En este libro, Hawking habla de muchas teorías de la física. Algunas de las cosas de las que habla son la historia de la física, la gravedad, cómo se mueve la luz en el universo, el espacio-tiempo, las partículas elementales (objetos muy pequeños que componen las cosas en el universo), los agujeros negros, el Big Bang (la teoría de que el universo empezó desde un punto) y los viajes en el tiempo (la idea de que se puede viajar al pasado y al futuro).
En la primera parte del libro, Hawking habla de la historia de la física. Habla de las ideas de filósofos como Aristóteles y Ptolomeo. Aristóteles, a diferencia de muchas otras personas de su época, pensaba que la Tierra era redonda. También pensaba que el sol y las estrellas giraban alrededor de la Tierra. Ptolomeo también pensaba en cómo estaban situados el sol y las estrellas en el universo. Hizo un modelo planetario que describía el pensamiento de Aristóteles. Hoy en día, se sabe que es lo contrario; la tierra gira alrededor del sol. Las ideas de Aristóteles/Ptolomeo sobre la posición de las estrellas y el sol fueron refutadas en 1609. La persona que primero pensó en la idea de que la Tierra giraba alrededor del sol fue Nicolás Copérnico. Galileo Galilei y Johannes Kepler, otros dos científicos, ayudaron a demostrar que la idea de Copérnico era correcta. Observaron cómo se movían las lunas de algunos planetas en el cielo, y utilizaron esto para demostrar que Copérnico tenía razón. Isaac Newton también escribió un libro sobre la gravedad, que ayudó a demostrar que la idea de Copérnico era correcta.
Espacio y tiempo
Hawking describe el movimiento de los planetas que se mueven alrededor del sol y cómo funciona la gravedad entre los planetas y el sol. También habla de las ideas de reposo absoluto y posición absoluta. Estas ideas se refieren a la idea de que los acontecimientos permanecen en su lugar durante un periodo de tiempo. Las leyes de la gravedad de Newton demostraron que esto no era cierto. La idea del reposo absoluto no funcionaba cuando los objetos se mueven muy rápido (a la velocidad de la luz, o velocidad de la luz).
La velocidad de la luz fue medida por primera vez en 1676 por el astrónomo danés Ole Christensen Roemer. Se descubrió que la velocidad de la luz era muy rápida, pero a una velocidad finita. Sin embargo, los científicos encontraron un problema cuando intentaron decir que la luz viajaba siempre a la misma velocidad. Los científicos crearon una nueva idea, llamada el éter, que intentaba explicar la velocidad de la luz.
Albert Einstein dijo que la idea del éter no era necesaria si se abandonaba otra idea, la del tiempo absoluto (o el tiempo que es siempre el mismo). La idea de Einstein era también la misma que la de Henry Poincare. La idea de Einstein se llama teoría de la relatividad.
Hawking también habla de la luz. Dice que los acontecimientos pueden describirse mediante conos de luz. La parte superior del cono de luz indica hacia dónde viajará la luz del acontecimiento. La parte inferior dice dónde estuvo la luz en el pasado. El centro del cono de luz es el acontecimiento. Además de los conos de luz, Hawking también habla de cómo la luz puede doblarse. Cuando la luz pasa por delante de una gran masa, como una estrella, la luz cambia ligeramente de dirección hacia la masa.
Después de hablar de la luz, Hawking habla del tiempo en la teoría de la relatividad de Einstein. Una de las predicciones que hace la teoría de Einstein es que el tiempo transcurrirá más lentamente cuando algo esté cerca de grandes masas. Sin embargo, cuando algo está más lejos de la masa, el tiempo pasará más rápido. Hawking utilizó la idea de dos gemelos que viven en lugares diferentes para describir su idea. Si uno de los gemelos se fuera a vivir a una montaña y otro se fuera a vivir cerca del mar, el gemelo que se fue a vivir a la montaña sería un poco más viejo que el que se fue a vivir al mar.
El universo en expansión
Hawking habla del universo en expansión. El universo se hace más grande con el tiempo. Una de las cosas que utiliza para explicar su idea es el desplazamiento Doppler. El desplazamiento Doppler se produce cuando algo se acerca o se aleja de otro objeto. Hay dos tipos de cosas que ocurren en el desplazamiento Doppler: el desplazamiento al rojo y el desplazamiento al azul. El desplazamiento al rojo se produce cuando algo se aleja de nosotros. La causa es que la longitud de onda de la luz visible que nos llega aumenta y la frecuencia disminuye, lo que desplaza la luz visible hacia el extremo rojo/infra rojo del espectro electromagnético. El desplazamiento hacia el rojo está relacionado con la creencia de que el universo se está expandiendo a medida que aumenta la longitud de onda de la luz, casi como si se estirara a medida que los planetas y las galaxias se alejan de nosotros, lo que comparte similitudes con el efecto Doppler, que implica a las ondas sonoras. El desplazamiento hacia el azul se produce cuando algo se mueve hacia nosotros, el proceso opuesto al desplazamiento hacia el rojo, en el que la longitud de onda disminuye y la frecuencia aumenta, desplazando la luz hacia el extremo azul del espectro. Un científico llamado Edwin Hubble descubrió que muchas estrellas se desplazan hacia el rojo y se alejan de nosotros. Hawking utiliza el desplazamiento Doppler para explicar que el universo se hace más grande. Se cree que el comienzo del universo ocurrió a través de algo llamado el Big Bang. El Big Bang fue una explosión muy grande que creó el universo.
El principio de incertidumbre
El principio de incertidumbre dice que la velocidad y la posición de una partícula no pueden encontrarse al mismo tiempo. Para encontrar dónde se encuentra una partícula, los científicos la iluminan con luz. Si se utiliza una luz de alta frecuencia, la luz puede encontrar la posición con mayor precisión, pero la velocidad de la partícula será desconocida (porque la luz cambiará la velocidad de la partícula). Si se utiliza una luz de menor frecuencia, la luz puede encontrar la velocidad con mayor precisión pero la posición de la partícula será desconocida. El principio de incertidumbre refutó la idea de una teoría determinista, o de algo que predijera todo en el futuro.
En este capítulo también se habla más de cómo se comporta la luz. Algunas teorías dicen que la luz actúa como partículas aunque en realidad esté hecha de ondas; una teoría que dice esto es la hipótesis cuántica de Planck. Otra teoría dice que las ondas de luz también actúan como partículas; una teoría que dice esto es el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Las ondas de luz tienen crestas y depresiones. El punto más alto de una onda es la cresta, y la parte más baja de la onda es una depresión. A veces, más de una de estas ondas puede interferir entre sí: las crestas y las depresiones se alinean. Esto se llama interferencia de la luz. Cuando las ondas de luz interfieren entre sí, esto puede dar lugar a muchos colores. Un ejemplo de ello son los colores de las pompas de jabón.
Partículas elementales y fuerzas de la naturaleza
Los quarks son cosas muy pequeñas que componen todo lo que vemos (la materia). Hay seis "sabores" diferentes de quarks: el quark up, el quark down, el quark extraño, el quark encantado, el quark bottom y el quark top. Los quarks también tienen tres "colores": rojo, verde y azul. También existen los antiquarks, que son lo contrario de los quarks normales. En total, hay 18 tipos diferentes de quarks regulares y 18 tipos diferentes de antiquarks. Los quarks se conocen como los "bloques de construcción de la materia" porque son lo más pequeño que compone toda la materia del universo.
Todas las partículas elementales (por ejemplo, los quarks) tienen algo llamado espín. El espín de una partícula nos muestra el aspecto de la misma desde diferentes direcciones. Por ejemplo, una partícula de espín 0 se ve igual desde todas las direcciones. Una partícula de espín 1 se ve diferente en cada dirección, a menos que la partícula se gire completamente (360 grados). El ejemplo de Hawking de una partícula de espín 1 es una flecha. Una partícula de espín 2 necesita que se le dé la mitad de la vuelta (o 180 grados) para que tenga el mismo aspecto. El ejemplo que se da en el libro es el de una flecha de doble punta. Hay dos grupos de partículas en el universo: las partículas con un espín de 1/2, y las partículas con un espín de 0, 1 o 2. Todas estas partículas siguen el principio de exclusión de Pauli. El principio de exclusión de Pauli dice que las partículas no pueden estar en el mismo lugar ni tener la misma velocidad. Si el principio de exclusión de Pauli no existiera, todo en el universo tendría el mismo aspecto, como una "sopa" aproximadamente uniforme y densa.
Las partículas con un espín de 0, 1 o 2 mueven la fuerza de una partícula a otra. Algunos ejemplos de estas partículas son los gravitones virtuales y los fotones virtuales. Los gravitones virtuales tienen un espín de 2 y representan la fuerza de la gravedad. Esto significa que cuando la gravedad afecta a dos cosas, los gravitones se mueven hacia y desde las dos cosas. Los fotones virtuales tienen un espín de 1 y representan las fuerzas electromagnéticas (o la fuerza que mantiene unidos a los átomos).
Además de la fuerza de la gravedad y las fuerzas electromagnéticas, existen las fuerzas nucleares débiles y fuertes. Las fuerzas nucleares débiles son las que causan la radiactividad, o cuando la materia emite energía. La fuerza nuclear débil actúa sobre las partículas con un espín de 1/2. Las fuerzas nucleares fuertes son las que mantienen unidos los quarks de un neutrón y un protón, y mantienen unidos los protones y los neutrones de un átomo. Se cree que la partícula portadora de la fuerza nuclear fuerte es un gluón. El gluón es una partícula con un espín de 1. El gluón mantiene unidos a los quarks para formar protones y neutrones. Sin embargo, el gluón sólo mantiene unidos los quarks que son de tres colores diferentes. Esto hace que el producto final no tenga color. Esto se llama confinamiento.
Algunos científicos han intentado elaborar una teoría que combine la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Esta teoría se denomina gran teoría unificada (o GUT). Esta teoría trata de explicar estas fuerzas en una gran forma o teoría unificada.
Agujeros negros
Los agujeros negros son estrellas que han colapsado en un punto muy pequeño. Este pequeño punto se llama singularidad.Esta singularidad es un punto del espacio-tiempo que gira a gran velocidad.Esa es la razón por la que los agujeros negros no tienen tiempo. Los agujeros negros succionan cosas hacia su centro porque su gravedad es muy fuerte. Algunas de las cosas que puede succionar son la luz y las estrellas. Sólo las estrellas muy grandes, llamadas supergigantes, son lo suficientemente grandes para convertirse en un agujero negro. La estrella debe tener una vez y media la masa del sol o más para convertirse en un agujero negro. Este número se denomina límite de Chandrasekhar. Si la masa de una estrella es inferior al límite de Chandrasekhar, no se convertirá en un agujero negro; en su lugar, se convertirá en un tipo de estrella diferente, más pequeño. El límite del agujero negro se denomina horizonte de sucesos. Si algo se encuentra en el horizonte de sucesos, nunca saldrá del agujero negro.
Los agujeros negros pueden tener formas diferentes. Algunos agujeros negros son perfectamente esféricos, como una pelota. Otros agujeros negros se abultan en el centro. Los agujeros negros serán esféricos si no rotan. Los agujeros negros se abultan en el centro si rotan.
Los agujeros negros son difíciles de encontrar porque no emiten ninguna luz. Se pueden encontrar cuando los agujeros negros succionan otras estrellas. Cuando los agujeros negros succionan otras estrellas, el agujero negro deja salir rayos X, que pueden ser vistos por los telescopios. Hawking habla de su apuesta con otro científico, Kip Thorne. Hawking apostó que los agujeros negros no existían, porque no quería que su trabajo sobre los agujeros negros se desperdiciara. Perdió la apuesta.
Hawking se dio cuenta de que el horizonte de sucesos de un agujero negro sólo podía hacerse más grande, no más pequeño. El área del horizonte de sucesos de un agujero negro se hace más grande cada vez que algo cae en el agujero negro. También se dio cuenta de que cuando dos agujeros negros se combinan, el tamaño del nuevo horizonte de sucesos es mayor o igual que la suma de los horizontes de sucesos de los otros dos agujeros negros. Esto significa que el horizonte de sucesos de un agujero negro nunca puede hacerse más pequeño.
El desorden, también conocido como entropía, está relacionado con los agujeros negros. Existe una ley científica que tiene que ver con la entropía. Esta ley se llama la segunda ley de la termodinámica, y dice que la entropía (o el desorden) siempre aumentará en un sistema aislado (por ejemplo, el universo). La relación entre la cantidad de entropía en un agujero negro y el tamaño del horizonte de sucesos del agujero negro se le ocurrió por primera vez a un estudiante de investigación (Jacob Bekenstein) y fue demostrada por Hawking, cuyos cálculos decían que los agujeros negros emitían radiación. Esto era extraño, porque ya se decía que nada puede escapar del horizonte de sucesos de un agujero negro.
Este problema se resolvió cuando se pensó en la idea de pares de "partículas virtuales". Uno de los pares de partículas caería en el agujero negro y el otro escaparía. De este modo, parecería que el agujero negro estuviera emitiendo partículas. Esta idea pareció extraña al principio, pero mucha gente la aceptó después de un tiempo.
El origen y el destino del universo
La mayoría de los científicos creen que el universo comenzó en una explosión llamada Big Bang. El modelo para esto se llama "modelo del Big Bang caliente". Cuando el universo comienza a hacerse más grande, las cosas en su interior también comienzan a enfriarse. Cuando el universo comenzó, estaba infinitamente caliente. La temperatura del universo se enfrió y las cosas de su interior comenzaron a agruparse.
Hawking también habla de cómo podría haber sido el universo. Por ejemplo, si el universo se formó y luego se colapsó rápidamente, no habría tiempo suficiente para que se formara la vida. Otro ejemplo sería un universo que se expandiera demasiado rápido. Si un universo se expandiera demasiado rápido, quedaría casi vacío. La idea de muchos universos se denomina interpretación de muchos mundos.
Los modelos inflacionarios también se discuten en este capítulo, así como la idea de una teoría que unifique la mecánica cuántica y la gravedad.
Cada partícula tiene muchas historias. Esta idea se conoce como la teoría de Feynman de la suma sobre historias. Una teoría que unifique la mecánica cuántica y la gravedad debería incluir la teoría de Feynman. Para encontrar la probabilidad de que una partícula pase por un punto, hay que sumar las ondas de cada partícula. Estas ondas se producen en tiempo imaginario. Los números imaginarios, cuando se multiplican por sí mismos, forman un número negativo. Por ejemplo, 2i X 2i = -4.
