I denne bog fortæller Hawking om mange teorier inden for fysikken. Nogle af de ting, han taler om, er fysikkens historie, tyngdekraften, hvordan lyset bevæger sig i universet, rumtid, elementarpartikler (meget små objekter, der udgør ting i universet), sorte huller, Big Bang (teorien om, at universet startede fra ét punkt) og tidsrejser (ideen om, at man kan rejse til fortiden og fremtiden).
I første del af bogen fortæller Hawking om fysikkens historie. Han fortæller om filosofers idéer som Aristoteles og Ptolemæus. Aristoteles mente i modsætning til mange andre mennesker på sin tid, at jorden var rund. Han mente også, at solen og stjernerne gik rundt om Jorden. Ptolemæus tænkte også over, hvordan solen og stjernerne var placeret i universet. Han lavede en planetarisk model, der beskrev Aristoteles' tankegang. I dag ved man, at det modsatte er sandt, nemlig at jorden drejer rundt om solen. Aristoteles/Ptolemæus' ideer om stjernernes og solens placering blev modbevist i 1609. Den person, der først kom på ideen om, at jorden drejer rundt om solen, var Nikolaj Kopernikus. Galileo Galilei Galilei og Johannes Kepler, to andre videnskabsmænd, hjalp med at bevise, at Kopernikus' idé var rigtig. De kiggede på, hvordan nogle planeters måner bevægede sig på himlen, og de brugte dette til at bevise, at Kopernikus havde ret. Isaac Newton skrev også en bog om tyngdekraften, som var med til at bevise, at Kopernikus' idé var rigtig.
Rum og tid
Hawking beskriver planeternes bevægelse omkring solen, og hvordan tyngdekraften virker mellem planeterne og solen. Han taler også om idéerne om absolut hvile og absolut position. Disse ideer handler om den tanke, at begivenheder forbliver på samme sted over en periode. Dette blev fundet ikke sandt ved Newtons tyngdelove. Ideen om absolut hvile fungerede ikke, når objekter bevæger sig meget hurtigt (med lysets hastighed, eller lysets hastighed).
Lysets hastighed blev første gang målt i 1676 af den danske astronom Ole Christensen Roemer. Lysets hastighed viste sig at være meget hurtig, men med en begrænset hastighed. Forskerne fandt dog et problem, da de forsøgte at sige, at lyset altid bevægede sig med samme hastighed. Forskerne skabte en ny idé, kaldet æteren, som forsøgte at forklare lysets hastighed.
Albert Einstein sagde, at ideen om æteren ikke var nødvendig, hvis en anden ide, ideen om absolut tid (eller tid, der altid er den samme), blev droppet. Einsteins idé var også den samme som Henry Poincares idé. Einsteins idé kaldes relativitetsteorien.
Hawking taler også om lys. Han siger, at begivenheder kan beskrives ved hjælp af lyskegler. Toppen af lyskeglen fortæller, hvor lyset fra begivenheden vil bevæge sig hen. Den nederste fortæller, hvor lyset var i fortiden. Centrum af lyskeglen er begivenheden. Ud over lyskegler taler Hawking også om, hvordan lys kan bøjes. Når lyset passerer forbi en stor masse, som f.eks. en stjerne, ændrer lyset lidt retning mod massen.
Efter at have talt om lys taler Hawking om tid i Einsteins relativitetsteori. En forudsigelse i Einsteins teori er, at tiden går langsommere, når noget befinder sig i nærheden af store masser. Men når noget er længere væk fra massen, vil tiden gå hurtigere, når noget er længere væk fra massen. Hawking brugte ideen om to tvillinger, der bor forskellige steder, til at beskrive sin idé. Hvis en af tvillingerne boede på et bjerg, og en anden tvilling boede i nærheden af havet, ville den tvilling, der boede på bjerget, være lidt ældre end den tvilling, der boede ved havet.
Det ekspanderende univers
Hawking taler om det ekspanderende univers. Universet bliver større og større med tiden. En af de ting, han bruger til at forklare sin idé, er Dopplerforskydningen. Dopplerforskydningen sker, når noget bevæger sig mod eller væk fra et andet objekt. Der er to typer af ting, der sker ved Dopplerforskydning - rødforskydning og blåforskydning. Rødforskydning sker, når noget bevæger sig væk fra os. Det skyldes, at bølgelængden af det synlige lys, der når os, øges, og at frekvensen falder, hvilket forskyder det synlige lys mod den røde/frarøde ende af det elektromagnetiske spektrum. Rødforskydning er forbundet med troen på, at universet udvider sig, da lysets bølgelængde øges, næsten som om det strækkes, når planeter og galakser bevæger sig væk fra os, hvilket har ligheder med Dopplereffekten, der involverer lydbølger. Blåforskydning sker, når noget bevæger sig mod os, den modsatte proces af rødforskydning, hvor bølgelængden falder og frekvensen stiger, hvilket forskyder lyset mod den blå ende af spektret. En videnskabsmand ved navn Edwin Hubble fandt ud af, at mange stjerner er rødforskydede og bevæger sig væk fra os. Hawking bruger Dopplerforskydningen til at forklare, at universet bliver større. Universets begyndelse menes at være sket ved noget, der kaldes Big Bang. Big Bang var en meget stor eksplosion, som skabte universet.
Usikkerhedsprincippet
Usikkerhedsprincippet siger, at en partikels hastighed og position ikke kan bestemmes på samme tid. For at finde ud af, hvor en partikel befinder sig, skinner forskerne lys på partiklen. Hvis der anvendes lys med høj frekvens, kan lyset finde positionen mere præcist, men partikelens hastighed vil være ukendt (fordi lyset ændrer partikelens hastighed). Hvis der anvendes lys med lavere frekvens, kan lyset finde hastigheden mere præcist, men partikelens position vil være ukendt. Usikkerhedsprincippet modbeviste ideen om en teori, der var deterministisk, eller noget, der kunne forudsige alt i fremtiden.
Hvordan lyset opfører sig, er også omtalt mere detaljeret i dette kapitel. Nogle teorier siger, at lys opfører sig som partikler, selv om det i virkeligheden består af bølger; en teori, der siger dette, er Plancks kvantehypotese. En anden teori siger også, at lysbølger også opfører sig som partikler; en teori, der siger dette, er Heisenbergs usikkerhedsprincip.
Lysbølger har toppene og lavpunkter. Det højeste punkt på en bølge er toppunktet, og den laveste del af bølgen er et lavpunkt. Nogle gange kan mere end én af disse bølger interferere med hinanden - toppene og bølgedybderne ligger på linje med hinanden. Dette kaldes lysinterferens. Når lysbølger interfererer med hinanden, kan det give mange farver. Et eksempel herpå er farverne i sæbebobler.
Elementarpartikler og naturkræfter
Kvarker er meget små ting, som udgør alt det, vi ser (stof). Der findes seks forskellige "varianter" af kvarker: up-kvark, down-kvark, strange-kvark, charmeret kvark, bottom-kvark og top-kvark. Kvarker har også tre "farver": rød, grøn og blå. Der findes også anti-kvarker, som er det modsatte af de almindelige kvarker. I alt findes der 18 forskellige typer regulære kvarker og 18 forskellige typer anti-kvarker. Kvarker er kendt som "stofets byggesten", fordi de er de mindste ting, der udgør alt stof i universet.
Alle elementarpartikler (f.eks. kvarkerne) har noget, der kaldes spin. En partikels spin viser os, hvordan en partikel ser ud fra forskellige retninger. En partikel med spin 0 ser f.eks. ens ud fra alle retninger. En partikel med spin 1 ser anderledes ud i alle retninger, medmindre partiklen drejes helt rundt (360 grader). Hawkings eksempel på en partikel med spin 1 er en pil. En partikel med spin 2 skal drejes halvt rundt (eller 180 grader) for at se ens ud. Det eksempel, der gives i bogen, er en pil med to spidser. Der er to grupper af partikler i universet: partikler med spin 1/2 og partikler med spin 0, 1 eller 2. Alle disse partikler følger Pauli's udelukkelsesprincip. Pauli's udelukkelsesprincip siger, at partikler ikke kan være på samme sted eller have samme hastighed. Hvis Pauli's udelukkelsesprincip ikke fandtes, ville alt i universet se ens ud, som en nogenlunde ensartet og tæt "suppe".
Partikler med et spin på 0, 1 eller 2 flytter kraft fra en partikel til en anden. Nogle eksempler på disse partikler er virtuelle gravitoner og virtuelle fotoner. Virtuelle gravitoner har et spin på 2, og de repræsenterer tyngdekraften. Det betyder, at når tyngdekraften påvirker to ting, bevæger gravitonerne sig til og fra de to ting. Virtuelle fotoner har et spin på 1 og repræsenterer elektromagnetiske kræfter (eller den kraft, der holder atomerne sammen).
Ud over tyngdekraften og de elektromagnetiske kræfter findes der svage og stærke atomkræfter. De svage kernekræfter er de kræfter, der forårsager radioaktivitet, eller når stof udsender energi. Den svage kernekraft virker på partikler med et spin på 1/2. Stærke kernekræfter er de kræfter, der holder kvarkerne i en neutron og en proton sammen og holder protonerne og neutronerne sammen i et atom. Partiklen, der bærer den stærke kernekraft, menes at være en gluon. Gluonen er en partikel med et spin på 1. Gluonen holder kvarker sammen og danner protoner og neutroner. Gluonen holder dog kun kvarker sammen, der har tre forskellige farver. Det gør, at slutproduktet ikke har nogen farve. Dette kaldes indespærring.
Nogle forskere har forsøgt at lave en teori, der kombinerer den elektromagnetiske kraft, den svage kernekraft og den stærke kernekraft. Denne teori kaldes en grand unified theory (eller en GUT). Denne teori forsøger at forklare disse kræfter på én stor forenet måde eller teori.
Sorte huller
Sorte huller er stjerner, der er kollapset til et meget lille punkt. Dette lille punkt kaldes en singularitet.Singulariteten er et punkt i rumtiden, som roterer med høj hastighed.Det er grunden til, at sorte huller ikke har nogen tid. Sorte huller suger ting ind i deres centrum, fordi deres tyngdekraft er meget stærk. Nogle af de ting, som det kan suge ind, er lys og stjerner. Kun meget store stjerner, kaldet supergiganter, er store nok til at blive et sort hul. Stjernen skal have halvanden gang solens masse eller være større for at blive til et sort hul. Dette tal kaldes Chandrasekhar-grænsen. Hvis stjernens masse er mindre end Chandrasekhar-grænsen, vil den ikke blive til et sort hul, men i stedet blive til en anden, mindre type stjerne. Grænsen for det sorte hul kaldes begivenhedshorisonten. Hvis noget befinder sig i begivenhedshorisonten, vil det aldrig komme ud af det sorte hul.
Sorte huller kan have forskellige former. Nogle sorte huller er helt kugleformede - som en kugle. Andre sorte huller buler ud i midten. Sorte huller vil være kugleformede, hvis de ikke roterer. Sorte huller vil bule ud i midten, hvis de roterer.
Sorte huller er svære at finde, fordi de ikke udsender noget lys. De kan findes, når sorte huller suger andre stjerner ind i sig. Når sorte huller suger andre stjerner ind, udsender det sorte hul røntgenstråler, som teleskoper kan se. Hawking fortæller om sit væddemål med en anden videnskabsmand, Kip Thorne. Hawking væddede om, at sorte huller ikke eksisterede, fordi han ikke ønskede, at hans arbejde med sorte huller skulle gå til spilde. Han tabte væddemålet.
Hawking indså, at begivenhedshorisonten for et sort hul kun kunne blive større, ikke mindre. Arealet af et sort hul's begivenhedshorisont bliver større, når noget falder ind i det sorte hul. Han indså også, at når to sorte huller kombineres, er størrelsen af den nye begivenhedshorisont større end eller lig med summen af de to andre sorte hullers begivenhedshorisonter. Det betyder, at et sort hul's begivenhedshorisont aldrig kan blive mindre.
Uorden, også kendt som entropi, er forbundet med sorte huller. Der findes en videnskabelig lov, der har med entropi at gøre. Denne lov kaldes termodynamikkens anden lov, og den siger, at entropien (eller uorden) altid vil stige i et isoleret system (f.eks. universet). Sammenhængen mellem mængden af entropi i et sort hul og størrelsen af det sorte huls begivenhedshorisont blev først udtænkt af en forskerstuderende (Jacob Bekenstein) og bevist af Hawking, hvis beregninger viste, at sorte huller udsender stråling. Dette var mærkeligt, fordi man allerede havde sagt, at intet kan slippe ud af et sort hul's begivenhedshorisont.
Dette problem blev løst, da man fandt på ideen om par af "virtuelle partikler". Det ene par partikler ville falde ned i det sorte hul, mens det andet par ville undslippe. Det ville se ud som om, at det sorte hul udsendte partikler. Denne idé virkede mærkelig i begyndelsen, men mange mennesker accepterede den efter et stykke tid.
Universets oprindelse og skæbne
De fleste forskere mener, at universet startede ved en eksplosion kaldet Big Bang. Modellen for dette kaldes "den varme big bang-model". Når universet begynder at blive større, begynder tingene indeni det også at blive koldere. Da universet først begyndte, var det uendeligt varmt. Universets temperatur blev afkølet, og tingene inde i universet begyndte at klumpe sig sammen.
Hawking taler også om, hvordan universet kunne have været. Hvis universet f.eks. blev dannet og derefter kollapsede hurtigt, ville der ikke være tid nok til, at der kunne dannes liv. Et andet eksempel ville være et univers, der udvidede sig for hurtigt. Hvis et univers udvidede sig for hurtigt, ville det blive næsten tomt. Ideen om mange universer kaldes for mange-universer-tolkningen.
Inflationsmodeller diskuteres også i dette kapitel, og det samme gælder tanken om en teori, der forener kvantemekanikken og tyngdekraften.
Hver partikel har mange historier. Denne idé er kendt som Feynmans teori om summen over historier. En teori, der forener kvantemekanikken og tyngdekraften, bør indeholde Feynmans teori. For at finde chancen for, at en partikel vil passere gennem et punkt, skal hver partikels bølger lægges sammen. Disse bølger sker i imaginær tid. Imaginære tal, når de ganges med sig selv, giver et negativt tal. F.eks. 2i X 2i = -4.
