Dans ce livre, Hawking parle de nombreuses théories en physique. Il parle notamment de l'histoire de la physique, de la gravité, de la façon dont la lumière se déplace dans l'univers, de l'espace-temps, des particules élémentaires (les très petits objets qui composent les choses dans l'univers), des trous noirs, du Big Bang (la théorie selon laquelle l'univers est parti d'un point) et du voyage dans le temps (l'idée que l'on peut voyager dans le passé et dans le futur).
Dans la première partie du livre, Hawking parle de l'histoire de la physique. Il parle des idées de philosophes tels qu'Aristote et Ptolémée. Aristote, contrairement à beaucoup d'autres personnes de son époque, pensait que la Terre était ronde. Il pensait également que le soleil et les étoiles tournaient autour de la Terre. Ptolémée pensait également à la façon dont le soleil et les étoiles étaient situés dans l'univers. Il a fait un modèle planétaire qui décrit la pensée d'Aristote. Aujourd'hui, on sait que le contraire est vrai : la terre tourne autour du soleil. Les idées d'Aristote/Ptolémée sur la position des étoiles et du soleil ont été réfutées en 1609. La première personne à avoir pensé à l'idée que la terre tourne autour du soleil est Nicholas Copernic. Galileo Galilei et Johannes Kepler, deux autres scientifiques, ont contribué à prouver que l'idée de Copernic était la bonne. Ils ont examiné comment les lunes de certaines planètes se déplaçaient dans le ciel, et ils ont utilisé cette étude pour prouver que Copernic avait raison. Isaac Newton a également écrit un livre sur la gravité, qui a contribué à prouver que l'idée de Copernic était juste.
Espace et temps
Hawking décrit le mouvement des planètes autour du soleil et le fonctionnement de la gravité entre les planètes et le soleil. Il parle également des idées de repos absolu et de position absolue. Ces idées reposent sur l'idée que les événements restent en place pendant un certain temps. Les lois de la gravité de Newton ont montré que ce n'était pas le cas. L'idée de repos absolu ne fonctionnait pas lorsque les objets se déplaçaient très rapidement (à la vitesse de la lumière, ou vitesse de la lumière).
La vitesse de la lumière a été mesurée pour la première fois en 1676 par l'astronome danois Ole Christensen Roemer. La vitesse de la lumière s'est avérée très rapide, mais à une vitesse finie. Cependant, les scientifiques ont découvert un problème lorsqu'ils ont essayé de dire que la lumière voyageait toujours à la même vitesse. Les scientifiques ont alors créé une nouvelle idée, appelée l'éther, qui a tenté d'expliquer la vitesse de la lumière.
Albert Einstein a déclaré que l'idée de l'éther n'était pas nécessaire si une autre idée, celle du temps absolu (ou du temps qui est toujours le même) était abandonnée. L'idée d'Einstein était également la même que celle d'Henry Poincare. L'idée d'Einstein est appelée la théorie de la relativité.
Hawking parle aussi de la lumière. Il dit que les événements peuvent être décrits par des cônes de lumière. Le sommet du cône de lumière indique où la lumière de l'événement va voyager. Le bas indique où la lumière se trouvait dans le passé. Le centre du cône de lumière représente l'événement. Outre les cônes de lumière, Hawking parle également de la façon dont la lumière peut se courber. Lorsque la lumière passe devant une grande masse, comme une étoile, la lumière change légèrement de direction vers la masse.
Après avoir parlé de la lumière, Hawking parle du temps dans la théorie de la relativité d'Einstein. L'une des prédictions de la théorie d'Einstein est que le temps passe plus lentement lorsque quelque chose se trouve à proximité d'énormes masses. Cependant, lorsque quelque chose est plus éloigné de la masse, le temps passe plus vite. Hawking a utilisé l'idée de deux jumeaux vivant à des endroits différents pour décrire son idée. Si l'un des jumeaux allait vivre sur une montagne, et qu'un autre allait vivre près de la mer, le jumeau qui allait vivre sur la montagne serait un peu plus âgé que celui qui allait vivre à la mer.
L'univers en expansion
Hawking parle de l'univers en expansion. L'univers s'agrandit au fil du temps. L'une des choses qu'il utilise pour expliquer son idée est le décalage Doppler. Le décalage Doppler se produit lorsque quelque chose se rapproche ou s'éloigne d'un autre objet. Il y a deux types de choses qui se produisent dans le décalage Doppler : le décalage rouge et le décalage bleu. Le décalage rouge se produit lorsque quelque chose s'éloigne de nous. Il est causé par l'augmentation de la longueur d'onde de la lumière visible qui nous atteint et la diminution de la fréquence, qui déplace la lumière visible vers l'extrémité rouge/infrarouge du spectre électromagnétique. Le décalage vers le rouge est lié à la croyance selon laquelle l'univers s'étend à mesure que la longueur d'onde de la lumière augmente, presque comme s'il s'étirait à mesure que les planètes et les galaxies s'éloignent de nous, ce qui présente des similitudes avec l'effet Doppler, impliquant des ondes sonores. Le décalage vers le bleu se produit lorsque quelque chose se rapproche de nous, le processus inverse du décalage vers le rouge, dans lequel la longueur d'onde diminue et la fréquence augmente, ce qui déplace la lumière vers l'extrémité bleue du spectre. Un scientifique du nom d'Edwin Hubble a découvert que de nombreuses étoiles sont décalées vers le rouge et s'éloignent de nous. Hawking utilise le décalage Doppler pour expliquer que l'univers s'agrandit. On pense que le début de l'univers est dû à quelque chose appelé le Big Bang. Le Big Bang était une très grande explosion qui a créé l'univers.
Le principe d'incertitude
Le principe d'incertitude dit que la vitesse et la position d'une particule ne peuvent pas être trouvées en même temps. Pour savoir où se trouve une particule, les scientifiques l'éclairent. Si une lumière à haute fréquence est utilisée, la lumière peut trouver la position avec plus de précision, mais la vitesse de la particule sera inconnue (car la lumière modifiera la vitesse de la particule). Si une lumière à basse fréquence est utilisée, la lumière peut trouver la vitesse avec plus de précision, mais la position de la particule sera inconnue. Le principe d'incertitude a réfuté l'idée d'une théorie déterministe, ou quelque chose qui prédirait tout dans le futur.
Le comportement de la lumière est également abordé dans ce chapitre. Certaines théories affirment que la lumière agit comme des particules même si elle est réellement constituée d'ondes ; une théorie qui dit que c'est l'hypothèse quantique de Planck. Une autre théorie dit que les ondes lumineuses agissent également comme des particules, une théorie qui dit que c'est le principe d'incertitude de Heisenberg.
Les ondes lumineuses ont des crêtes et des creux. Le point le plus élevé d'une vague est la crête, et la partie la plus basse de la vague est un creux. Parfois, plusieurs de ces vagues peuvent interférer les unes avec les autres - les crêtes et les creux s'alignent. C'est ce qu'on appelle l'interférence lumineuse. Lorsque les ondes lumineuses interfèrent les unes avec les autres, cela peut donner de nombreuses couleurs. Les couleurs des bulles de savon en sont un exemple.
Particules élémentaires et forces de la nature
Les quarks sont de très petites choses qui composent tout ce que nous voyons (la matière). Il existe six "saveurs" différentes de quarks : le quark du haut, le quark du bas, le quark étrange, le quark charmé, le quark du bas et le quark du haut. Les quarks ont également trois "couleurs" : le rouge, le vert et le bleu. Il existe également des antiquarks, qui sont à l'opposé des quarks réguliers. Au total, il existe 18 types différents de quarks réguliers et 18 types différents d'antiquarks. Les quarks sont connus comme les "blocs de construction de la matière" car ils sont la plus petite chose qui compose toute la matière de l'univers.
Toutes les particules élémentaires (par exemple, les quarks) ont quelque chose appelé spin. Le spin d'une particule nous montre à quoi ressemble une particule dans différentes directions. Par exemple, une particule de spin 0 a la même apparence de toutes les directions. Une particule de spin 1 a un aspect différent dans toutes les directions, à moins que la particule ne soit complètement tournée (360 degrés). L'exemple de Hawking d'une particule de spin 1 est une flèche. Une particule de rotation 2 doit être tournée à moitié (ou 180 degrés) pour avoir le même aspect. L'exemple donné dans le livre est celui d'une flèche à deux têtes. Il existe deux groupes de particules dans l'univers : les particules de rotation 1/2 et les particules de rotation 0, 1 ou 2. Toutes ces particules suivent le principe d'exclusion de Pauli. Le principe d'exclusion de Pauli dit que les particules ne peuvent pas être au même endroit ni avoir la même vitesse. Si le principe d'exclusion de Pauli n'existait pas, alors tout dans l'univers aurait la même apparence, comme une "soupe" à peu près uniforme et dense.
Les particules ayant un spin de 0, 1 ou 2 déplacent la force d'une particule à l'autre. Les gravitons virtuels et les photons virtuels sont des exemples de ces particules. Les gravitons virtuels ont un spin de 2 et représentent la force de gravité. Cela signifie que lorsque la gravité affecte deux choses, les gravitons se déplacent vers et depuis ces deux choses. Les photons virtuels ont un spin de 1 et représentent les forces électromagnétiques (ou la force qui maintient les atomes ensemble).
Outre la force de gravité et les forces électromagnétiques, il existe des forces nucléaires faibles et fortes. Les forces nucléaires faibles sont les forces qui provoquent la radioactivité, ou lorsque la matière émet de l'énergie. La force nucléaire faible agit sur les particules ayant un spin de 1/2. Les forces nucléaires fortes sont les forces qui maintiennent ensemble les quarks dans un neutron et un proton, et maintiennent ensemble les protons et les neutrons dans un atome. On pense que la particule qui porte la force nucléaire forte est un gluon. Le gluon est une particule dont le spin est égal à 1. Le gluon maintient les quarks ensemble pour former des protons et des neutrons. Cependant, le gluon ne maintient ensemble que des quarks de trois couleurs différentes. Le produit final n'a donc pas de couleur. C'est ce que l'on appelle le confinement.
Certains scientifiques ont essayé de faire une théorie qui combine la force électromagnétique, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte. Cette théorie est appelée une grande théorie unifiée (ou GUT). Cette théorie tente d'expliquer ces forces d'une manière ou d'une théorie grande unifiée.
Trous noirs
Les trous noirs sont des étoiles qui se sont effondrées en un tout petit point. Ce petit point est appelé une singularité. Cette singularité est un point de l'espace-temps qui tourne à grande vitesse. C'est la raison pour laquelle les trous noirs n'ont pas de temps. C'est pourquoi les trous noirs n'ont pas de temps. Les trous noirs aspirent les choses en leur centre car leur gravité est très forte. Parmi les choses qu'il peut aspirer, on trouve la lumière et les étoiles. Seules les très grandes étoiles, appelées super-géantes, sont assez grandes pour devenir un trou noir. L'étoile doit avoir une fois et demie la masse du soleil ou plus pour se transformer en trou noir. Ce nombre est appelé la limite de Chandrasekhar. Si la masse d'une étoile est inférieure à la limite de Chandrasekhar, elle ne se transformera pas en trou noir, mais en un type d'étoile différent et plus petit. La limite du trou noir est appelée l'horizon des événements. Si quelque chose se trouve dans l'horizon des événements, il ne sortira jamais du trou noir.
Les trous noirs peuvent avoir des formes différentes. Certains trous noirs sont parfaitement sphériques - comme une balle. D'autres trous noirs sont bombés au milieu. Les trous noirs seront sphériques s'ils ne tournent pas. Les trous noirs sont bombés au milieu s'ils tournent.
Les trous noirs sont difficiles à trouver car ils ne laissent pas passer la lumière. On peut les trouver lorsque les trous noirs aspirent d'autres étoiles. Lorsque les trous noirs aspirent d'autres étoiles, le trou noir laisse échapper des rayons X, qui peuvent être vus par les télescopes. Hawking parle de son pari avec un autre scientifique, Kip Thorne. Hawking a parié que les trous noirs n'existaient pas, car il ne voulait pas que son travail sur les trous noirs soit gâché. Il a perdu son pari.
Hawking a réalisé que l'horizon des événements d'un trou noir ne pouvait que s'agrandir, pas se réduire. La zone de l'horizon des événements d'un trou noir s'agrandit chaque fois qu'un objet tombe dans le trou noir. Il a également réalisé que lorsque deux trous noirs se combinent, la taille du nouvel horizon des événements est supérieure ou égale à la somme des horizons des événements des deux autres trous noirs. Cela signifie que l'horizon événementiel d'un trou noir ne peut jamais devenir plus petit.
Le désordre, également appelé entropie, est lié aux trous noirs. Il existe une loi scientifique qui a trait à l'entropie. Cette loi est appelée la deuxième loi de la thermodynamique, et elle dit que l'entropie (ou le désordre) augmentera toujours dans un système isolé (par exemple, l'univers). La relation entre la quantité d'entropie dans un trou noir et la taille de l'horizon des événements du trou noir a été imaginée pour la première fois par un étudiant en recherche (Jacob Bekenstein) et prouvée par Hawking, dont les calculs indiquaient que les trous noirs émettent des radiations. C'est étrange, car on a déjà dit que rien ne peut s'échapper de l'horizon des événements d'un trou noir.
Ce problème a été résolu lorsque l'on a pensé à l'idée de paires de "particules virtuelles". Une des paires de particules tomberait dans le trou noir, et l'autre s'échapperait. On aurait alors l'impression que le trou noir émettait des particules. Cette idée a semblé étrange au début, mais beaucoup de gens l'ont acceptée au bout d'un certain temps.
L'origine et le destin de l'univers
La plupart des scientifiques pensent que l'univers a commencé par une explosion appelée le Big Bang. Le modèle de cette explosion est appelé le "modèle du big bang chaud". Lorsque l'univers commence à grossir, les choses à l'intérieur de celui-ci commencent également à se refroidir. Lorsque l'univers a commencé, il était infiniment chaud. La température de l'univers s'est refroidie et les choses à l'intérieur de l'univers ont commencé à s'agglutiner.
Hawking parle aussi de la façon dont l'univers aurait pu être. Par exemple, si l'univers se formait puis s'effondrait rapidement, il n'y aurait pas assez de temps pour que la vie se forme. Un autre exemple serait un univers qui s'étendrait trop rapidement. Si un univers s'étendait trop rapidement, il deviendrait presque vide. L'idée de nombreux univers est appelée l'interprétation des mondes multiples.
Les modèles inflationnistes sont également abordés dans ce chapitre, tout comme l'idée d'une théorie qui unifie la mécanique quantique et la gravité.
Chaque particule a de nombreuses histoires. Cette idée est connue sous le nom de théorie de Feynman sur la somme des histoires. Une théorie qui unifie la mécanique quantique et la gravité devrait contenir la théorie de Feynman. Pour déterminer la probabilité qu'une particule passe par un point, il faut additionner les ondes de chaque particule. Ces ondes se produisent dans un temps imaginaire. Les nombres imaginaires, lorsqu'ils sont multipliés par eux-mêmes, donnent un nombre négatif. Par exemple, 2i X 2i = -4.
