spalvos. Tai vadinama apribojimu.
Kai kurie mokslininkai bandė sukurti teoriją, kuri sujungtų elektromagnetinę jėgą, silpnąją branduolinę jėgą ir stipriąją branduolinę jėgą. Ši teorija vadinama didžiąja vieninga teorija (arba GUT). Ši teorija bando paaiškinti šias jėgas vienu dideliu vieningu būdu arba teorija.
Juodosios skylės
Juodosios skylės - tai žvaigždės, kurios suiro į vieną labai mažą tašką. Šis mažas taškas vadinamas singuliarumu.Šis singuliarumas yra erdvėlaikio taškas, kuris sukasi dideliu greičiu.Dėl šios priežasties juodosios skylės neturi laiko. Juodosios skylės įsiurbia daiktus į savo centrą, nes jų gravitacija yra labai stipri. Kai kurie iš dalykų, kuriuos ji gali įsiurbti, yra šviesa ir žvaigždės. Tik labai didelės žvaigždės, vadinamos superžvaigždėmis, yra pakankamai didelės, kad taptų juodąja skyle. Kad žvaigždė virstų juodąja skyle, jos masė turi būti pusantro karto didesnė už Saulės masę arba didesnė. Šis skaičius vadinamas Čandrašekharo riba. Jei žvaigždės masė mažesnė už Čandrašekharo ribą, ji nevirs juodąja skyle, o taps kito, mažesnio tipo žvaigžde. Juodosios skylės riba vadinama įvykių horizontu. Jei kažkas yra įvykių horizonte, jis niekada neišeis iš juodosios skylės.
Juodosios skylės gali būti įvairių formų. Kai kurios juodosios skylės yra idealiai sferinės - tarsi kamuolys. Kitos juodosios skylės viduryje išsipučia. Juodosios skylės bus sferinės, jei jos nesisuka. Jei juodosios skylės sukasi, jos viduryje bus išsipūtusios.
Juodąsias skyles sunku surasti, nes jos neskleidžia šviesos. Jas galima rasti, kai juodosios skylės įsiurbia kitas žvaigždes. Kai juodosios skylės įsiurbia kitas žvaigždes, jos skleidžia rentgeno spindulius, kuriuos galima pamatyti teleskopais. Hawkingas pasakoja apie savo lažybas su kitu mokslininku Kipu Thorne'u. Hawkingas lažinosi, kad juodosios skylės neegzistuoja, nes nenorėjo, kad jo darbas, susijęs su juodosiomis skylėmis, nueitų perniek. Jis pralaimėjo lažybas.
Hawkingas suprato, kad juodosios skylės įvykių horizontas gali tik didėti, o ne mažėti. Juodosios skylės įvykių horizonto plotas didėja, kai kas nors į juodąją skylę patenka. Jis taip pat suprato, kad, susijungus dviem juodosioms skylėms, naujojo įvykių horizonto dydis yra didesnis arba lygus kitų dviejų juodųjų skylių įvykių horizontų sumai. Tai reiškia, kad juodosios skylės įvykių horizontas niekada negali tapti mažesnis.
Netvarka, dar vadinama entropija, yra susijusi su juodosiomis skylėmis. Yra mokslinis dėsnis, susijęs su entropija. Šis dėsnis vadinamas antruoju termodinamikos dėsniu ir teigia, kad entropija (arba netvarka) izoliuotoje sistemoje (pvz., visatoje) visada didės. Apie ryšį tarp entropijos kiekio juodojoje skylėje ir juodosios skylės įvykių horizonto dydžio pirmą kartą pagalvojo vienas mokslininkas (Džeikobas Bekenšteinas (Jacob Bekenstein), o įrodė Hokingas, kurio skaičiavimai teigė, kad juodosios skylės skleidžia spinduliuotę. Tai buvo keista, nes jau buvo pasakyta, kad niekas negali ištrūkti iš juodosios skylės įvykių horizonto.
Ši problema buvo išspręsta, kai buvo sugalvota "virtualių dalelių" porų idėja. Viena iš poros dalelių patektų į juodąją skylę, o kita iš jos ištrūktų. Taip atrodytų, kad juodoji skylė skleidžia daleles. Iš pradžių ši idėja atrodė keista, tačiau po kurio laiko daugelis žmonių ją priėmė.
Visatos kilmė ir likimas
Dauguma mokslininkų mano, kad visata prasidėjo per sprogimą, vadinamą Didžiuoju sprogimu. Šis modelis vadinamas "karštojo didžiojo sprogimo modeliu". Kai visata pradeda didėti, jos viduje esantys daiktai taip pat pradeda atvėsti. Kai visata prasidėjo, ji buvo be galo karšta. Visatos temperatūra atvėso, ir visatos viduje esantys daiktai ėmė telktis.
Hawkingas taip pat kalba apie tai, kaip galėjo atsirasti visata. Pavyzdžiui, jei visata susiformavo, o paskui greitai sugriuvo, gyvybės formavimuisi nebūtų užtekę laiko. Kitas pavyzdys būtų per greitai besiplečianti visata. Jei visata plėstųsi per greitai, ji taptų beveik tuščia. Daugelio visatų idėja vadinama daugelio pasaulių aiškinimu.
Šiame skyriuje taip pat aptariami infliaciniai modeliai ir kvantinę mechaniką bei gravitaciją vienijančios teorijos idėja.
Kiekviena dalelė turi daug istorijų. Ši idėja žinoma kaip Feynmano istorijų sumos teorija. Teorijoje, kuri vienija kvantinę mechaniką ir gravitaciją, turėtų būti Feynmano teorija. Norint nustatyti tikimybę, kad dalelė praeis pro tašką, reikia sudėti kiekvienos dalelės bangas. Šios bangos vyksta įsivaizduojamame laike. Įsivaizduojami skaičiai, padauginti iš savęs, sudaro neigiamą skaičių. Pavyzdžiui, 2i X 2i = -4.
