Īsa laika vēsture

Kopsavilkums

Šajā grāmatā Hokings stāsta par daudzām fizikas teorijām. Dažas no lietām, par kurām viņš runā, ir fizikas vēsture, gravitācija, gaismas kustība Visumā, kosmosa laiks, elementārdaļiņas (ļoti mazi objekti, kas veido lietas Visumā), melnie caurumi, Lielais sprādziens (teorija, ka Visums sākās no viena punkta) un ceļošana laikā (ideja, ka var ceļot uz pagātni un nākotni).

Grāmatas pirmajā daļā Hokings stāsta par fizikas vēsturi. Viņš stāsta par tādu filozofu kā Aristotelis un Ptolemajs idejām. Aristotelis atšķirībā no daudziem citiem sava laika cilvēkiem uzskatīja, ka Zeme ir apaļa. Viņš arī uzskatīja, ka Saule un zvaigznes riņķo ap Zemi. Arī Ptolemajs domāja par Saules un zvaigžņu izvietojumu Visumā. Viņš izveidoja planētu modeli, kas aprakstīja Aristoteļa domāšanu. Mūsdienās ir zināms, ka ir tieši pretēji - Zeme riņķo ap Sauli. Aristoteļa un Ptolemaja idejas par zvaigžņu un saules novietojumu tika atspēkotas 1609. gadā. Cilvēks, kurš pirmais nāca klajā ar ideju par Zemes riņķošanu ap Sauli, bija Nikolajs Koperniks. Galileo Galilejs un Johannes Keplers, divi citi zinātnieki, palīdzēja pierādīt, ka Kopernika ideja bija pareiza. Viņi aplūkoja, kā dažu planētu mēness pārvietojas debesīs, un to izmantoja, lai pierādītu Kopernika taisnību. Arī Īzaks Ņūtons uzrakstīja grāmatu par gravitāciju, kas palīdzēja pierādīt Kopernika idejas pareizību.

Telpa un laiks

Hokings apraksta planētu kustību ap Sauli un to, kā gravitācija darbojas starp planētām un Sauli. Viņš runā arī par absolūtā miera un absolūtā stāvokļa idejām. Šīs idejas ir saistītas ar domu, ka notikumi paliek nemainīgi noteiktā laikā. Ņūtona gravitācijas likumi atklāja, ka tā nav taisnība. Absolūtā miera ideja nedarbojās, ja objekti pārvietojas ļoti ātri (ar gaismas ātrumu jeb gaismas ātrumu).

Gaismas ātrumu 1676. gadā pirmo reizi izmērīja dāņu astronoms Ole Kristensens Rēmers. Tika konstatēts, ka gaismas ātrums ir ļoti liels, bet ar ierobežotu ātrumu. Tomēr zinātnieki saskārās ar problēmu, kad viņi mēģināja apgalvot, ka gaisma vienmēr pārvietojas ar tādu pašu ātrumu. Zinātnieki radīja jaunu ideju, ko sauca par ēteri, ar kuru mēģināja izskaidrot gaismas ātrumu.

Alberts Einšteins teica, ka ētera ideja nav nepieciešama, ja tiek atmesta cita ideja - absolūtā laika (jeb laika, kas vienmēr ir tāds pats) ideja. Einšteina ideja bija tāda pati kā Henrija Puankē ideja. Einšteina ideju sauc par relativitātes teoriju.

Hokings runā arī par gaismu. Viņš saka, ka notikumus var aprakstīt ar gaismas konusiem. Gaismas konusa virsotne norāda, kurp gaisma no notikuma dosies. Apakšējā daļa norāda, kur gaisma atradās pagātnē. Gaismas konusa centrs ir notikums. Bez gaismas konusiem Hokings runā arī par to, kā gaisma var saliekties. Kad gaisma iet garām lielai masai, piemēram, zvaigznei, gaisma nedaudz maina virzienu masas virzienā.

Pēc sarunas par gaismu Hokings runā par laiku Einšteina relativitātes teorijā. Viens no Einšteina teorijas pieņēmumiem ir, ka laiks rit lēnāk, ja kaut kas atrodas milzīgu masu tuvumā. Tomēr, ja kaut kas atrodas tālāk no masas, laiks ritēs ātrāk. Savas idejas aprakstīšanai Hokings izmantoja ideju par diviem dvīņiem, kas dzīvo dažādās vietās. Ja viens no dvīņiem dotos dzīvot uz kalna, bet otrs dvīņubrālis dotos dzīvot pie jūras, tad tas dvīņubrālis, kurš dotos dzīvot uz kalna, būtu nedaudz vecāks par to, kurš dotos dzīvot pie jūras.

Paplašinātais Visums

Hokings stāsta par to, ka Visums paplašinās. Visums laika gaitā palielinās. Viena no lietām, ko viņš izmanto, lai izskaidrotu savu ideju, ir Doplera nobīde. Doplera nobīde notiek, kad kaut kas pārvietojas pret citu objektu vai prom no tā. Doplera nobīde notiek divējādi - sarkanā nobīde un zilā nobīde. Sarkanā nobīde notiek, kad kaut kas virzās no mums. To izraisa to, ka līdz mums nonākošās redzamās gaismas viļņa garums palielinās, bet frekvence samazinās, tādējādi pārvietojot redzamo gaismu uz elektromagnētiskā spektra sarkano/infrasarkano daļu. Sarkanais nobīde ir saistīta ar uzskatu, ka Visums paplašinās, jo gaismas viļņa garums palielinās, gandrīz kā izstiepts, planētām un galaktikām attālinoties no mums, un tas ir līdzīgi kā Doplera efekts, kas saistīts ar skaņas viļņiem. Zilā nobīde notiek, kad kaut kas virzās uz mums, un tas ir pretējs process sarkanajai nobīdei, kad viļņa garums samazinās un frekvence palielinās, pārvietojot gaismu uz zilo spektra daļu. Zinātnieks Edvīns Hūbls atklāja, ka daudzas zvaigznes ir sarkanā nobīdē un virzās prom no mums. Hokings izmanto Doplera nobīdi, lai izskaidrotu, ka Visums kļūst lielāks. Tiek uzskatīts, ka Visuma sākums ir bijis tā sauktais Lielais sprādziens. Lielais sprādziens bija ļoti liels sprādziens, kas radīja Visumu.

Nenoteiktības princips

Nenoteiktības princips nosaka, ka daļiņas ātrumu un pozīciju nevar noteikt vienlaikus. Lai noskaidrotu daļiņas atrašanās vietu, zinātnieki izstaro gaismu uz daļiņu. Ja izmanto augstas frekvences gaismu, ar to var precīzāk noteikt atrašanās vietu, bet daļiņas ātrums būs nezināms (jo gaisma mainīs daļiņas ātrumu). Ja izmanto zemākas frekvences gaismu, gaisma var noteikt ātrumu precīzāk, bet daļiņas atrašanās vieta būs nezināma. Nenoteiktības princips atspēkoja ideju par teoriju, kas būtu deterministiska, jeb kaut ko, kas paredzētu visu nākotnē.

Šajā nodaļā vairāk tiek runāts arī par to, kā gaisma uzvedas. Dažas teorijas apgalvo, ka gaisma darbojas kā daļiņas, lai gan patiesībā tā sastāv no viļņiem; viena no teorijām, kas to apgalvo, ir Planka kvantu hipotēze. Cita teorija arī saka, ka gaismas viļņi arī darbojas kā daļiņas; teorija, kas to apgalvo, ir Haizenberga nenoteiktības princips.

Gaismas viļņiem ir viļņu kāpumi un kritumi. Viļņa augstākais punkts ir grēda, bet viļņa zemākā daļa ir ieplaka. Dažreiz vairāki no šiem viļņiem var savstarpēji interferēt - grēdas un ieplakas sakrīt vienā līnijā. To sauc par gaismas interferenci. Kad gaismas viļņi savstarpēji interferē, tie var veidot daudzas krāsas. Piemērs tam ir ziepju burbuļu krāsas.

Elementārdaļiņas un dabas spēki

Kvarki ir ļoti mazi elementi, kas veido visu, ko mēs redzam (matēriju). Ir sešas dažādas kvārku "garšas": augšējais kvarks, lejupējais kvarks, dīvainais kvarks, apburtais kvarks, apakšējais kvarks un augšējais kvarks. Kvarkiem ir arī trīs "krāsas": sarkana, zaļa un zila. Pastāv arī antikvarki, kas ir pretēji parastajiem kvarkiem. Kopumā ir 18 dažādi regulāro kvārku veidi un 18 dažādi antikvārku veidi. Kvarkus dēvē par "matērijas pamatelementiem", jo tie ir mazākā lieta, kas veido visu matēriju Visumā.

Visām elementārajām daļiņām (piemēram, kvarkiem) piemīt kaut kas, ko sauc par spinu. Daļiņas spins parāda, kā daļiņa izskatās no dažādiem virzieniem. Piemēram, daļiņa ar spinu 0 no visiem virzieniem izskatās vienādi. Daļiņa ar spinu 1 no visiem virzieniem izskatās citādāk, ja vien daļiņa nav pilnībā apgriezta (360 grādu leņķī). Hokinga piemērs daļiņai ar griezienu 1 ir bulta. Daļiņa ar spinu 2 ir jāpagriež uz pusēm (vai 180 grādiem), lai tā izskatītos vienādi. Grāmatā dotais piemērs ir bulta ar diviem galiem. Visumā ir divas daļiņu grupas: daļiņas ar spinu 1/2 un daļiņas, kuru spins ir 0, 1 vai 2. Visas šīs daļiņas atbilst Pauli izslēgšanas principam. Pauli izslēgšanas princips saka, ka daļiņas nevar atrasties vienā un tajā pašā vietā un tām nevar būt vienāds ātrums. Ja Pauli izslēgšanas princips nepastāvētu, tad viss Visumā izskatītos vienādi, kā aptuveni viendabīga un blīva "zupa".

Daļiņas ar 0, 1 vai 2 griezienu pārvietojas ar spēku no vienas daļiņas uz otru. Daži šādu daļiņu piemēri ir virtuālie gravitoni un virtuālie fotoni. Virtuālo gravitonu spins ir 2, un tie pārstāv gravitācijas spēku. Tas nozīmē, ka tad, kad gravitācija iedarbojas uz divām lietām, gravitoni pārvietojas uz šīm divām lietām un no tām. Virtuālo fotonu spins ir 1, un tie pārstāv elektromagnētiskos spēkus (jeb spēku, kas satur kopā atomus).

Papildus gravitācijas spēkam un elektromagnētiskajiem spēkiem pastāv arī vājie un spēcīgie kodolspēki. Vājie kodolspēki ir spēki, kas izraisa radioaktivitāti jeb kad matērija izstaro enerģiju. Vājie kodolspēki iedarbojas uz daļiņām, kuru spins ir 1/2. Stiprie kodolspēki ir spēki, kas neitronā un protonā notur kopā kvarkus, kā arī notur kopā atomā esošos protonus un neitronus. Tiek uzskatīts, ka daļiņa, kas ir spēcīgā kodola spēka nesējs, ir gluons. Gluons ir daļiņa ar griezienu 1. Gluons satur kopā kvarkus, veidojot protonus un neitronus. Tomēr gluons satur kopā tikai trīs dažādu krāsu kvarkus. Tāpēc gala produktam nav krāsas. To sauc par ierobežošanu.

Daži zinātnieki ir mēģinājuši izveidot teoriju, kas apvieno elektromagnētisko spēku, vājo kodolspēku un stipro kodolspēku. Šo teoriju sauc par lielo vienoto teoriju (jeb GUT). Šī teorija mēģina izskaidrot šos spēkus vienā lielā vienotā veidā jeb teorijā.

Melnie caurumi

Melnie caurumi ir zvaigznes, kas ir sabrukušas vienā ļoti mazā punktā. Šo mazo punktu sauc par singularitāti.Šī singularitāte ir laika un telpas punkts, kas griežas ar lielu ātrumu.Tas ir iemesls, kāpēc melnajiem caurumiem nav laika. Melnie caurumi iesūc lietas savā centrā, jo to gravitācija ir ļoti spēcīga. Dažas no lietām, ko tas var iesūkt, ir gaisma un zvaigznes. Tikai ļoti lielas zvaigznes, ko sauc par superzvaigznēm, ir pietiekami lielas, lai kļūtu par melno caurumu. Zvaigznei jābūt pusotru reizi masīvāka par Saules masu vai lielākai, lai tā pārvērstos par melno caurumu. Šo skaitli sauc par Čandrasekhāra robežu. Ja zvaigznes masa ir mazāka par Čandrasekhāra robežu, tā nepārvēršas par melno caurumu; tā vietā tā pārvērtīsies par cita, mazāka tipa zvaigzni. Melnā cauruma robežu sauc par notikumu horizontu. Ja kaut kas atrodas notikumu horizontā, tas nekad neizkļūs no melnā cauruma.

Melnos caurumus var veidot dažādi. Daži melnie caurumi ir pilnīgi sfēriski - kā bumba. Citi melnie caurumi ir izspiesti vidū. Melnie caurumi būs sfēriski, ja tie nevērtojas. Ja melnie caurumi griežas, tie vidū izspiežas.

Melnos caurumus ir grūti atrast, jo tie neizstaro gaismu. Tos var atrast, kad melnie caurumi iesūc citas zvaigznes. Kad melnie caurumi iesūc citas zvaigznes, melnais caurums izstaro rentgena starus, kurus var redzēt ar teleskopiem. Hokings stāsta par savu derību ar citu zinātnieku Kipu Tornu. Hokings derējās, ka melnie caurumi neeksistē, jo viņš negribēja, lai viņa darbs pie melnajiem caurumiem tiktu izniekots. Viņš šo derību zaudēja.

Hokings saprata, ka melnā cauruma notikumu horizonts var tikai palielināties, nevis samazināties. Melnā cauruma notikumu horizonta laukums kļūst lielāks, kad kaut kas iekrīt melnajā caurumā. Viņš arī saprata, ka, diviem melnajiem caurumiem apvienojoties, jaunā notikumu horizonta lielums ir lielāks vai vienāds ar abu pārējo melno caurumu notikumu horizontu summu. Tas nozīmē, ka melnā cauruma notikumu horizonts nekad nevar kļūt mazāks.

Ar melnajiem caurumiem ir saistīts arī nekārtīgums, ko dēvē arī par entropiju. Pastāv zinātnisks likums, kas saistīts ar entropiju. Šo likumu sauc par otro termodinamikas likumu, un tas nosaka, ka izolētā sistēmā (piemēram, Visumā) entropija (jeb nekārtība) vienmēr palielināsies. Par saikni starp entropijas daudzumu melnajā caurumā un melnā cauruma notikumu horizonta lielumu pirmo reizi domāja kāds pētnieks (Džeikobs Bekenšteins), un to pierādīja Hokings, kura aprēķini liecināja, ka melnie caurumi izstaro starojumu. Tas bija dīvaini, jo jau iepriekš bija teikts, ka no melnā cauruma notikumu horizonta nekas nevar izkļūt.

Šī problēma tika atrisināta, kad radās ideja par "virtuālo daļiņu" pāriem. Viena no daļiņu pāra iekristu melnajā caurumā, bet otra izkļūtu no tā. Tas izskatītos tā, it kā melnais caurums izstarotu daļiņas. Sākumā šī ideja šķita dīvaina, bet pēc kāda laika daudzi cilvēki to pieņēma.

Visuma izcelsme un liktenis

Lielākā daļa zinātnieku uzskata, ka Visums aizsākās sprādzienā, ko sauc par Lielo sprādzienu. Šo modeli sauc par "karstā lielā sprādziena modeli". Kad Visums sāk palielināties, arī tajā esošās lietas sāk kļūt vēsākas. Kad Visums sākās, tas bija bezgalīgi karsts. Visuma temperatūra atdzisa, un visumā esošās lietas sāka sablīvēties.

Hokings runā arī par to, kā varētu būt varējis rasties Visums. Piemēram, ja Visums būtu izveidojies un pēc tam ātri sabrucis, nebūtu bijis pietiekami daudz laika dzīvībai izveidoties. Cits piemērs būtu Visums, kas pārāk ātri paplašinājās. Ja Visums izplestos pārāk ātri, tas kļūtu gandrīz tukšs. Ideju par daudziem visumiem sauc par daudzu pasauļu interpretāciju.

Šajā nodaļā ir aplūkoti arī inflācijas modeļi, kā arī ideja par teoriju, kas apvieno kvantu mehāniku un gravitāciju.

Katrai daļiņai ir daudzas vēstures. Šī ideja ir pazīstama kā Feinmena teorija par summu pār vēsturēm. Teorijai, kas apvieno kvantu mehāniku un gravitāciju, būtu jāietver Feinmana teorija. Lai noskaidrotu varbūtību, ka daļiņa šķērsos kādu punktu, ir jāsaskaita katras daļiņas viļņi. Šie viļņi notiek iedomātā laikā. Imagināri skaitļi, reizināti paši ar sevi, veido negatīvu skaitli. Piemēram, 2i X 2i = -4.

Attēls par to, ko Ptolemajs domāja par planētu, zvaigžņu un saules atrašanās vietu.


Tas ir gaismas konuss


Einšteins teica, ka laiks nav absolūts vai vienmēr vienāds.


Šeit ir parādīts Lielais sprādziens un Visuma evolūcija. Attēlā redzama Visuma paplašināšanās laika gaitā.


Šeit ir attēlots gaismas vilnis.


Gaismas interference izraisa daudzu krāsu parādīšanos.


Daļiņa ar griezienu 1 ir jāapgriež līdz galam, lai tā atkal izskatītos tāda pati, kā šī bulta.


Tas ir protons. To veido trīs kvarki. Visi kvarki ir dažādās krāsās, jo ir noslēgti.


Attēls ar melno caurumu un to, kā tas maina gaismu ap to.