Kratka zgodovina časa

Povzetek

V tej knjigi Hawking govori o številnih teorijah v fiziki. Med drugim govori o zgodovini fizike, gravitaciji, gibanju svetlobe v vesolju, prostor-času, elementarnih delcih (zelo majhnih predmetih, ki sestavljajo stvari v vesolju), črnih luknjah, velikem poku (teorija, da se je vesolje začelo iz ene točke) in potovanju skozi čas (ideja, da je mogoče potovati v preteklost in prihodnost).

V prvem delu knjige Hawking govori o zgodovini fizike. Govori o idejah filozofov, kot sta Aristotel in Ptolemaj. Aristotel je v nasprotju z mnogimi drugimi ljudmi svojega časa menil, da je Zemlja okrogla. Menil je tudi, da Sonce in zvezde krožijo okoli Zemlje. Tudi Ptolemaj je razmišljal o tem, kako se sonce in zvezde nahajajo v vesolju. Izdelal je planetarni model, ki je opisoval Aristotelovo razmišljanje. Danes vemo, da je ravno obratno; Zemlja se vrti okoli Sonca. Aristotelove in Ptolemajeve zamisli o položaju zvezd in sonca so bile ovržene leta 1609. Oseba, ki se je prva domislila ideje o tem, da Zemlja kroži okoli Sonca, je bil Nikolaj Kopernik. Galileo Galilei in Johannes Kepler, dva druga znanstvenika, sta pomagala dokazati, da je bila Kopernikova zamisel pravilna. Opazovala sta, kako se na nebu premikajo lune nekaterih planetov, in s tem dokazala Kopernikov prav. Tudi Isaac Newton je napisal knjigo o gravitaciji, ki je pomagala dokazati, da je Kopernikova zamisel pravilna.

Prostor in čas

Hawking opisuje gibanje planetov okoli Sonca in delovanje gravitacije med planeti in Soncem. Govori tudi o idejah absolutnega mirovanja in absolutnega položaja. Ti ideji sta povezani z mislijo, da dogodki v določenem časovnem obdobju ostanejo na svojem mestu. Newtonovi gravitacijski zakoni so pokazali, da to ne drži. Ideja o absolutnem mirovanju ni delovala, ko so se predmeti gibali zelo hitro (s svetlobno hitrostjo ali svetlobno hitrostjo).

Hitrost svetlobe je leta 1676 prvič izmeril danski astronom Ole Christensen Roemer. Ugotovil je, da je hitrost svetlobe zelo velika, vendar končna. Vendar so znanstveniki naleteli na težavo, ko so poskušali trditi, da svetloba vedno potuje z enako hitrostjo. Znanstveniki so ustvarili novo idejo, imenovano eter, s katero so poskušali pojasniti hitrost svetlobe.

Albert Einstein je dejal, da zamisel o etru ni potrebna, če opustimo drugo zamisel, zamisel o absolutnem času (ali času, ki je vedno enak). Einsteinova zamisel je bila enaka zamisli Henryja Poincareja. Einsteinova zamisel se imenuje teorija relativnosti.

Hawking govori tudi o svetlobi. Pravi, da lahko dogodke opišemo s svetlobnimi stožci. Vrh svetlobnega stožca pove, kam bo potovala svetloba iz dogodka. Spodnji del pove, kje je bila svetloba v preteklosti. Središče svetlobnega stožca je dogodek. Poleg svetlobnih stožcev Hawking govori tudi o tem, kako se lahko svetloba upogne. Ko gre svetloba mimo velike mase, na primer zvezde, svetloba nekoliko spremeni smer proti masi.

Po razpravi o svetlobi Hawking spregovori o času v Einsteinovi teoriji relativnosti. Ena od napovedi Einsteinove teorije je, da bo čas tekel počasneje, če bo nekaj v bližini velikih mas. Ko pa je nekaj bolj oddaljeno od mase, čas teče hitreje. Hawking je za opis svoje zamisli uporabil zamisel o dveh dvojčkih, ki živita na različnih krajih. Če bi eden od dvojčkov živel na gori, drugi pa ob morju, bi bil dvojček, ki bi živel na gori, nekoliko starejši od dvojčka, ki bi živel ob morju.

Razširjajoče se vesolje

Hawking govori o širjenju vesolja. Vesolje se sčasoma povečuje. Ena od stvari, s katerimi pojasnjuje svojo zamisel, je Dopplerjev premik. Dopplerjev premik se zgodi, ko se nekaj premika proti drugemu predmetu ali stran od njega. Pri Dopplerjevem premiku se zgodita dve vrsti stvari - rdeči in modri premik. Rdeči premik se zgodi, ko se nekaj oddaljuje od nas. Vzrok za to je povečanje valovne dolžine vidne svetlobe, ki nas doseže, in zmanjšanje frekvence, kar premakne vidno svetlobo proti rdečemu/infrardečemu delu elektromagnetnega spektra. Rdeči premik je povezan s prepričanjem, da se vesolje širi, saj se valovna dolžina svetlobe povečuje, skoraj kot bi se raztegnila, ko se od nas oddaljujejo planeti in galaksije, kar je podobno Dopplerjevemu učinku pri zvočnih valovih. Modri premik se zgodi, ko se nekaj premika proti nam, kar je nasprotni proces od rdečega premika, pri katerem se valovna dolžina zmanjšuje, frekvenca pa povečuje, kar svetlobo premika proti modremu delu spektra. Znanstvenik Edwin Hubble je ugotovil, da so mnoge zvezde rdeče premaknjene in se od nas oddaljujejo. Hawking z Dopplerjevim premikom pojasnjuje, da se vesolje veča. Začetek vesolja naj bi se zgodil z nečim, kar se imenuje veliki pok. Veliki pok je bila zelo velika eksplozija, ki je ustvarila vesolje.

Načelo negotovosti

Načelo negotovosti pravi, da hitrosti in položaja delca ne moremo določiti hkrati. Da bi ugotovili, kje se delec nahaja, znanstveniki v delec posvetijo s svetlobo. Če uporabimo visokofrekvenčno svetlobo, lahko z njo natančneje ugotovimo položaj, vendar hitrosti delca ne bomo poznali (ker bo svetloba spremenila hitrost delca). Če uporabimo svetlobo nižje frekvence, lahko s svetlobo natančneje določimo hitrost, vendar bo položaj delca neznan. Načelo negotovosti je ovrglo idejo o teoriji, ki bi bila deterministična, oziroma o teoriji, ki bi predvidela vse v prihodnosti.

V tem poglavju je podrobneje opisano tudi obnašanje svetlobe. Nekatere teorije pravijo, da se svetloba obnaša kot delci, čeprav je v resnici sestavljena iz valov; ena od teorij, ki to pravi, je Planckova kvantna hipoteza. Druga teorija pravi, da se tudi svetlobni valovi obnašajo kot delci; teorija, ki to pravi, je Heisenbergovo načelo negotovosti.

Svetlobni valovi imajo grebene in dna. Najvišja točka vala je greben, najnižji del vala pa korito. Včasih lahko več teh valov interferira drug z drugim - grebeni in korita se postavijo v vrsto. To imenujemo svetlobna interferenca. Ko svetlobni valovi interferirajo drug z drugim, lahko nastanejo številne barve. Primer tega so barve milnih mehurčkov.

Elementarni delci in sile narave

Kvarki so zelo majhne stvari, ki sestavljajo vse, kar vidimo (snov). Obstaja šest različnih "okusov" kvarkov: gornji kvark, spodnji kvark, čudni kvark, očarani kvark, spodnji kvark in zgornji kvark. Kvarki imajo tudi tri "barve": rdečo, zeleno in modro. Obstajajo tudi antikvarki, ki so nasprotje običajnih kvarkov. Skupaj obstaja 18 različnih vrst običajnih kvarkov in 18 različnih vrst antikvarkov. Kvarki so znani kot "gradniki snovi", saj so najmanjša stvar, ki sestavlja vso snov v vesolju.

Vsi elementarni delci (na primer kvarki) imajo nekaj, kar imenujemo spin. Spin delca nam pokaže, kako je delec videti iz različnih smeri. Na primer delec s spinom 0 je iz vseh smeri videti enako. Delec s spinom 1 pa je v vsako smer videti drugače, razen če delca ne zavrtimo popolnoma naokoli (za 360 stopinj). Hawkingov primer delca s spinom 1 je puščica. Delec s spinom 2 je treba obrniti do polovice (ali za 180 stopinj), da je videti enako. V knjigi je naveden primer dvoglave puščice. V vesolju obstajata dve skupini delcev: delci s spinom 1/2 in delci s spinom 0, 1 ali 2. Vsi ti delci upoštevajo Paulijevo izključitveno načelo. Paulijevo izključitveno načelo pravi, da delci ne morejo biti na istem mestu ali imeti enake hitrosti. Če Paulijevo izključitveno načelo ne bi obstajalo, bi bilo vse v vesolju videti enako, kot približno enotna in gosta "juha".

Delci s spinom 0, 1 ali 2 prehajajo s silo z enega delca na drugega. Primeri teh delcev so virtualni gravitoni in virtualni fotoni. Virtualni gravitoni imajo spin 2 in predstavljajo gravitacijsko silo. To pomeni, da ko gravitacija vpliva na dve stvari, se gravitoni premikajo v obe stvari in iz njiju. Virtualni fotoni imajo spin 1 in predstavljajo elektromagnetno silo (ali silo, ki drži atome skupaj).

Poleg sile gravitacije in elektromagnetnih sil obstajata še šibka in močna jedrska sila. Šibke jedrske sile so sile, ki povzročajo radioaktivnost ali ko snov oddaja energijo. Šibka jedrska sila deluje na delce s spinom 1/2. Močne jedrske sile so sile, ki držijo skupaj kvarke v nevtronu in protonu ter zadržujejo skupaj protone in nevtrone v atomu. Delec, ki prenaša močno jedrsko silo, naj bi bil gluon. Gluon je delec s spinom 1. Gluon drži skupaj kvarke, ki tvorijo protone in nevtrone. Vendar gluon drži skupaj le kvarke treh različnih barv. Zaradi tega končni izdelek nima barve. To imenujemo omejevanje.

Nekateri znanstveniki so poskušali oblikovati teorijo, ki bi združevala elektromagnetno silo, šibko jedrsko silo in močno jedrsko silo. Ta teorija se imenuje velika enotna teorija (ali GUT). Ta teorija poskuša te sile razložiti na en velik enoten način ali v eni teoriji.

Črne luknje

Črne luknje so zvezde, ki so se sesedle v eno zelo majhno točko. To majhno točko imenujemo singularnost.Ta singularnost je točka prostor-časa, ki se vrti z veliko hitrostjo.To je razlog, da črne luknje nimajo časa. Črne luknje vsrkajo stvari v svoje središče, ker je njihova gravitacija zelo močna. Nekatere od stvari, ki jih lahko vsrka, so svetloba in zvezde. Le zelo velike zvezde, imenovane supervelikanke, so dovolj velike, da lahko postanejo črna luknja. Da se zvezda spremeni v črno luknjo, mora biti njena masa enainpolkrat večja od mase Sonca ali večja. To število se imenuje Chandrasekharjeva meja. Če je masa zvezde manjša od Chandrasekharjeve meje, se zvezda ne bo spremenila v črno luknjo, temveč se bo spremenila v drugo, manjšo vrsto zvezde. Meja črne luknje se imenuje dogodkovno obzorje. Če je nekaj v obzorju dogodkov, se ne bo nikoli rešilo iz črne luknje.

Črne luknje so lahko različno oblikovane. Nekatere črne luknje so popolnoma okrogle - kot krogla. Druge črne luknje so na sredini izbočene. Če se črne luknje ne vrtijo, so kroglaste. Če se črne luknje vrtijo, se na sredini izbočijo.

Črne luknje je težko najti, saj ne oddajajo svetlobe. Najdemo jih, ko črne luknje vsrkajo druge zvezde. Ko črne luknje vsrkajo druge zvezde, črna luknja oddaja rentgenske žarke, ki jih je mogoče videti s teleskopi. Hawking govori o svoji stavi z drugim znanstvenikom, Kipom Thornom. Hawking je stavil, da črne luknje ne obstajajo, ker ni želel, da bi bilo njegovo delo v zvezi s črnimi luknjami zaman. Stavo je izgubil.

Hawking je ugotovil, da se dogodkovno obzorje črne luknje lahko samo poveča, ne pa tudi zmanjša. Območje dogodkovnega obzorja črne luknje se poveča vsakič, ko nekaj pade v črno luknjo. Ugotovil je tudi, da je ob združitvi dveh črnih lukenj velikost novega dogodkovnega obzorja večja ali enaka vsoti dogodkovnih obzorij drugih dveh črnih lukenj. To pomeni, da se dogodkovno obzorje črne luknje ne more nikoli zmanjšati.

Neurejenost, znana tudi kot entropija, je povezana s črnimi luknjami. Obstaja znanstveni zakon, ki je povezan z entropijo. Ta zakon se imenuje drugi zakon termodinamike in pravi, da se bo entropija (ali nered) v izoliranem sistemu (na primer v vesolju) vedno povečevala. Na povezavo med količino entropije v črni luknji in velikostjo njenega dogodkovnega obzorja je prvi pomislil študent (Jacob Bekenstein), dokazal pa jo je Hawking, ki je s svojimi izračuni dokazal, da črne luknje oddajajo sevanje. To je bilo nenavadno, saj je že prej veljalo, da črni luknji nič ne more uiti iz njenega dogodkovnega obzorja.

Ta problem je bil rešen z idejo o parih "virtualnih delcev". Eden od para delcev bi padel v črno luknjo, drugi pa bi pobegnil. Tako bi bilo videti, kot da črna luknja oddaja delce. Ta zamisel se je sprva zdela nenavadna, vendar so jo mnogi ljudje čez nekaj časa sprejeli.

Izvor in usoda vesolja

Večina znanstvenikov verjame, da se je vesolje začelo z eksplozijo, imenovano veliki pok. Model za to se imenuje "model vročega velikega poka". Ko se vesolje začne povečevati, se tudi stvari v njem začnejo ohlajati. Ko je bilo vesolje na začetku, je bilo neskončno vroče. Temperatura vesolja se je ohladila in stvari v vesolju so se začele združevati.

Hawking govori tudi o tem, kako bi lahko nastalo vesolje. Če bi na primer vesolje nastalo in nato hitro propadlo, ne bi bilo dovolj časa za nastanek življenja. Drug primer bi bilo vesolje, ki bi se prehitro širilo. Če bi se vesolje prehitro širilo, bi postalo skoraj prazno. Zamisel o številnih vesoljih se imenuje razlaga mnogih svetov.

V tem poglavju so obravnavani tudi inflacijski modeli in zamisel o teoriji, ki združuje kvantno mehaniko in gravitacijo.

Vsak delec ima veliko zgodb. Ta ideja je znana kot Feynmanova teorija vsote nad zgodovinami. Teorija, ki združuje kvantno mehaniko in gravitacijo, bi morala vsebovati Feynmanovo teorijo. Da bi ugotovili, kakšna je verjetnost, da bo delec preletel točko, je treba sešteti valovanja vsakega delca. Ti valovi potekajo v imaginarnem času. Imaginarna števila, če jih pomnožimo s seboj, dobimo negativno število. Na primer: 2i X 2i = -4.

Slika o tem, kaj je Ptolemaj menil o položaju planetov, zvezd in sonca.


To je svetlobni stožec


Einstein je dejal, da čas ni absoluten ali vedno enak.


Tukaj sta prikazana veliki pok in razvoj vesolja. Slika prikazuje širjenje vesolja skozi čas.


Tukaj je slika svetlobnega vala.


Zaradi svetlobne interference se pojavijo številne barve.


Delec s spinom 1 je treba obrniti do konca, da je spet videti enako, kot ta puščica.


To je proton. Sestavljen je iz treh kvarkov. Vsi kvarki so zaradi zaprtosti različnih barv.


Slika črne luknje in kako spreminja svetlobo okoli sebe.