Neste livro, Hawking fala de muitas teorias em física. Algumas das coisas de que ele fala são a história da física, gravidade, como a luz se move no universo, espaço-tempo, partículas elementares (objetos muito pequenos que compõem coisas no universo), buracos negros, o Big Bang (a teoria de que o universo começou de um ponto), e viagens no tempo (a idéia de que as viagens podem ser feitas para o passado e para o futuro).
Na primeira parte do livro, Hawking fala sobre a história da Física. Ele fala sobre as idéias de filósofos como Aristóteles e Ptolomeu. Aristóteles, ao contrário de muitas outras pessoas de seu tempo, pensava que a Terra era redonda. Ele também pensava que o sol e as estrelas giravam ao redor da Terra. Ptolomeu também pensou sobre como o sol e as estrelas estavam localizados no universo. Ele fez um modelo planetário que descrevia o pensamento de Aristóteles. Hoje, sabe-se que o contrário é verdade; a Terra gira em torno do Sol. As idéias de Aristóteles/Ptolomeu sobre a posição das estrelas e do sol foram desmentidas em 1609. A pessoa que primeiro pensou na idéia sobre a Terra girando ao redor do sol foi Nicholas Copérnico. Galileu Galilei e Johannes Kepler, dois outros cientistas, ajudaram a provar que a idéia de Copérnico estava certa. Eles observaram como as luas de alguns planetas se moviam no céu, e usaram isso para provar que Copérnico estava certo. Isaac Newton também escreveu um livro sobre a gravidade, que ajudou a provar que a idéia de Copérnico estava certa.
Espaço e tempo
Hawking descreve o movimento dos planetas que se movem ao redor do sol e como a gravidade funciona entre os planetas e o sol. Ele também fala sobre as idéias de repouso absoluto e posição absoluta. Estas idéias são sobre o pensamento de que os eventos se mantêm no lugar durante um período de tempo. As leis da gravidade de Newton não confirmam isso. A idéia de repouso absoluto não funcionava quando os objetos se moviam muito rápido (à velocidade da luz, ou velocidade da luz).
A velocidade da luz foi medida pela primeira vez em 1676 pelo astrônomo dinamarquês Ole Christensen Roemer. A velocidade da luz foi considerada muito rápida, mas a uma velocidade finita. Entretanto, os cientistas encontraram um problema quando tentaram dizer que a luz sempre viajava na mesma velocidade. Os cientistas criaram uma nova idéia, chamada de éter, que tentava explicar a velocidade da luz.
Albert Einstein disse que a idéia do éter não era necessária se outra idéia, a idéia de tempo absoluto (ou tempo que é sempre o mesmo) fosse abandonada. A idéia de Einstein também era a mesma que a de Henry Poincare. A idéia de Einstein é chamada de teoria da relatividade.
Hawking também fala de luz. Ele diz que os eventos podem ser descritos por cones de luz. A parte superior do cone de luz diz para onde a luz do evento irá viajar. A parte inferior diz onde a luz estava no passado. O centro do cone de luz é o evento. Além dos cones de luz, Hawking também fala sobre como a luz pode se curvar. Quando a luz passa por uma grande massa, como uma estrela, a luz muda ligeiramente de direção em direção à massa.
Depois de falar sobre a luz, Hawking fala sobre o tempo na teoria da relatividade de Einstein. Uma previsão que a teoria de Einstein faz é que o tempo passará mais devagar quando algo estiver próximo a grandes massas. Entretanto, quando algo está mais distante da massa, o tempo passará mais rápido. Hawking usou a idéia de dois gêmeos vivendo em lugares diferentes para descrever sua idéia. Se um dos gêmeos fosse viver em uma montanha, e outro gêmeo fosse viver perto do mar, o gêmeo que fosse viver na montanha seria um pouco mais velho do que o gêmeo que fosse viver no mar.
O Universo em Expansão
Hawking fala sobre o universo em expansão. O universo está ficando maior com o tempo. Uma das coisas que ele usa para explicar sua idéia é o Doppler shift. O Doppler shift acontece quando algo se move na direção ou para longe de outro objeto. Há dois tipos de coisas que acontecem no turno Doppler - o turno vermelho e o turno azul. O deslocamento vermelho acontece quando algo se afasta de nós. Isto é causado pelo aumento do comprimento de onda da luz visível que nos atinge, e pela diminuição da freqüência, que desloca a luz visível em direção à extremidade vermelha/infravermelha do espectro eletromagnético. O desvio vermelho está ligado à crença de que o universo está se expandindo à medida que o comprimento de onda da luz está aumentando, quase como se estivesse esticado à medida que os planetas e galáxias se afastam de nós, o que compartilha semelhanças com o efeito Doppler, envolvendo ondas sonoras. O deslocamento azul acontece quando algo está se movendo em nossa direção, o processo oposto de deslocamento vermelho, no qual o comprimento de onda diminui e a freqüência aumenta, deslocando a luz em direção à extremidade azul do espectro. Um cientista chamado Edwin Hubble descobriu que muitas estrelas são deslocadas para o vermelho e estão se afastando de nós. Hawking usa o desvio Doppler para explicar que o universo está ficando maior. Pensa-se que o início do universo tenha acontecido através de algo chamado Big Bang. O Big Bang foi uma explosão muito grande que criou o Universo.
O Princípio da Incerteza
O princípio da incerteza diz que a velocidade e a posição de uma partícula não podem ser encontradas ao mesmo tempo. Para descobrir onde está uma partícula, os cientistas brilham luz sobre a partícula. Se for usada uma luz de alta freqüência, a luz pode encontrar a posição com mais precisão, mas a velocidade da partícula será desconhecida (porque a luz mudará a velocidade da partícula). Se for usada uma luz de baixa freqüência, a luz pode encontrar a velocidade com mais precisão, mas a posição da partícula será desconhecida. O princípio da incerteza desmentiu a idéia de uma teoria que era determinista, ou algo que predizia tudo no futuro.
Neste capítulo também se fala mais sobre como a luz se comporta. Algumas teorias dizem que a luz age como partículas, mesmo sendo realmente feita de ondas; uma teoria que diz que esta é a hipótese quântica de Planck. Uma teoria diferente também diz que as ondas de luz também agem como partículas; uma teoria que diz que este é o princípio da incerteza de Heisenberg.
As ondas leves têm cristas e calhas. O ponto mais alto de uma onda é a crista, e a parte mais baixa da onda é uma calha. Às vezes, mais de uma dessas ondas pode interferir umas com as outras - as cristas e os calhas se alinham. Isto é chamado de interferência de luz. Quando as ondas de luz interferem umas com as outras, isto pode fazer muitas cores. Um exemplo disso são as cores das bolhas de sabão.
Partículas Elementares e Forças da Natureza
Os quarks são coisas muito pequenas que compõem tudo o que vemos (matéria). Existem seis "sabores" diferentes de quarks: o quark para cima, o quark para baixo, o quark estranho, o quark encantado, o quark inferior e o quark superior. Os quarks também têm três "cores": vermelho, verde e azul. Há também os antiquadros, que são o oposto dos quarks regulares. No total, existem 18 tipos diferentes de quarks regulares, e 18 tipos diferentes de anti-quarks. Os quarks são conhecidos como os "blocos de construção da matéria" porque são a menor coisa que compõe toda a matéria do universo.
Todas as partículas elementares (por exemplo, os quarks) têm algo chamado spin. O giro de uma partícula nos mostra como é uma partícula de diferentes direções. Por exemplo, uma partícula de spin 0 parece a mesma de todas as direções. Uma partícula de spin 1 parece diferente em todas as direções, a menos que a partícula seja girada completamente ao redor (360 graus). O exemplo de Hawking de uma partícula de giro 1 é uma seta. Uma partícula de giro 2 precisa ser girada na metade do caminho (ou 180 graus) para parecer a mesma coisa. O exemplo dado no livro é de uma seta de duas pontas. Há dois grupos de partículas no universo: partículas com um spin de 1/2, e partículas com um spin de 0, 1, ou 2. Todas estas partículas seguem o princípio de exclusão de Pauli. O princípio de exclusão de Pauli diz que as partículas não podem estar no mesmo lugar ou ter a mesma velocidade. Se o princípio de exclusão de Pauli não existisse, então tudo no universo teria o mesmo aspecto, como uma "sopa" mais ou menos uniforme e densa.
Partículas com um giro de 0, 1 ou 2 movem a força de uma partícula para outra. Alguns exemplos destas partículas são os gravitons virtuais e os fótons virtuais. Os gravitons virtuais têm um giro de 2 e representam a força da gravidade. Isto significa que quando a gravidade afeta duas coisas, os gravitons se movem de e para as duas coisas. Os fótons virtuais têm um giro de 1 e representam forças eletromagnéticas (ou a força que mantém os átomos juntos).
Além da força da gravidade e das forças eletromagnéticas, existem forças nucleares fracas e fortes. Forças nucleares fracas são as forças que causam a radioatividade, ou quando a matéria emite energia. A força nuclear fraca trabalha sobre partículas com um giro de 1/2. Forças nucleares fortes são as forças que mantêm os quarks em um nêutron e um próton juntos, e mantêm os prótons e nêutrons juntos em um átomo. Pensa-se que a partícula que carrega a força nuclear forte é um gluon. O gluon é uma partícula com um giro de 1. O gluon mantém os quarks juntos para formar prótons e nêutrons. Entretanto, o glúon mantém juntos apenas os quarks que são de três cores diferentes. Isto faz com que o produto final não tenha cor. Isto é chamado de confinamento.
Alguns cientistas tentaram fazer uma teoria que combina a força eletromagnética, a força nuclear fraca, e a força nuclear forte. Esta teoria é chamada de uma grande teoria unificada (ou um GUT). Esta teoria tenta explicar estas forças de uma grande forma unificada ou teoria.
Buracos negros
Os buracos negros são estrelas que se desfizeram em um ponto muito pequeno. Este pequeno ponto é chamado de singularidade. Esta singularidade é um ponto de espaço-tempo que gira em alta velocidade, razão pela qual os buracos negros não têm tempo. Os buracos negros sugam as coisas para dentro de seu centro porque sua gravidade é muito forte. Algumas das coisas que ele pode sugar são luz e estrelas. Apenas estrelas muito grandes, chamadas de super-giantes, são suficientemente grandes para se tornarem um buraco negro. A estrela deve ser uma vez e meia a massa do sol ou maior para se transformar em um buraco negro. Este número é chamado de limite Chandrasekhar. Se a massa de uma estrela for menor que o limite de Chandrasekhar, ela não se transformará em um buraco negro; ao invés disso, ela se transformará em um tipo de estrela diferente, menor. O limite do buraco negro é chamado de horizonte de eventos. Se algo estiver no horizonte do evento, nunca sairá do buraco negro.
Os buracos negros podem ser moldados de forma diferente. Alguns buracos negros são perfeitamente esféricos - como uma bola. Outros buracos negros se formam no meio. Os buracos negros serão esféricos se eles não girarem. Os buracos negros se formarão no meio se eles girarem.
Os buracos negros são difíceis de encontrar porque não deixam sair nenhuma luz. Eles podem ser encontrados quando os buracos negros sugam outras estrelas. Quando os buracos negros sugam outras estrelas, o buraco negro deixa sair raios X, que podem ser vistos por telescópios. Hawking fala sobre sua aposta com outro cientista, Kip Thorne. Hawking apostou que os buracos negros não existiam, porque ele não queria que seu trabalho sobre buracos negros fosse desperdiçado. Ele perdeu a aposta.
Hawking percebeu que o horizonte de eventos de um buraco negro só poderia ficar maior, não menor. A área do horizonte do evento de um buraco negro fica maior sempre que algo cai no buraco negro. Ele também percebeu que quando dois buracos negros se combinam, o tamanho do novo horizonte de eventos é maior ou igual à soma dos horizontes de eventos dos dois outros buracos negros. Isto significa que o horizonte de eventos de um buraco negro nunca pode ficar menor.
A desordem, também conhecida como entropia, está relacionada a buracos negros. Existe uma lei científica que tem a ver com a entropia. Esta lei é chamada a segunda lei da termodinâmica e diz que a entropia (ou desordem) sempre aumentará em um sistema isolado (por exemplo, o universo). A relação entre a quantidade de entropia em um buraco negro e o tamanho do horizonte de eventos do buraco negro foi primeiramente pensada por um estudante de pesquisa (Jacob Bekenstein) e comprovada por Hawking, cujos cálculos diziam que os buracos negros emitem radiação. Isto foi estranho, pois já foi dito que nada pode escapar do horizonte de eventos de um buraco negro.
Este problema foi resolvido quando se pensou na idéia de pares de "partículas virtuais". Um dos pares de partículas cairia no buraco negro, e o outro escaparia. Isto pareceria que o buraco negro estava emitindo partículas. Esta idéia parecia estranha no início, mas muitas pessoas a aceitaram depois de um tempo.
A Origem e o Destino do Universo
A maioria dos cientistas acredita que o universo começou em uma explosão chamada Big Bang. O modelo para isso é chamado de "modelo do big bang quente". Quando o universo começa a ficar maior, as coisas dentro dele também começam a ficar mais frias. Quando o Universo estava começando, estava infinitamente quente. A temperatura do universo esfriou e as coisas dentro do universo começaram a se amontoar.
Hawking também fala sobre como o universo poderia ter sido. Por exemplo, se o universo se formasse e depois desabasse rapidamente, não haveria tempo suficiente para a vida se formar. Outro exemplo seria um universo que se expandia muito rapidamente. Se um universo se expandisse muito rapidamente, ele se tornaria quase vazio. A idéia de muitos universos é chamada de interpretação dos muitos mundos.
Os modelos inflacionários também são discutidos neste capítulo, assim como a idéia de uma teoria que unifica mecânica quântica e gravidade.
Cada partícula tem muitas histórias. Esta idéia é conhecida como a teoria da soma de Feynman sobre as histórias. Uma teoria que unifica a mecânica quântica e a gravidade deveria ter a teoria de Feynman nela. Para encontrar a chance de que uma partícula passe por um ponto, as ondas de cada partícula precisam ser somadas. Estas ondas acontecem em tempo imaginário. Os números imaginários, quando multiplicados por eles mesmos, fazem um número negativo. Por exemplo, 2i X 2i = -4.
