Aja lühike ajalugu

Kokkuvõte

Selles raamatus räägib Hawking paljudest füüsikateooriatest. Mõned asjad, millest ta räägib, on füüsika ajalugu, gravitatsioon, valguse liikumine universumis, aegruum, elementaarosakesed (väga väikesed objektid, millest universumi asjad koosnevad), mustad augud, Suur Pauk (teooria, et universum algas ühest punktist) ja ajarännak (idee, et saab reisida minevikku ja tulevikku).

Raamatu esimeses osas räägib Hawking füüsika ajaloost. Ta räägib selliste filosoofide nagu Aristoteles ja Ptolemaios ideedest. Aristoteles arvas erinevalt paljudest teistest oma aja inimestest, et Maa on ümmargune. Samuti arvas ta, et päike ja tähed tiirlevad ümber Maa. Ka Ptolemaios mõtles, kuidas päike ja tähed asuvad universumis. Ta koostas planeedimudeli, mis kirjeldas Aristotelese mõtlemist. Tänapäeval on teada, et vastupidi, Maa käib ümber Päikese. Aristotelese/Ptolemaiose ideed tähtede ja päikese asukoha kohta lükati ümber 1609. aastal. Isik, kes esimesena mõtles välja idee, et Maa käib ümber Päikese, oli Nikolai Kopernik. Galileo Galilei ja Johannes Kepler, kaks teist teadlast, aitasid tõestada, et Koperniku idee oli õige. Nad vaatasid, kuidas mõnede planeetide kuud taevas liikusid, ja kasutasid seda Koperniku õigsuse tõestamiseks. Isaac Newton kirjutas ka raamatu gravitatsioonist, mis aitas tõestada Koperniku idee õigsust.

Ruum ja aeg

Hawking kirjeldab planeetide liikumist ümber Päikese ja seda, kuidas gravitatsioon toimib planeetide ja Päikese vahel. Ta räägib ka absoluutse puhkuse ja absoluutse asukoha ideedest. Need ideed on seotud mõttega, et sündmused püsivad teatud aja jooksul paigal. Newtoni gravitatsiooniseadused leidsid, et see ei vasta tõele. Absoluutse rahu idee ei toiminud, kui objektid liiguvad väga kiiresti (valguse kiirusega ehk valguskiirusega).

Valguse kiirust mõõtis esmakordselt 1676. aastal Taani astronoom Ole Christensen Roemer. Leiti, et valguse kiirus on väga kiire, kuid piiratud kiirusega. Teadlased leidsid aga probleemi, kui nad püüdsid väita, et valgus liigub alati sama kiirusega. Teadlased lõid uue idee, mida nimetati eetriks ja millega püüti seletada valguse kiirust.

Albert Einstein ütles, et eetri ideed ei ole vaja, kui loobutakse teisest ideest, absoluutse aja ideest (ehk ajast, mis on alati sama). Einsteini idee oli ka sama, mis Henry Poincare'i idee. Einsteini ideed nimetatakse relatiivsusteooriaks.

Hawking räägib ka valgusest. Ta ütleb, et sündmusi saab kirjeldada valguskoonuste abil. Valguskoonuse tipp näitab, kuhu sündmuse valgus liigub. Alumine osa ütleb, kus valgus oli minevikus. Valguskoonuse keskpunkt on sündmus. Lisaks valguskoonustele räägib Hawking ka sellest, kuidas valgus võib painduda. Kui valgus möödub suurest massist, näiteks tähest, muudab valgus veidi suunda massi suunas.

Pärast valgusest rääkimist räägib Hawking ajast Einsteini relatiivsusteoorias. Einsteini teooria üks ennustus on, et aeg kulgeb aeglasemalt, kui midagi on suurte masside lähedal. Kui aga miski on massist kaugemal, kulgeb aeg kiiremini. Hawking kasutas oma idee kirjeldamiseks ideed kahest erinevas kohas elavast kaksikust. Kui üks kaksikutest läheb elama mäele ja teine kaksik läheb mere äärde, siis on see kaksik, kes läks mäele elama, veidi vanem kui see kaksik, kes läks mere äärde elama.

Laienev universum

Hawking räägib laienevast universumist. Universum suureneb aja jooksul. Üks asi, mida ta kasutab oma idee selgitamiseks, on Doppleri nihe. Doppleri nihkumine toimub siis, kui midagi liigub teise objekti suunas või sellest eemale. Doppleri nihkega juhtub kahte tüüpi asju - punase nihkega ja sinise nihkega. Punane nihkumine toimub siis, kui miski liigub meist eemale. See on põhjustatud sellest, et meieni jõudva nähtava valguse lainepikkus suureneb ja sagedus väheneb, mis nihutab nähtavat valgust elektromagnetilise spektri punase/punase otsa suunas. Punase nihkega on seotud uskumus, et universum laieneb, kuna valguse lainepikkus suureneb, peaaegu nagu venib, kuna planeedid ja galaktikad liiguvad meist eemale, mis sarnaneb Doppleri efektiga, mis hõlmab helilainete teket. Sinine nihkumine toimub siis, kui miski liigub meie poole, see on vastupidine protsess punasele nihkumisele, mille puhul lainepikkus väheneb ja sagedus suureneb, nihutades valgust spektri sinise otsa suunas. Teadlane Edwin Hubble leidis, et paljud tähed on punnihitud ja liiguvad meist eemale. Hawking kasutab Doppleri nihet, et selgitada, et universum muutub suuremaks. Arvatakse, et universumi algus toimus millegi, mida nimetatakse Suureks Pauguks. Suur plahvatus oli väga suur plahvatus, mis lõi universumi.

Määramatuse põhimõte

Määramatuse põhimõte ütleb, et osakese kiirust ja asukohta ei saa leida üheaegselt. Selleks, et leida, kus osakese asukoht on, suunavad teadlased osakest valgusega. Kui kasutatakse kõrgsageduslikku valgust, saab valguse abil asukoha täpsemalt leida, kuid osakese kiirus jääb teadmata (sest valgus muudab osakese kiirust). Kui kasutatakse madalama sagedusega valgust, saab valguse abil täpsemalt leida kiiruse, kuid osakese asukoht jääb teadmata. Määramatuse printsiip lükkas ümber idee teooriast, mis oleks deterministlik ehk millestki, mis ennustaks kõike tulevikus.

Selles peatükis räägitakse lähemalt ka sellest, kuidas valgus käitub. Mõned teooriad ütlevad, et valgus käitub nagu osakesed, kuigi tegelikult koosneb ta lainetest; üks teooria, mis ütleb seda, on Plancki kvanthüpotees. Teine teooria ütleb samuti, et valguslained käituvad samuti nagu osakesed; üks teooria, mis ütleb seda, on Heisenbergi määramatuse printsiip.

Valguslainetel on tõusud ja mõõnad. Laine kõrgeim punkt on laine harja ja madalaim osa on laine mõõn. Mõnikord võib mitu sellist lainet üksteisega seguneda - tippude ja mõõnade vahel võib tekkida rida. Seda nimetatakse valguse interferentsiks. Kui valguslained interfereerivad üksteisega, võib see tekitada palju värve. Selle näiteks on värvid seebimullides.

Elementaarosakesed ja loodusjõud

Kvargid on väga väikesed asjad, mis moodustavad kõik, mida me näeme (aine). Kvarke on kuut erinevat "maitset": up-kvark, down-kvark, kummaline kvark, võlutud kvark, alumine kvark ja ülemine kvark. Kvarkidel on ka kolm "värvi": punane, roheline ja sinine. On olemas ka antikvarkid, mis on tavaliste kvarkide vastandiks. Kokku on 18 erinevat tüüpi tavalisi kvarkke ja 18 erinevat tüüpi antikvarke. Kvarke nimetatakse "aine ehitusplokkideks", sest need on kõige väiksemad asjad, mis moodustavad kogu aine universumis.

Kõigil elementaarosakestel (näiteks kvarkidel) on midagi, mida nimetatakse spinniks. Osakese spinn näitab meile, milline näeb osakese välja erinevatest suundadest vaadatuna. Näiteks osakese spinniga 0 näeb igast suunast ühesugune välja. Spinniga 1 osake näeb igas suunas erinev välja, välja arvatud juhul, kui osake on täielikult ringi keeratud (360 kraadi). Hawkingi näide 1. spinniga osakese kohta on nool. Spinniga 2 osakest tuleb keerata pooleldi ümber (ehk 180 kraadi), et see näeks välja samasugune. Raamatus toodud näide on kahepealine nool. Universumis on kaks rühma osakesi: osakesi, mille spinn on 1/2, ja osakesi, mille spinn on 0, 1 või 2. Kõik need osakesed järgivad Pauli välistamispõhimõtet. Pauli välistamispõhimõte ütleb, et osakesed ei saa olla samas kohas ega sama kiirusega. Kui Pauli välistamispõhimõtet ei oleks olemas, siis näeks kõik universumis välja ühesugune, nagu umbes ühtlane ja tihe "supp".

Osakesed, mille spinniks on 0, 1 või 2, liigutavad jõudu ühelt osakeselt teisele. Mõned näited sellistest osakestest on virtuaalsed gravitoonid ja virtuaalsed footonid. Virtuaalsete gravitoonide spinn on 2 ja nad esindavad gravitatsioonijõudu. See tähendab, et kui gravitatsioon mõjutab kahte asja, siis gravitoonid liiguvad nende kahe asja vahel. Virtuaalsete footonite spinn on 1 ja need esindavad elektromagnetilisi jõude (ehk jõudu, mis hoiab aatomeid koos).

Lisaks gravitatsioonijõududele ja elektromagnetilistele jõududele on olemas ka nõrk ja tugev tuumajõud. Nõrgad tuumajõud on jõud, mis põhjustavad radioaktiivsust ehk seda, kui aine kiirgab energiat. Nõrk tuumajõud toimib osakestele, mille spinn on 1/2. Tugevad tuumajõud on jõud, mis hoiavad koos neutroni ja prootoni kvarki ning aatomi prootonid ja neutronid. Tugevat tuumajõudu kandvaks osakeseks peetakse gluooni. Glüoon on osake, mille spinn on 1. Glüoon hoiab kokku kvarke, et moodustada prootonid ja neutronid. Glüoon hoiab aga kokku ainult kolme eri värvi kvarki. Seetõttu ei ole lõpptoode värviline. Seda nimetatakse piirituseks.

Mõned teadlased on püüdnud luua teooriat, mis ühendab elektromagnetilise jõu, nõrga tuumajõu ja tugeva tuumajõu. Seda teooriat nimetatakse suureks ühtseks teooriaks (või GUT). See teooria püüab seletada neid jõude ühe suure ühtse viisiga või teooriaga.

Mustad augud

Mustad augud on tähed, mis on kokku varisenud üheks väga väikeseks punktiks. Seda väikest punkti nimetatakse singulaarsuseks.See singulaarsus on ruumi-aja punkt, mis pöörleb suure kiirusega.See on põhjus, miks mustadel aukudel ei ole aega. Mustad augud imevad asju oma keskmesse, sest selle gravitatsioon on väga tugev. Mõned asjad, mida ta võib sisse imeda, on valgus ja tähed. Ainult väga suured tähed, mida nimetatakse superhiidudeks, on piisavalt suured, et muutuda mustaks auguks. Täht peab olema poolteist korda suurem kui Päikese mass või suurem, et muutuda mustaks auguks. Seda arvu nimetatakse Chandrasekhari piiriks. Kui tähe mass on väiksem kui Chandrasekhari piir, ei muutu ta mustaks auguks, vaid muutub hoopis teistsuguseks, väiksemaks täheks. Musta augu piiri nimetatakse sündmuste horisondiks. Kui midagi on sündmuste horisondis, ei pääse see mustast august kunagi välja.

Mustad augud võivad olla erineva kujuga. Mõned mustad augud on täiesti kerakujulised - nagu pall. Teised mustad augud on keskelt kumerad. Mustad augud on kerakujulised, kui nad ei pöörle. Mustad augud on keskelt kumerad, kui nad pöörlevad.

Musti auke on raske leida, sest nad ei lase valgust välja. Neid võib leida, kui mustad augud imevad endasse teisi tähti. Kui mustad augud imevad endasse teisi tähti, siis lasevad mustad augud välja röntgenkiirgust, mida saab teleskoopidega näha. Hawking räägib oma kihlveost teise teadlase Kip Thorne'iga. Hawking kihlvedu, et musti auke ei ole olemas, sest ta ei tahtnud, et tema töö mustade aukude kallal läheks raisku. Ta kaotas kihlveo.

Hawking mõistis, et musta augu sündmuste horisont saab ainult suuremaks, mitte väiksemaks muutuda. Musta augu sündmuste horisondi pindala suureneb, kui midagi langeb musta auku. Ta mõistis ka, et kui kaks musta auku ühinevad, on uue sündmuste horisondi suurus suurem või võrdne kahe teise musta augu sündmuste horisontide summaga. See tähendab, et musta augu sündmuste horisont ei saa kunagi väiksemaks muutuda.

Korrastamatus, mida nimetatakse ka entroopiaks, on seotud mustade aukudega. On olemas teaduslik seadus, mis on seotud entroopiaga. Seda seadust nimetatakse termodünaamika teiseks seaduseks ja see ütleb, et entroopia (ehk korrastamatus) suureneb isoleeritud süsteemis (näiteks universumis) alati. Seose mustas augus oleva entroopia hulga ja musta augu sündmuste horisondi suuruse vahel mõtles esimesena välja üks teadlane (Jacob Bekenstein) ja tõestas Hawking, kelle arvutused ütlesid, et mustad augud kiirgavad kiirgust. See oli kummaline, sest juba varem öeldi, et musta augu sündmuste horisondist ei pääse midagi välja.

See probleem lahendati, kui mõeldi välja "virtuaalsete osakeste" paaride idee. Üks osakeste paar langeb musta auku ja teine põgeneb. See näeks välja nii, nagu emiteeriks must auk osakesi. See idee tundus alguses kummaline, kuid paljud inimesed aktsepteerisid seda mõne aja pärast.

Universumi päritolu ja saatus

Enamik teadlasi usub, et universum sai alguse plahvatusest, mida nimetatakse Suureks Pauguks. Selle mudelit nimetatakse "kuuma suure paugu mudeliks". Kui universum hakkab suurenema, hakkavad ka asjad selle sees jahedamaks muutuma. Universumi alguse ajal oli see lõpmatult kuum. Universumi temperatuur jahtus ja asjad universumi sees hakkasid kokku klumpama.

Hawking räägib ka sellest, kuidas universum võis olla. Näiteks kui universum tekkis ja siis kiiresti kokku varises, ei oleks elu tekkeks piisavalt aega olnud. Teine näide oleks universum, mis laienes liiga kiiresti. Kui universum laieneks liiga kiiresti, muutuks see peaaegu tühjaks. Paljude universumite ideed nimetatakse paljude maailmade tõlgenduseks.

Selles peatükis käsitletakse ka inflatsioonimudeleid ning samuti ideed kvantmehaanikat ja gravitatsiooni ühendavast teooriast.

Igal osakestel on palju ajalugu. See idee on tuntud kui Feynmani teooria, mis käsitleb summat ajaloo üle. Teooria, mis ühendab kvantmehaanika ja gravitatsiooni, peaks sisaldama Feynmani teooriat. Selleks, et leida tõenäosus, et osakese läbib punkti, tuleb iga osakese lained kokku liita. Need lained toimuvad kujuteldavas ajas. Imaginaarsed arvud, kui neid korrutada iseendaga, annavad negatiivse arvu. Näiteks 2i X 2i = -4.

Pilt sellest, mida Ptolemaios arvas planeetide, tähtede ja päikese asukoha kohta.


See on kerge koonus


Einstein ütles, et aeg ei ole absoluutne või alati sama.


Siin on näidatud Universumi Suurt Pauku ja arengut. Pildil on kujutatud Universumi laienemine aja jooksul.


Siin on pilt valguslainest.


Valguse interferents põhjustab paljude värvide ilmnemist.


Spinniga 1 osakest tuleb ümber pöörata, et see näeks jälle välja nagu see nool.


See on prooton. See koosneb kolmest kvarkist. Kõik kvarkid on eri värvi, sest need on piiratud.


Pilt mustast august ja sellest, kuidas see muudab valgust enda ümber.